毕业设计（论文）labview的虚拟函数信号发生器设计

1、摘要摘要 基于专业虚拟仪器开发工具 labview，设计了一虚拟函数信号发生器。该虚拟 函数信号发生器能够产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等波形，频率动态范围较 宽且可微调。 labview（laboratory virtual instrument engineering）是一种图形化的编程语言， 它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器 控制软件。labview 集成了与满足 gpib、vxi、rs-232 和 rs-485 协议的硬件及 数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 tcp/ip、activex 等软件标准的 库函数。这是一个功能强大且灵活

2、的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器， 其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为“”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程 序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程 师所熟悉的术语、图标和概念，因此，labview 是一个面向最终用户的工具。它 可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系 统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提 高工作效率。 利用 labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的位编译器。 像许多重要的软件一样，labview 提供了 w

3、indows、unix、linux、macintosh 的 多种版本。 虚拟仪器的主要特点有： 1.尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 2.可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪 器。 3.用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器 关键词：labview 示波器 函数发生器 目录目录 一设计要求与任务一设计要求与任务.5 1.1.选题的性质与目的.5 1.2 具体要求与任务.5 二虚拟仪器概述二虚拟仪器概述.5 2.1.虚拟仪器的概念.5 2.2 虚拟仪器的构成.6 2.3 虚拟仪器的优点.8 2.4 虚拟仪器的现状.10 2.5 虚拟仪器的发展趋

4、势.11 三三. 信号处理与分析信号处理与分析.12 3.1概述.12 3.2数字信号处理数字信号处理.15 3.2.1fft 变换.15 3.2.2 窗函数.15 3.3谐波失真与频谱分析.16 3.3.1 数字滤波.17 3.3.2 iir 和 fir 滤波器 .19 3.3.3 曲线拟合.20 四四 虚拟示波器的原理虚拟示波器的原理.21 4.1 低频信号发生器及其应用.21 4.2 低频信号发生器的工作原理.22 五信号发生器的五信号发生器的 vi 设计设计.22 5.1 信号发生器的前面板.22 5.2 信号发生器的程序框图.23 5.3 信号发生器实验.23 六六 虚拟示波器的原理

5、虚拟示波器的原理.25 6.1 示波器波形显示原理.26 6.2 通用示波器的组成部分.26 6.3 数字示波器的基本原理.31 6.3.1 数字示波器基本原理.31 6.3.2 数字示波器基本方框图.32 6.4 虚拟示波器的工作原理.33 七虚拟滤波器的七虚拟滤波器的 vi 设计设计.35 7.1 虚拟滤波器的前面板.35 7.2 虚拟示波器的程序框图.36 7.3 示波器实验.36 八小结八小结.40 九九.参考文献：参考文献：.41 十致谢十致谢.42 前前 言言 虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切 结合是目前仪器发展的一个重要

6、方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计 算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大 以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统 的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托， 实现各种仪器功能 labview（laboratory virtual instrument engineering）是一种图形化的编程语言， 它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器 控制软件。 利用 labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的位编译 器。像许多重要的软件一样，l

7、abview 提供了 windows、unix、 linux、macintosh 的多种版本。 一设计要求与任务 1.1.选题的性质与目的选题的性质与目的 用 lab view 构建一个虚拟试验系统仿真函数发生器和虚拟双踪示波器。 从现实的意义上来说，在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决 实验与实习经费严重短缺问题。作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿 真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的 知识点，将课程内容具体化。 同时，利用虚拟仪器技术实现对仪器设备的远程与分布式控制。一方面继承实 物实验可操作性和参与性强的优点，另一方面又可利用计算

8、机优势，发挥其直观、 动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入少等特点，从而建立一种新型的实验教 学方式，进一步提高教学效率。 1.2 具体要求与具体要求与任务任务 学习 labview 的软件的基本功能及适用。 制作简单的 vi，熟悉 labview 的使用。 复习相关知识，信号发生器、滤波器原理。 设计仿真程序 信号发生器的前面板、框图程序 虚拟示波器的前面板、框图程序。 二虚拟仪器概述 2.1.虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念 虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来， 用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计 算机就像在操作自己定义、

9、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的 采集、分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据 的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等） 和仪器硬件（如 a/d、d/a、数字 i/o、定时器、信号调理等）的测试能力和控制能 力结合起来。虚拟一起突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操 作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功 能。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不 同的功能。用户可以根据自己的需要

10、，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用 要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处 理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以 用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工 业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、 声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。 2.2 虚拟仪器的构成虚拟仪器的构成 虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分 式上讲则由以 daq 板和信号调理为仪器硬件而组成的 pc-daq 测试系统，或已 gpib，vxi，seria

11、l 和 field bus 等标准总线仪器为硬件组成的 gpib 系统、vxi 系 统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图 1.1 所示。 目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种： （1）pc-daq 插卡式的 vi 这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采 集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其 关键在于 a/d 转换技术。这种方式受 pc 机机箱、总线限制，存在电源功率不足， 机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于 pc 的 工业控制计算机技术的发展，pc-daq 方式存在的缺点已经和正

12、在被克服。因个人计 算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适用于工业测控 现场、各种实验室和教学部门使用。 （2）并行口式的 vi 最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或 探头上，软件装在计算机上，可以完成各种 vi 功能。它的最大好处是可以与笔记 本计算机相连，方便野外作业，又可与台式 pc 相连，实现台式和便携式两用，非 常方便。 （3）gpib 总线方式的 vi gpib（general purpose interface bus）技术是 ieee488 标准的 vi 早期的发 展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台的手工操作向大规模自动

13、测试系统发展。 典型的 gpib 系统由一台 pc 机，一块 gpib 接口卡和若干台 gpib 仪器通过 gpib 电 缆连接而成。在标准情况下，一块 gpib 接口卡可带多达 14 台的仪器，电缆长度可 达 20m。 gpib 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式， 很方便的把多台机器组合起来，形成大的自动测试系统。gpib 测试系统的结构和命 令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机 速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。 （4）vxi 总线方式的 vi vxi 总线是 vmebus extension for instru

14、mentation 的缩写，是高速计算机总 线 vme 在 vi 领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的 rfi/emi 屏 蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模 块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。经过多年的发展， vxi 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、 中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但 vxi 系统要求有专用的机 箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 （5）pxi 总线形式的 vi pxi 总线是 pci extension for instrumentation

15、 的缩写，是 pci 在 vi 领域 的扩展。这种新型模块化仪器系统是在 pci 总线内核技术上增加了成熟的技术规范 和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的 局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。 （6）网络接口方式的 vi 尽管 internet 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起， 不过 ni 等公司已经开发了通过 web 浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人 们可以通过 internet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便的将虚 拟仪器组成计算机网络。利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备

16、联 系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现 在，有关 mcn（measurement and control networks ）方面的标准正在积极进行， 并取得一定的进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。 （7）usb 接口方式的 vi universal serial bus（usb）因为其在 pc 机上的广泛使用、即插即用的易用 性和 usb2.0 高达 480mbits/s 的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。 现在计算机上的 usb 接口越来越多，也使得工程师可以很方便的将基于 usb 的测量 仪器连接到整个系统中。但是 us

17、b 在仪器控制方面上亦有一些缺点。比如说 usb 的 排线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失，此外，usb 对 排线的距离也有一定的限制。 无论哪种 vi 系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑，台式微机和工作站等 各种计算机平台加上应用软件而构成的。 显示器 信号分析及处理器入机接口各类接口 a/d 转 换器 数据 发生器 信号 调理器 信号 调理器 输入 信号 d/a 转 换器 信号 调理器 信号 输出 图 2-1 虚拟仪器的结构 2.3 虚拟仪器的优点虚拟仪器的优点 一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方 面有传统仪器无法比拟的优点，如使用

18、灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多 用、可重复开发等。与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下几个优点： （1）融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存 储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示 器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。 （2）利用计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件话， 节省了物质资源，增加了系统的灵活性；一方面，通过软件技术和相应的数值算法、 实时、直接的对测量数据进行各种分析和处理；另一方面，通过图形用户界面 （graph user interface）技术，真正做到界面友好，人机交互。 （3）基于计算

19、机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列 化，大大缩小了系统的尺寸，可方便的构建模块化仪器（instrument on a card） 。 （4）基于计算机网络技术和接口技术，使 vi 系统具有方便、灵活的互联能力， 广泛支持诸如 can，field bus，profibus 等各种工业总线标准。因此，利用 vi 技 术可方便的构建自动测试系统（ats，automatic test system） ，实现测量、控制 过程的网络化。 （5）基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、 模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要选择不同厂 家的

20、产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建和维修的时间。 下表是虚拟仪器与传统仪器的比较。 表 1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器间相互配合较差 关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载 升级程序即可。 关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上门 服务。 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便互连与其他设备仪器的连接十分有限 软件使得开发和维护费用降至最低开发和维护开销高 技术更新周期短（1-2 年）技术更新周期长（5

21、-10 年） 数据可编辑、存储、打印数据无法编辑 2.4 虚拟仪器的现状虚拟仪器的现状 虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（ni 公司）为代表的 一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。近年来， 世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些 公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早 和最具有影响力的开发软件，是 ni 公司的 labview 软件和 lab windows/cvi 开发 软件。labview 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。lab windows/cvi 是为熟悉 c

22、 语言的开发人员准备的、在 windows 环境下的标准 ansi c 开发环境， 除了上述优秀的开发软件之外，美国 hp 公司的 hp-vee 和 hptig 平台软件，美国 tektronix 公司的 ez-test 和 tek-tns 软件，以及美国的 hem data 公司的 snap- master 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。当今虚拟仪器的 系统开发采用的总线包括传统的 rs232 串行总线、gpib 通用接口总线、vxi 总线， 以及已经被 pc 机广泛采用的 usb 串行总线和 ieee1394 总线（即 fire wire，也叫 做火线） 。世界各国的

23、公司，特别是美国 ni 公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种 总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件） ，可以灵活的组建不 同复杂程度的虚拟仪器自动检测系统。虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适 应各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用 的总线系统。美国 ni 公司在 1997 年 9 月 1 日推出模块化仪器的主流平台 pxi，这 是与 compact pci 完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台 pxi/compact pci 的传输速度已经达到 100mb/s。是目前已经发布的最高传输速度。虚拟仪器的 开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在

24、测量结果的数据处理、表达模块及其变换方 面也做了很多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库 （例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数据滤波器、卷积处理和相关函 数处理、微积分、峰值和阈值检测、波形发生噪声发生、回归分析、数值运算、时 域和频域分析等） ，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动检测系统的仪器系 统。 在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通 大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来这些学校在 原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工 大学机械学院工程测试实验室将其开发成果

25、在网上公开展示。四川联合大学的教师 基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将 8 台仪器集成于 一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学利用虚拟仪器技术构建的汽 车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特性、负 荷特性等。一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。此外，国内已有几 家企业在研制 pc 虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的 产品已达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频 率计系列、多通道大容量波形记录系列。国内专家预测：未来几年内，我国将有 50%的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业

26、使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状 况进行实时监测。 2.5 虚拟仪器的发展趋势虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术在传统领域的各类仪器。虚 拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性和经济性，因而特别适 应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高跟新的测量课题和测 量需要。 “没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。 ”虚拟仪器将会在科学技术 的各个领域得到广泛的应用。 图形化编程平台的进一步发展和完善是虚拟仪器发展的一个重要方向。如何使 用户进行少量的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器，如何使用构成 简单的虚拟仪器系统并完成复杂的

27、测试内容，如何帮助用户对测试结果进行分析和 判断等内容，是虚拟仪器技术努力的方向。我国还基本处于传统仪器与计算机化仪 器互相分离的状态，世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结 合我国的实际情况，我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进 国外虚拟仪器方面的生产技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主 的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测控技术 硬件，缩短与国际先进水平的差距。 vxi 总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台，这是由 vxi 总线的性能决定的； 另一方面，基于 pci-daq 的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而

28、受到大多数用 户的青睐，将得到高速的发展。随着计算机硬件、软件技术的迅速发展，虚拟仪器 将向高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。 三. 信号处理与分析 3.1概述概述 数字信号在我们周围无所不在。因为数字信号具有高保真、低噪声和便于信号 处理的优点，所以得到了广泛的应用，例如电话公司使用数字信号传输语音，广播、 电视和高保真音响系统也都在逐渐数字化。太空中的卫星将测得数据以数字信号的 形式发送到地面接收站。对遥远星球和外部空间拍摄的照片也是采用数字方法处理， 去除干扰，获得有用的信息。经济数据、人口普查结果、股票市场价格都可以采用 数字信号的形式获得。因为数字信号处理具有这么多优点，在用计

29、算机对模拟信号 进行处理之前也常把它们先转换成数字信号。本章将介绍数字信号处理的基本知识， 并介绍由上百个数字信号处理和分析的 vi 构成的 labview 分析软件库。 目前，对于实时分析系统，高速浮点运算和数字信号处理已经变得越来越重要。 这些系统被广泛应用到生物医学数据处理、语音识别、数字音频和图像处理等各种 领域。数据分析的重要性在于，无法从刚刚采集的数据立刻得到有用的信息，如下 图所示。必须消除噪音干扰、纠正设备故障而破坏的数据，或者补偿环境影响，如 温度和湿度等。 通过分析和处理数字信号，可以从噪声中分离出有用的信息，并用比原始数据 更全面的表格显示这些信息。下图显示的是经过处理的

30、数据曲线。 用于测量的虚拟仪器(vi) 用于测量的虚拟仪器(vi)执行的典型的测量任务有： 计算信号中存在的总的谐波失真。 决定系统的脉冲响应或传递函数。 估计系统的动态响应参数，例如上升时间、超调量等等。 计算信号的幅频特性和相频特性。 估计信号中含有的交流成分和直流成分。 在过去，这些计算工作需要通过特定的实验工作台来进行，而用于测量的虚拟 仪器可以使这些测量工作通过 labview 程序语言在台式机上进行。这些用于测量的 虚拟仪器是建立在数据采集和数字信号处理的基础之上，有如下的特性： 输入的时域信号被假定为实数值。 输出数据中包含大小、相位，并且用合适的单位进行了刻度，可用来直接进行

31、图形的绘制。 计算出来的频谱是单边的，范围从直流分量到 nyquist 频率(二分之一取样频 率)。 （即没有负频率出现） 需要时可以使用窗函数，窗是经过刻度地，因此每个窗提供相同的频谱幅度峰 值，可以精确地限制信号的幅值。 一般情况下，可以将数据采集 vi 的输出直接连接到测量 vi 的输入端。测量 vi 的输出又可以连接到绘图 vi 以得到可视的显示。 有些测量 vi 用来进行时域到频域的转换，例如计算幅频特性和相频特性、 功率谱、网路的传递函数等等。另一些测量 vi 可以刻度时域窗和对功率和频率进 行估算 其中共有 6 个分析 vi 库。其中包括： 信号发生：用于产生数字特性曲线和波形。

32、 时域分析：用于进行频域转换、频域分析等。 频域分析 测量函数：用于执行各种测量功能，例如单边 fft、频谱、比例加窗以 及泄漏频谱、能量的估算。 数字滤波器：用于执行 iir、fir 和非线性滤波功能。 窗函数：用于对数据加窗。 信号的产生 本节将介绍怎样产生标准频率的信号，以及怎样创建模拟函数发生器。 使用分析库中的信号发生 vi 产生各种类型的信号。信号产生的应用主要有： 当无法获得实际信号时， （例如没有 daq 板卡来获得实际信号或者受限制无法 访问实际信号） ，信号发生功能可以产生模拟信号测试程序。 产生用于 d/a 转换的信号 标准频率 在模拟状态下，信号频率用 hz 或者每秒周

33、期数为单位。但是在数字系统中， 通常使用数字频率，它是模拟频率和采样频率的比值，表达式如下： 数字频率模拟频率/采样频率 这种数字频率被称为标准频率，单位是周期数/采样点。 有些信号发生 vi 使用输入频率控制量 f，它的单位和标准频率的单位相同：周 期数/每个采样点，范围从 0 到 1，对应实际频率中的 0 到采样频率 fs 的全部频率。 它还以 1.0 为周期，从而令标准频率中的 1.1 与 0.1 相等。例如某个信号的采样频 率是奈奎斯特频率（fs/2） ，就表示每半个周期采样一次（也就是每个周期采样两 次） 。与之对应的标准频率是 1/2 周期数/采样点，也就是 0.5 周期数/采样点

34、。标 准频率的倒数 1/f 表示一个周期内采样的次数。 如果你所使用的 vi 需要以标准频率作为输入，就必须把频率单位转换为标准 单位：周期数/采样点。 3.2数字信号处理 3.2.1fft 变换变换 信号的时域显示（采样点的幅值）可以通过离散傅立叶变换（dft）的方法转 换为频域显示。为了快速计算 dft，通常采用一种快速傅立叶变换(fft)的方法。当 信号的采样点数是 2 的幂时，就可以采用这种方法。 fft 的输出都是双边的，它同时显示了正负频率的信息。通过只使用一半 fft 输出采样点转换成单边 fft。fft 的采样点之间的频率间隔是 fs/n，这里 fs 是采样 频率。 analy

35、ze 库中有两个可以进行 fft 的 vi，分别是 real fft vi 和 complex fft vi。 这两个 vi 之间的区别在于，前者用于计算实数信号的 fft，而后者用于计算复 数信号的 fft。它们的输出都是复数。 大多数实际采集的信号都是实数，因此对于多数应用都使用 real fft vi 。当 然也可以通过设置信号的虚部为 0，使用 complex fft vi 。使用 complex fft vi 的一个实例是信号含有实部和虚部。这种信号通常出现在数据通信中，因为这时需 要用复指数调制波形。 计算每个 fft 显示的频率分量的能量的方法是对频率分量的幅值平方。高级分 析库

36、中 power spectrum vi 可以自动计算能量频谱。power spectrum vi 的输出单 位是 vrms2 。但是能量频谱不能提供任何相位信息。 fft 和能量频谱可以用于测量静止或者动态信号的频率信息。fft 提供了信号 在整个采样期间的平均频率信息。因此，fft 主要用于固定信号的分析（即信号在 采样期间的频率变化不大）或者只需要求取每个频率分量的平均能量。 3.2.2 窗函数窗函数 计算机只能处理有限长度的信号，原信号 x(t)要以 t(采样时间或采样长度)截 断，即有限化。有限化也称为加“矩形窗”或“不加窗” 。矩形窗将信号突然截断， 这在频域造成很宽的附加频率成分，

37、这些附加频率成分在原信号 x(t)中其实是不存 在的。一般将这一问题称为有限化带来的泄露问题。泄露使得原来集中在 f0 上的 能量分散到全部频率轴上。泄露带来许多问题：如使频率曲线产生许多“皱纹” （ripple） ，较大的皱纹可能与小的共振峰值混淆；如信号为两幅值一大一小频 率很接近的正弦波合成，幅值较小的一个信号可能被淹没。f0 附近曲线过于平缓， 无法准确确定 f0 的值。 为了减少泄露，人们尝试用过渡较为缓慢的、非矩形的窗口函数。常用的窗函 数如下表所示。 窗 定 义 应 用 矩形窗（无窗） wn=1.0 区分频域和振幅接近的信号 瞬时信号宽度小于窗 指数形窗wn=expn*lnf/n

38、-1 f=终值 瞬时信号宽度大于窗 海宁窗 wn=0.5cos(2n/n) 瞬时信号宽度大于窗普通目 的的应用 海明窗 wn=0.54-0.46cos(2n/n) 声音处理 平顶窗wn=0.2810639- 0.5208972cos(2n/n) +0.1980399cos(2n/n) 分析无精确参照物且要求精 确测量的信号 kaiser-bessel 窗 wn=i() 区分频率接近而形状不同的 信号 三角形窗wn=1-（2n-n）/n无特殊应用 在实际应用中如何选择窗函数一般说来是要仔细分析信号的特征以及最终你希 望达到的目的，并经反复调试。窗函数有利有弊，使用不当还会带来坏处。使用窗 函数的

39、原因很多，例如： 规定测量的持续时间。 减少频谱泄漏。 从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号。 3.3谐波失真与频谱分析谐波失真与频谱分析 当一个含有单一频率(比如 f1)的信号 x(t)通过一个非线性系统时，系统的输 出不仅包含输入信号的频率（f1） ，而且包含谐波分量（f2=2f1,f3=3f1,f4=4f1 等 等） ，谐波的数量以及它们对应的幅值大小取决于系统的非线性程度。电网中的谐 波是一个值得关注的问题。 下面的一个非线性系统的例子是输出 y(t)是输入 x(t)的立方。假如输入信号： )cos()(wttx (3-1) 则输出： )3cos()cos(25 . 0 )cos(5

40、 . 0)( 3 wtwtwttx 因此，输出不仅含有基波频率 w，而且还有三次谐波的频率 3w。 谐波失真的总量 为了决定一个系统引入非线性失真的大小，需要得到系统引入的谐波分量的幅 值和基波的幅值的关系。谐波失真是谐波分量的幅值和基波幅值的相对量。假如基 波的幅值是 a1，而二次谐波的幅值是 a2，三次谐波的幅值是 a3，四次谐波的幅值 是 a4。 。 。 。 。 。n 次谐波的幅值是 an，总的谐波失真（thd）为： 1 22 3 2 2 . a aaa n thd 用百分数表示的谐波失真（%thd）为： 3.3.1 数字滤波数字滤波 模拟滤波器设计是电子设计中最重要的部分之一。尽管很多

41、参考书都提供了简 单可靠的模拟滤波器示例，但是滤波器的设计通常还是需要专家来完成，因为这项 工作需要较高深的数学知识和对系统与滤波器之间的关系有深入的了解。 现代的数字采样和信号处理技术已经可以取代模拟滤波器，尤其在一些需要灵 活性和编程能力的领域中，例如音频、通讯、地球物理和医疗监控技术。 与模拟滤波器相比，数字滤波器具有下列优点： 可以用软件编程 稳定性高，可预测 不会因温度、湿度的影响产生误差，不需要精度组件 很高的性能价格比 在 labview 中可以用数字滤波器控制滤波器顺序、截止频率、脉冲个数和阻带 衰减等参数。 本节所涉及到的数字滤波器都符合虚拟仪器的使用方法。它们可以处理所有的

42、 设计问题、计算、内存管理，并在内部执行实际的数字滤波功能。这样您无需成为 一个数字滤波器或者数字滤波的专家就可以对数据进行处理。 采样理论指出，只要采样频率是信号最高频率的两倍以上就可以根据离散的、 等分的样本还原一个时域连续的信号。假设对信号以t 为时间间隔进行采样，并 且不丢失任何信息，参数 t 是采样间隔。 可以根据采样间隔计算出采样频率 根据上面的公式和采样理论可以知道，信号系统的最高频率可以表示为： 系统所能处理的最高频率是恩奎斯特频率。这同样适用于数字滤波器。例如， 如果采样间隔是 0.001 秒，那么采样频率是 系统所能处理的最高频率是 下面几种滤波操作都基于滤波器设计技术：

43、平滑窗口 无限冲激响应（iir）或者递归数字滤波器 有限冲激响应（fir）或者非递归数字滤波器 非线性滤波器 很多情况下通带的增益在均值附近稍微发生变化是容许的。通带的这种变化被 称为通带波动（passband ripple） ，也就是实际增益与理想增益之间的差值。在实 际使用中阻带衰减（stopband attenuation）也不可能无限接近 0，您必须指定一 个符合需要的衰减值。通带波动和阻带衰减都使用分贝或者 db 为单位，定义是： 其中 log10 表示基值 10 的对数，而 ai(f) and a0(f) 分别是频率在滤波前后 的幅值。例如，对于0.02 db 的通带波动，表达式是

44、： 这表明输入输出的幅值非常接近。 如果阻带衰减为60 db ，那么可以得到： 这表明输出幅值是输入幅值的 1/1000。 衰减值通常用不带负号的分贝为单位，但是默认为负值。 3.3.2 iir 和和 fir 滤波器滤波器 另外一种滤波器分类方法是根据它们的冲激响应的类型。滤波器对于输入的冲 激信号（x0 = 1 且对于所有 i0，xi = 0）的响应叫做滤波器的冲激响应 （impulse response） ，如下图所示。冲激响应的傅立叶变换被称为滤波器的频率 响应（frequency response） 。根据滤波器的频率响应可以求出滤波器在不同频率 下的输出。换句话说，根据它可以求出滤波

45、器在不同频率时的增益值。对于理想滤 波器，通频带的增益应当为 1，阻带的增益应当为 0。所以，通频带的所有频率都 被输出，而阻带的所有频率都不被输出。 如果滤波器的冲激响应在一定时间之后衰减为 0，那么这个滤波器被称为有限 冲激响应（fir）滤波器。但是，如果冲激响应一直保持，那么这个滤波器被称为 无限冲激响应滤波器（iir） 。冲激响应是否有限（即滤波器是 iir 还是 fir）取决 于滤波器的输出的计算方法。 iir 滤波器和 fir 滤波器之间最基本的差别是，对于 iir 滤波器，输出只取决 于当前和以前的输入值，而对于 fir 滤波器，输出不仅取决于当前和以前的输入值， 还取决于以前的

46、输出值。简单地说，fir 滤波器需要使用递归算法。 iir 滤波器的缺点是它的相位响应是非线形的。在不需要相位信息的情况下， 例如简单的信号监控，那么 iir 滤波器就符合需要。而对于那些需要线形相位响应 的情况，应当使用 fir 滤波器。但是，iir 滤波器的递归性增大了它的设计与执行 的难度。 因为滤波器的初始状态是 0（负指数是 0） ，所以在到达稳态之前会出现与滤波 器阶数相对应的过渡过程。对于低通和高通滤波器，过渡过程或者延迟的持续时间 等于滤波器的阶数。 可以通过启动静止内存消除连续调用中的过渡过程，方法是将 vi 的 init/cont 控制对象设置为 ture（连续滤波） 。

47、对数字滤波器的详细讨论不是本书的内容，读者可参阅有关数字信号处理的书 籍，下面我们具一个简单的例子说明在 labview 中如何使用数字滤波器。 3.3.3 曲线拟合曲线拟合 曲线拟合（curve fitting）技术用于从一组数据中提取曲线参数或者系数， 以得到这组数据的函数表达式。 通常，对于每种指定类型的曲线拟合，如果没有特殊说明，都存在两种 vi 可 以使用。一种只返回数据，用于对数据的进一步操作，另一种不仅返回系数，还可 以得到对应的拟合曲线和均方差（mse） 。 labview 的分析软件库提供了多种线性和非线性的曲线拟合算法，例如线性拟 合、指数拟合、通用多项式拟合、非线性 le

48、venberg-marquardt 拟合等。 曲线拟合的实际应用很广泛。例如： 消除测量噪声 填充丢失的采样点（例如，如果一个或者多个采样点丢失或者记录不正确） 插值（对采样点之间的数据的估计；例如在采样点之间的时间差距不够大时） 外推（对采样范围之外的数据进行估计，例如在需要在试验以后或者以后的数 值时） 数据的差分（例如在需要知道采样点之间的偏移时，可以用一个多项式拟合离 散数据，而得到的多项式可能不同） 数据的合成（例如在需要找出曲线下面的区域，同时又只知道这个曲线的若干 个离散采样点的时候） 求解某个基于离散数据的对象的速度轨迹（一阶导数）和加速度轨迹（二阶导 数） 四 虚拟示波器的原

49、理 4.1 低频信号发生器及其应用低频信号发生器及其应用 凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被 测电路所需特定参数的电测试信号。 在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频 率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以 模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时， 需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时 间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如 频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定

50、性， 有输出指示。 信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发 生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛的测试 信号。这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。正 弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。 4.2 低频信号发生器的工作原理低频信号发生器的工作原理 低频信号发生器用来产生频率为 20hz200khz 的正弦信号。除具有电压输 出外，有的还有功率输出。所以用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设 备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制 信号源。另外，在校准电子电

51、压表时，它可提供交流信号电压。 低频信号发生器的原理：系统包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、 输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和指示电压表。 主振级产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，经 输出衰减器可直接输出电压，用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。 五信号发生器的 vi 设计 5.1 信号发生器的前面板信号发生器的前面板 5.2 信号发生器的程序框图信号发生器的程序框图 5.3 信号发生器实验信号发生器实验 1.信号为正弦波，幅值为 5，偏移量为 0，频率为 10，相位为 18.37,占空比 50。 2. 信号为三角波，幅值为 5，偏

52、移量为 0，频率为 10，相位为 18.37，占空比 50 3. 信号为矩形波，幅值为 5，偏移量为 0，频率为 10，相位为 18.37，方波占空比为 50 4. 信号为齿形波，幅值为 5，偏移量为 0，频率为 10，相位为 18.37，占空比 50， 六 虚拟示波器的原理 示波器是利用电子射线的偏转，来显示电信号瞬时值图像（常成为时间波形） 的一种仪器。它能快速的把肉眼不能直接看见的电信号的时变规律，以可见的形式， 形象的显示出来。目前，示波器在信号测试、信号比较、逻辑分析等领域得到了广 泛的应用。 6.1 示波器波形显示原理示波器波形显示原理 在示波器的荧光屏上，显示电压波形的原理如下：

53、被测电压是时间的函数，在 直角坐标系统中，可以用的曲线表示。示波器的两副偏转板使电子束在两 ( ) x uf t 个互相垂直的方向偏转，这两个方向可以看成是坐标轴。因此，要在管子的荧光屏 上显示被测电压的波形，就必须使射线沿水平方向的偏转同时间成正比，而在垂直 方向同被测电压成正比（每一瞬间） 。 所以，锯齿波电压加到水平偏转板上，它迫使射线以恒定的速度从左向右沿水 平方向偏转。并且很快的返回到起始位置。射线沿水平轴经过的距离跟时间成正比。 被测电压加到垂直偏转板上，因而，每一瞬间射线的位置单值的对应于这一瞬 间被测信号的值。在锯齿波电压作用期间，射线就绘出了被测信号的曲线。 6.2 通用示波

54、器的组成部分通用示波器的组成部分 现在示波器的简化方框图如图 6-1 所示。它主要由主机、y 轴系统、x 轴系统 三部分组成。 图 6-1 示波器的简化方框图 被测信号接到“y”输入端，经 y 轴衰减器适当衰减后送至 y1 放大器（前置 放大） ，推挽输出信号和。经延迟级延迟 r1 时间，到 y2 放大器。放大后产生 足够大的信号和，加到示波管的 y 轴偏转板上。为了在荧屏上显示出完整的稳 定波形，将 y 轴的被测信号引入 x 轴系统的触发电路，在引入信号的正（或者负） 极性的某一电平值产生触发脉冲，启动锯齿波扫描电路（时基发生器） ，产生扫 描电压。由于从触发到启动扫描有一时间延迟 r2，为

55、了保证 y 轴信号到达荧光屏 之前 x 轴开始扫描，y 轴的延迟时间 r1 应稍大于 x 轴延迟时间 r2。扫描电压经 x 轴放大器放大，产生推挽输出和，加到示波管的 x 轴偏转板上。z 轴系统用 于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。这使得在扫描正程 显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。 1 主机 主机部分包括示波管、z 信道、电源和校准器等。 （1）阴极射线管（crt）简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。下图 6-2 是示波管内部结构图。 图 6-2 示波管的内部结构图 （2）z 信道又称调亮信道，它将调亮电路送来的调亮信号送到示波管的控制 栅

56、极，使示波管在扫描正程时才出现射线的光迹。显然，调亮信号应该是一个持续 时间同扫描正程相等的正方波电压。 （3）示波器的电源分为高压电源和低压电源两种。低压电源常采用典型的串 联调整式温压电路。现代示波器的高压电源大部分采用图 6-3 所示直流-直流变换 器方案。 图 6-3 直流直流变换器 它由高频振荡器产生近于方波的高频振荡，再用变压器把它升压到所需的电压 值，经过整流和滤波，得到所需的直流电压。这种用高频产生高压的方法，其优点 是：变压器和滤波器可以做的较小；纹波电压和噪声都比较低；振荡器的负载一旦 加重，能自动停振，有自动保护的作用。 （4）示波器主机中有一个固定频率和幅度，并具有较高

57、准确度的内部信号源。 它可以是正弦波、方波或脉冲波，用于自校水平系统扫速和垂直系统灵敏度。 2 y 轴系统 y 信道是被测信号通过的通道，因此，它需要足够宽的频宽，带内的幅-频特性 应平坦，相-频特性为直线。y 信道主要包括探极、衰减器、倒相放大器、前置放大 器、延迟线、输出放大器等几个部分。 （1）示波器的探极是连接在外部的一个输入电路部件，它的基本作用是便于 在被测源上探测信号和提高示波器的输入阻抗，从而展宽示波器的实际频带。 （2）示波器的被测信号幅度变化范围宽广，小到几十毫伏，大到几百伏。为 了保证垂直放大器正常工作，对大信号需要进行衰减。为使信号不畸变，通常采用 电阻电容分压器，为了

58、不影响被测信号电路原有工作状态，衰减器的阻抗还必须足 够高。 （3）由于示波管垂直偏转板需要对称电压，即要求 y 轴要对称输出，因此在 前置放大器中设置倒相电路，将单端输入信号变成对称输入信号。 （4）前置放大器常用来将单端输入信号变成双端对称信号输出。它的增益要 求不高，但是频带宽度要比整体的频响指标值还要宽广，同时还要实现各种控制功 能、增益微调、增益扩展、变换极性和垂直移位等。 （5）示波器的水平扫描锯齿波信号起始点与触发信号之间有一段延迟时间， 为了观测脉冲的前沿，就必须在 y 轴放大器中插入延迟线，使被测信号起点和扫描 信号起点同步。为此，延迟线在 y 轴的频带宽度内，要能无失真的滞

59、后一段时候传 输被测信号，滞后时间称为延迟线的延迟时间（td） 。示波器的延迟时间通常为 60ns200ns。为了防止延迟线传输信号产生反射，导致波形失真，它的特定阻抗 必须与电路上的负载想匹配。 （6）y 信道输出放大器的主要作用是把延迟线送来的信号放大到足够的幅度， 以推动示波管里的垂直偏转系统产生满偏转。因此，它应有足够的放大系数（一般 为 550，级数为 13 级） 。大的动态范围，小的非线形失真以及良好的频率特性 和过渡特性。 x 轴系统 x 信道的主要作用是产生一个随时间线形变化的电压（称锯齿波电压） 。将这个 电压放大到足够的幅度，加到示波管的水平偏转板，去控制射线沿水平方向从左

60、向 右随时间线形偏转，以形成时间基线（称时基） 。为了获得稳定的图象，应能选择 合适的同步或者触发信号，并把它放大和形成触发脉冲，去触发时基闸门。因此， x 信道应包括时基发生器，触发电路和 x 放大器等几个部分。 （1）时基发生器 扫描的种类 扫描的方式有很多种，有直线扫描、圆扫描和螺旋扫描，在示波器中，几乎都 是采用直线扫描。直线扫描还可以分为连续扫描和出发扫描。连续扫描的扫描电压 就是周期性的锯齿波电压。如果用示波器研究研究脉冲过程，连续扫描就不适用了， 必须用出发扫描。 时基电路与工作原理 在现在示波器中，时基发生器由时基闸门、积分器（扫描电压发生器） 、电压 比较器和释抑电路四个部分