虚拟仪器及labview第七章2

《虚拟仪器》第1页7.4labview的信号处理功能时域分析时延域分析频域分析滤波器窗函数《虚拟仪器》第2页7.4.1信号时域分析－信号发生模板信号发生模板：Analyze－SingalProcessing-SingalGeneration《虚拟仪器》第3页信号时域分析模板基本时域分析模板：Analyze－SingalProcessing-TimeDomain《虚拟仪器》第4页检测信号的时间特征值的信号处理控件周期和频率是周期信号或准周期信号特有的时间特征值；周期信号的周期和频率分别反映了周期信号波形重复出现的时间间隔和出现的频率，它们互为倒数关系。在LabVIEW中，能够求取信号频率和周期的ExpressⅥ是TimingandTransitionMeasurements．Vi。它的到达路径是Functions→SignalAnalysis或AllFunctions→Analyze→WaveformMeasurements。《虚拟仪器》第5页表3-6TimingandTransitionMeasurements.vi设置参数含义参数含义参数含义Frequency频率Preshoot前置尖头信号Period周期Overshoot过冲Pulseduration脉冲宽度Slewrate上升速度Dutycycle占空比•TimingandTransitionMeasurements．vi还给出了其他几个波形参数的求取，其对应含义见表3-6。检测信号的时间特征值的信号处理控件之一《虚拟仪器》第6页•例：用TimingandTransitionMeasurements.vi求取一个三角波的幅值、时间等特征值。如检测信号的时间特征值的信号处理控件《虚拟仪器》第7页TimingandTransitionMeasurements．vi参数对话框的设置《虚拟仪器》第8页可以求取周期信号频率和周期参数的ExpressⅥ还有专门用于寻找最大幅值谐波信号分量参数的ToneMeasurements.vi；用SpectralMeasurements.vi可以通过谱分析的方法获得周期信号的频率，但如果仅仅求取时间参数，用这个Ⅵ就过于浪费了。检测信号的时间特征值的信号处理控件之二《虚拟仪器》第9页用这3个VI可以专门针对多谐信号进行幅值和频率测量。用这3个波形Ⅵ可以测量不规则信号在一个周期中的波形参数：从其图标中可以很明显地看出来，这3个Ⅵ分别求取的是一个波形的瞬态幅值信息、时间轴信息和类似于峰—峰值的参数。检测信号的时间特征值的信号处理控件之三《虚拟仪器》第10页信号的时域分析－－基本内容求取信号的时域特征量：峰－峰值、周期、频率、脉冲宽度、占空比等直流分量及有效值尖峰捕获对信号进行时域上的运算：微分，积分《虚拟仪器》第11页例1：利用信号发生控件产生正弦波、方波、三角波，并试求出其峰峰值、周期、频率、脉冲宽度、占空比等参数，试如果加上噪声会对结果产生怎样的影响?《虚拟仪器》第12页例2：对一个方波信号进行微积分运算。并对微积分后产生信号的尖峰位置点进行估计测量原始信号微分后信号积分后信号《虚拟仪器》第13页Arithmetic&Comparison子模板对信号微积分处理的控件《虚拟仪器》第14页TimeDomainMath．vi主要对输入信号进行微分、差分、积分和求和4种运算。其参数设置对话框如图3-22所示。图3-22TimeDomainMath.vi参数设置对话框《虚拟仪器》第15页《虚拟仪器》第16页信号的时延域分析－－基本内容在LabVIEW7．1中有关时延域上的分析包括：相关自相关函数运算VI；互相关函数运算VI；卷积卷积运算VI；反卷积运算VI。《虚拟仪器》第17页实现相关和卷积运算没有对应的波形VI，其实现的层次只有两个层次：ExpressVI中的ConvolutionandCorrelation.vi。基本函数VI中的Convolution.vi；Deconvolution.vi；AutoCorrelation.vi；CrossCorrelation.vi。《虚拟仪器》第18页ExpressVI中的ConvolutionandCorrelation．vi包含了自相关函数运算VI；互相关函数运算VI；卷积运算VI；反卷积运算VI。它仅仅给4个基本函数VI提供了一个共同的外壳而已。ExpressVI中的卷积和相关运算ConvolutionandCorrelation．vi到达途径：Functions→SignalAnalysis。《虚拟仪器》第19页•只需设置需要进行计算的种类，在参数设置框的右半部分就能直观地看到计算过程的图解。计算过程图解计算的种类相关和卷积的ExpressVI界面《虚拟仪器》第20页图3-31典型信号的自相关函数•在测试工程应用中就可以对实测的信号作自相关分析，根据自相关函数的特点判断信号是否为周期信号，随机信号是宽带的还是窄带型的，并据此寻找原因。《虚拟仪器》第21页相关分析的应用在测试技术中，相关分析有两个最典型的应用：时延或位置检测，相关滤波。利用互相关函数还可识别、提取、混淆在噪声中的信号，即相关滤波。利用互相关函数可以测量系统的延时，如果信号的时延是和位置相关的，则还可以测量位置信息和速度信息，例如用相关分析判断液体流速。《虚拟仪器》第22页相关分析的应用利用互相关函数还可识别、提取、混淆在噪声中的信号，即相关滤波。例3：试利用自相关函数对夹杂噪声的正弦波信号进行滤波《虚拟仪器》第23页3.相关分析的应用时延或位置检测假设管道在Q点发生泄漏，泄漏发生后，在泄漏处将引起压力突降，产生一个以Q点为泄漏源的声波信号，该声波信号将以一定的波速V向管道两端传播。安装在管道A、B两端的传感器分别在t和(t+τ)时刻检测到这个信号(这里假设泄漏点距离两个传感器的距离LaLb)，相关处理后，可以得到二者之间测得泄露点的时间差《虚拟仪器》第24页卷积积分卷积是线性系统时域分析方法中的一种，它可以求线性系统对任何激励信号的零状态响应。卷积的物理概念及其运算在测试信号处理中占有重要地位。1．卷积积分的物理意义卷积或褶积(convolution)使用得十分普遍，函数与的卷积积分定义为通常简写为。《虚拟仪器》第25页利用卷积运算来描述线性时不变系统的输出与输入关系，系统的输出是任意输入与系统脉冲响应函数的卷积，如图3-32所示。《虚拟仪器》第26页实现相关和卷积运算的基本函数Ⅵ的到达途径：AllFunctions→Analyze→SignalProcessing→TimeDomain，其子模板参见图3-35，图3-35时域子模板(TimeDomain)•其参数和ConvolutionandCorrelation.vi类似，区别在于用数组和端口的方式进行设置。《虚拟仪器》第27页傅立叶变换小波变换功率谱分析谐波分析信号的频率域分析－－频谱《虚拟仪器》第28页有关谱的知识回顾谱是个很不严格的东西，常常指信号的Fourier变换，是一个时间平均（timeaverage）概念功率谱的概念是针对功率有限信号的(能量有限信号可用能量谱分析)，所表现的是单位频带内信号功率随频率的变换情况。保留频谱的幅度信息，但是丢掉了相位信息，所以频谱不同的信号其功率谱是可能相同的。有两个重要区别：1。功率谱是随机过程的统计平均概念，平稳随机过程的功率谱是一个确定函数；而频谱是随机过程样本的Fourier变换，对于一个随机过程而言，频谱也是一个“随机过程”。（随机的频域序列）2。功率概念和幅度概念的差别。此外，只能对宽平稳的各态历经的二阶矩过程谈功率谱，其存在性取决于二阶局是否存在并且二阶矩的Fourier变换收敛；而频谱的存在性仅仅取决于该随机过程的该样本的Fourier变换是否收敛。《虚拟仪器》第29页例4：分别求峰值为1V，频率为100Hz的正弦波、三角波、方波和锯齿波的各次谐波的幅度谱，求添加噪声后的幅度谱，并比较经过自相关处理后带噪声信号的幅度谱变化信号的频率域分析－－频谱《虚拟仪器》第30页7.5数字滤波器在虚拟仪器中的应用及其软件实现《虚拟仪器》第31页•滤波器分类按滤波器电路中是否带有有源器件分无源滤波器有源滤波器低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器其他类型通带的滤波器按能通过的频率范围分按处理信号的性质分模拟滤波器数字滤波器有限冲击响应滤波器(FIR)无限冲击响应滤波器(IIR)信号的的调理－－滤波《虚拟仪器》第32页1.调用时的参数设置1)滤波器类型选择2)截止频率确定3)采样频率设定4)滤波器的阶数5)纹波幅度《虚拟仪器》第33页2．滤波过程的响应时间输入信号经过数字滤波器，相当于输入信号和数字滤波器的单位抽样响应进行卷积运算，从运算的时间零点到获得正确的滤波结果，中间会有一个过渡过程，需要一定的响应时间。在后续处理时应该忽略这一段开始的滤波结果。《虚拟仪器》第34页LabVIEW中滤波器类型LabVIEW中提供了许多现成的滤波器VI，分成了ExpressVI、波形VI和基本功能VI3个层次。1.ExpressVI中的滤波器针对所有类型的滤波器的选项；2.波形VI分成了IIR滤波器和FIR滤波器两个VI；3.在基本功能VI的子模板中，根据滤波器的最佳逼近特性提供了多个比较丰富的滤波器VI。《虚拟仪器》第35页1．ExpressVI中的滤波器VIExpressVI中的滤波器VI(Filter.Vi)处于Functions→SignalAnalysis子模板中，其参数设置框图如图3-36所示。图3-36Filter．vi带通IIR滤波器参数设置框图滤波器参数设置预览窗口预览模式设定《虚拟仪器》第36页Filter的参数设置（1）滤波器参数设置首先选择滤波器类型，有低通、高通、带通、带阻和平滑滤波器(Smoothing)的选项5种，选择前面4种时，需设置滤波器的上和(或)下截止频率，有限冲击响应滤波器的序列长度，无限冲击响应滤波器的最佳逼近函数和阶次,最佳逼近函数有巴特沃兹、切比雪夫、反切比雪夫、贝塞尔和椭圆滤波器5个选项。若滤波器类型选择平滑滤波器，需要设置的参数则是移动平均的窗函数选择和移动平均的半长度设定、指数窗平均的时间常数。平滑滤波器主要作用：对信号进行局部平均，消除周期性噪声或白噪声。《虚拟仪器》第37页输入信号预览窗口和输出信号预览窗口显示了利用三角窗进行白噪声移动平均的效果。《虚拟仪器》第38页（2）预览模式设定和预览窗口显示当预览模式选定为观察信号时，两个预览窗口分别显示滤波输入和输出信号的时域波形；当预览模式选定为观察频谱时，两个预览窗口分别显示滤波输入和输出信号的频谱图；当预览模式选定为观察频率响应函数时，两个预览窗口分别显示滤波器频率响应函数的幅值特性和相位特性曲线。《虚拟仪器》第39页表3-10DigitalIIRFilter．vi的端口含义及设置《虚拟仪器》第40页波形滤波器Ⅵ和Express滤波器VI的重要区别：Express滤波器VI只能是一个滤波器对一个输入信号进行滤波处理，波形滤波器VI可以扩展至多个不同特性的滤波器对多个不同的信号进行处理。《虚拟仪器》第41页信号和系统的频率分析技术及其软件实现测试技术中的谱分析是指把时间域的各种动态信号通过傅里叶变换转换到频率域进行分析，内容包括：①频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱；②功率谱分析：包括自谱和互谱；③频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱之比；④相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱的相关程度。