第4章-基于LabVIEW的信号发生、分析与处理

周鹏安徽工程大学电气工程学院第4章基于LabVIEW的信号发生、分析与处理本章内容•4.1信号的发生•4.2信号的时域分析与处理•4.3信号的频域分析与处理•4.4波形测量与信号调理•4.5波形监测与逐点信号分析本章例题参考教材，本课件中不再详述。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.1信号的发生周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院4.1.1基本函数发生器“基本函数发生器.vi”是LabVIEW中一种常用的用以产生波形数据的VI，它可以产生4种基本信号，即正弦波、方波、三角波和锯齿波，可以控制信号的频率、幅值及相位等信息，其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.1.2基本多频信号发生器多频信号是由多种频率成分的正弦波叠加而成的波形信号，LabVIEW2011提供了基本混合单频.vi、基本带幅值混合单频.vi、混合单频信号发生器.vi三个VI专门用来产生多频信号，它们位于波形生成子选板中。本节介绍基本混合单频.vi，也称为基本多频信号发生器，可生成整数个周期的单频正弦之和的波形。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.1.3白噪声信号发生器LabVIEW2011提供了白噪声、高斯噪声、周期随机噪声信号等多种常用的噪声信号发生器，这几种噪声信号分布于波形生成和信号生成两个子选板中。“均匀白噪声发生器波形.vi”能够产生一定幅值均匀分布的的白噪声信号，其中，幅值为信号输出的最大绝对值，默认值为1.0。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.1.4高斯白噪声信号发生器“高斯白噪声波形.vi”用来产生一定标准差高斯分布的白噪声信号，标准差数据端口决定了其偏差值，且输入为绝对值。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.1.5周期随机噪声信号发生器“周期随机噪声信波形.vi”用来产生周期性的随机噪声信号，频谱幅值数据端口决定了噪声信号的功率谱幅值。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2信号的时域分析与处理•对信号的分析与处理可分为在时域和频域中完成，它们从不同的角度和方面对信号进行分析、反映信号的不同特征。本节介绍对信号进行时域分析与处理的方法。•以时间为自变量描述物理量的变化是信号最基本、最直观的表达形式。在时域内对信号进行波形变换、缩放、统计特征计算、相关性分析等处理，统称为信号的时域分析。通过时域分析方法，可以有效提高信噪比，求取信号波形在不同时刻的相似性和关联性，获得反映系统运行状态的特征参数，为系统动态分析和故障诊断提供有效地信息。周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.1基本平均直流-均方根“基本平均直流-均方根.vi”是从信号输入端输入一个波形或数组，对其加窗，根据平均类型输入端口的值计算加窗后信号的平均直流DC及均方根RMS值。此函数对于每个输入的波形只返回一个直流值和一个均方根值。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.2平均直流-均方根“平均直流-均方根.vi”同样也是用于计算信号的平均直流DC及均方根RMS值，只是AveragedDC-RMS.vi的输出是一个波形数据。其图标和端口如图4-18所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.3周期平均值和均方根“周期平均值和均方根.vi”可以测量信号在一个周期中的均值及均方根值。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.4瞬态特性测量“瞬态特性测量.vi”用于测量信号的过渡态量：上升时间以及其超调量。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.5脉冲测量“脉冲测量.vi”用于测量信号的周期、脉冲宽度以及信号的占空比。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.6幅值和电平测量“幅值和电平测量”ExpressVI用于测量信号的电压。将ExpressVI放置在框图中，会自动弹出一个初始化配置窗口，如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.7提取单频信息“提取单频信息.vi”用于提取信号的频率、幅值和相位等信息。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.8提取混合单频信息“提取混合单频信息.vi”用于提取幅值超过指定阈值的单频信号的频率、幅值和相位等信息。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.9卷积积分•LabVIEW2011提供实现卷积运算的VI有“卷积.vi”、“反卷积.vi”、以及卷积和相关ExpressVI。它们位于“函数选板→信号处理→信号运算”子选板中。•本节以“卷积.vi”为例进行介绍，卷积VI计算输入序列X和Y的卷积，连接到输入端的数据类型决定了卷积的数据类型，能实现对一维信号和二维信号的卷积运算。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.10相关分析相关分析在信号处理中有着广泛的应用，如信号的时延估计、信号识别、故障诊断等。LabVIEW2011提供了“自相关.vi”与“互相关.vi”分别用于求解输入信号的自相关和互相关序列。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.2.11谐波失真分析•LabVIEW2011中“谐波失真分析.vi”、“SINAD分析.vi”、“失真测量ExpressVI”能够实现输入信号的谐波分析，输出THD、SINAD和各次谐波分量幅值的信息。•本节介绍失真测量ExpressVI，将ExpressVI放置在框图中，会自动弹出属性对话框，如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.3信号的频域分析与处理LabVIEW2011中提供了丰富的信号频域分析处理节点，主要分布在信号处理选板中的两个子选板：一个是“变换”子选板，其实现的函数功能主要有傅里叶变换、希尔伯特变换、小波变换、拉普拉斯变换等；另一个是“谱分析”子选板，所包含的函数主要包括功率谱分析、联合时频分析等。周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院4.3.1傅里叶变换“FFT.vi”是计算输入序列X的快速傅立叶变换（FFT）。通过连线数据至X输入端，可确定要转换的数据类型。其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.3.2Hilbert变换Hilbert变换是一种重要的变换，它常用于通信系统和数字信号处理系统中，如提取瞬时频率和相位信息，计算单边频谱，获取振荡信号的包络，进行回声检测和降低采样速率等。快速希尔伯特变换.vi图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.3.3功率谱分析LabVIEW2011提供了非常多的用于功率谱分析与计算的VI，如自功率谱、互功率谱、单边互功率谱、非平均采样信号频谱等。“自功率谱.vi”用于计算时域信号的单边且已缩放的自功率谱。“功率谱.vi”用于计算信号的双边功率谱，其图标和端口如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.3.4联合时频分析LabVIEW2011提供了两个用于时频分析的VI：“STFT时频图.vi”，依据短时傅里叶变换（STFT）算法计算联合时频域中信号的能量分布；“WVD时频图.vi”，依据Wigner-Ville分布（WVD）算法计算输入信号在联合时频域中的能量分布。其图标和端口分别如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.3.5窗函数LabVIEW中，前面涉及到的各种频谱分析、功率谱分析等的参数设置中都需要选择窗函数，而且这些VI中提供了丰富的窗函数类型以供选择。在基本函数VI中，LabVIEW2011也提供了丰富的窗函数类型VI，位于“函数选板→信号处理→窗”子函数选板中，如图所示。对窗函数的使用要点是在合适的场合选用合适的窗函数。周鹏安徽工程大学电气工程学院周鹏安徽工程大学电气工程学院4.3.6LabVIEW中其他频域分析处理VI•LabVIEW2011中，除了信号处理子选板下变换、谱分析选板中的各种频域分析及处理VI，在波形测量选板下也有大量对信号进行谱分析的基本VI。•当然，LabVIEW中还有其它一些用于特定场合的频域分析处理VI，例如变换子选板下用于将时域实数序列变换为频域实数序列的Hartley变换FHT.vi，谱分析子选板下用于估计未知长度正弦信号频率的Buneman频率估计BunemanFrequencyEstimator.vi，这些VI虽然不是非常广泛地被使用，但对于某些特定的处理对象，使用恰当的VI能够更好地分析出被测量信号或系统的特性。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.4波形测量与信号调理4.4.1波形测量波形测量VI位于“函数选板”→“信号处理”→“波形测量”子函数选板中，如4.2节中图所示。该函数选板提供了18个普通VI和6个ExpressVI，主要用于对波形的各种信息进行测量，包括直流交流分析、振幅测量、瞬态特性测量、脉冲测量、傅里叶变换、功率谱测量、谐波失真分析、频率响应、SINAD分析等。一些VI可以计算多次测量的平均值，它们可以将上次分析的结果保存下来，以供下次使用，这一优点在处理大规模数据时是非常有用的。另外如果用户处理地数据规模较大，也可以将数据分成若干小块，每次分析一小块，通过VI的记忆功能得到整个数据的分析结果。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.4.2信号调理LabVIEW2011提供的信号调理功能的是波形调理函数选板，位于“函数选板”→“信号处理”→“波形调理”子函数选板中，如图所示。该函数选板提供了数字FIR滤波器、数字IIR滤波器、按窗函数缩放等函数节点。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.5波形监测与逐点信号分析4.5.1波形监测在“波形测量”子函数选板中，有一个“波形监测”子函数选板，点击后就可以看到LabVIEW2011提供的波形监测的函数节点，如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院4.5.2逐点信号分析•实时数据采集与处理系统需要连续稳定的运行系统。逐点分析函数VI由于把数据采集与分析连接在一起，因此逐点分析是高效和连续稳定的，它与数据采集与分析是紧密相连的，这使得它能够广泛应用于FPGA、DSP芯片、ARM、专用CPU和专用集成电路ASIC等控制领域。•逐点分析函数VI提供了与数组分析相应的分析功能，它位于“函数选板”→“信号处理”→“逐点”子函数选板中，如图所示。周鹏安徽工程大学电气工程学院