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文档简介

1、LabVIEW编程及虚拟 仪器设计第八讲:测量信号的分析与处理1上节课内容回顾一、 DAQmx(数据采集)属性节点 用于指定DAQmx操作的各种属性:通道属性;时间属性;触发属性;读取属性;写入属性;某 些可利用DAQmx (数据采集函数;8种)直接设置;而另一些则需专门设置。二、DAQmx(数据采集)任务状态(逻辑) 完整的数据采集任务状态逻辑:配置任务- 开始任务- 采集数据(读、写)操作- 结束任务- 清除任务2 任务状态的转换有显式与隐式之分:1)以调用某函数明确转换任务的状态,称为显式状态转换; 2)未调用任务状态功能函数,而由VI自动完成任务状态转换的,称为隐式状态转换。 三、数据

2、采集程序编制示例 1. 模拟输入(单个、一段、连续) 2. 模拟输出(单个、一段、连续) 通过(1)MAX途径;(2)利用DAQmx 相关功能函数编程;(3)或借助“DAQ助手”,均可构建数据采集VI。3 关于数据信息的有限采集和连续采集: 为采集一段有限长数据,并要求做到等间隔采样,就要设立缓冲区,需采用简单缓冲方式实现。但若需要连续不断采集数据,且仍要求做到等间隔采样,就不能采取循环结构的方法,而也需要设置缓冲区,并应以循环缓冲的方式来实现。 上述三种构建数据采集VI方法的主要区别在于配置任务的方式不同。4本节课的内容测量信号的分析与处理课程大作业要求及选题简介5测量信号的分析与处理(1)

3、 因测量环境中常存在各种可能的干扰量,故实际测量中采集到的信号往往不仅是所关心的信号本身,而还伴有不希望的其它成分。对采集信号的分析与处理,即指如何有效地将采得的数字化信号中的各种干扰消除掉,或最大程度地将其削弱,从而得到(提取出)所关心的有用信号。 6测量信号的分析与处理(2) 由此途径可找到的用于信号分析与处理的快速VI即Express VI,大多由基本函数构成。 其实,LabVIEW提供有很多可用于信号分析与处理的VI。即除上述快速VI外,另外经 “函数”选板 - “信号处理”途径,还可找到更多用于信号分析与处理的功能函数。 经“函数”选板 -Express - “信号分析”途径,可找到

4、13个用于信号分析与处理的用Express VI。7测量信号的分析与处理(3) 随着LabVIEW版本的不断翻新,为更便于用户的使用,LabVIEW将函数类型丰富为了三种,即:基本函数、波形函数以及Express VI。 另一途径:“函数”选板 - “信号处理”8测量信号的分析与处理(4) 对被测信号进行FFT变换举例(A) 例如,产生一个周期信号,然后对它做FFT,可以得到其幅度和相位频谱。 实施测量任务时,经数据采集卡采到的是时域波形的抽样信号采样信号。在时域可分析处理信号的时域特征,如随时间的变化趋势、大小,等等。 而被测信号也有频率特征,如其中含有不同频率成分等。为分析信号的频率特征,

5、需要将获得的时域波形的采样信号转换到频域去分析处理。在频域分析信号的基本方法是傅立叶变换法,其快速实现方法又称FFT,且由它逐渐派生出很多种用于在频域分析处理信号的功能函数。对信号进行频域分析(包括频谱分析和扫频分析),能获得在时域测量中得不到的频率特征信息,如谐波分量、寄生、交调、噪声边带等。 9测量信号的分析与处理(5) 现象:幅度谱存在有“泄漏”现象。这是因为采集到的被测信号的样本数有限。增加样本数,情况会有所改善,但不能完全消除。 对被测信号进行FFT变换举例(B) “函数”选板 - “信号处理” - “波形生成”-“仿真信号” “函数”选板 - “信号处理” - “波形测量”-“频谱

6、测量”10测量信号的分析与处理(6) 给被测信号“加窗”(a) 基于计算机构建的虚拟仪器只能分析/处理有限长的数字信号,如此,被测信号x(t)以T(采样时间或采样长度)被截取一段送入计算机,就称为被截断,相当于加了“矩形窗”将信号突然截断,致使在很宽频率范围内向被测信号中添加了另外的成分。附加频率成分不属于x(t),被称为“频谱泄漏”。频谱泄漏会带来如下问题: 为减少频谱泄漏,可采用变化相对缓慢的非矩形窗函数对被测信号进行截断;这被称为给被测信号“加窗”。 使信号的频域曲线上产生许多“皱纹”、频率分辨率降低; 如果信号为幅值一大一小、频率很接近的两正弦波信号 的合成,因泄漏,在频域,幅值小信号

7、可能被“淹没”; 所关注信号的频率f0附近的频率特性曲线部分可能过于平 缓,致使无法准确确定f0的值。11测量信号的分析与处理(7) 给被测信号“加窗”(b) 在实际应用中,如何选择窗函数? 要仔细分析被测信号的特征,再结合希望达到的目的,并可能要经过反复试验。窗函数有多种,如汉宁窗、海宁窗、余弦窗(多种)、布莱克曼窗,等等,它们各有特点;若使用不当,甚至可能带来负面效应。 使用窗函数的原由很多,例如:(1)限定测量的持续时间;(2)减少频谱泄漏;(3)将频率接近、幅值不同的信号成分分离出来。 举例:把频率接近、幅值不同的两个正弦信号相互分离提取出来。经过途径 “帮助”“查找范例”“信号分析和

8、处理”“FFT和频率分析”Window Comparison.vi 可找到这个例子。12测量信号的分析与处理(8) 给被测信号“加窗”(c) “帮助”“查找范例”“信号分析和处理”“FFT和频率分析”Window Comparison.vi13测量信号的分析与处理(9) Chirp信号及其频谱(一) Chirp信号又称线性调频信号,其数学表达式为: F(t)=sin(a*t2+b*t) 其中,设t为时间变量; 调节参数a和b,可得到幅值恒定、频率连续变化(在一定频率范围内)的一个“正弦”信号。LabVIEW提供有此函数。 从途径 “函数”选板 “信号处理” “信号生成” Chirp 信号.vi

9、 可得到这个函数。 注意:利用已给定的缺省值(默认值)为宜,观察效果好。举例:调用Chirp函数,并观察它的时域和频域特性。 14Chirp信号及其频谱(二)F(t)=sin(a*t2+b*t)15测量信号的分析与处理(10) 数字滤波(a) 数字滤波是信号分析与处理的重要步骤,在某些应用领域,尤其是在一些需要灵活性和编程能力的领域它已取代了模拟滤波器。 与模拟滤波器相比,数字滤波器有下列优点: 1)可用软件编程,设计、修改、优化均十分方便、快捷; 2)稳定性好,滤波性能可预测; 3)不因温度、湿度等影响产生误差,不需高精度元器件; 4)具有较高的性能价格比。 举 例:用“仿真信号”函数(Ex

10、press VI)发生一个幅值为1、频率为10Hz的方波信号,并且叠加幅值为0.1的白噪声。把此信号送给数字滤波器处理,希望仅得到方波信号中的正弦基波信号;并显示出滤波前后的信号(查看滤波效果)。16测量信号的分析与处理(11) 数字滤波(2)“函数”选板 - “信号处理” - “波形调理” -“滤波器”17测量信号的分析与处理(12) 相关分析(a) 为实现对被测信号的有效检测、识别和提取,对被测信号进行分析处理中,经常要研究两个信号的相似性,或一信号经过一段延迟后其自身的相似性。这就要对信号进行“相关”分析。相关函数是描述随机函数的重要统计量。相关分析又分“互相关”和“自相关”。例如通过对

11、一个信号进行自相关分析,可从噪声很强的信号中检测出是否含有周期成分。 举例:选用“卷积和相关”Express VI(路径是“函数”选板“信号处理”“信号运算”“卷积和相关”)中的自相关函数,来检测由“仿真信号” Express VI发生的信号(正弦与均有噪声)中是否含有周期成分(路径为:“函数”选板“信号处理”“波形生成”“仿真信号”)。 18测量信号的分析与处理(13) 相关分析(b)19测量信号的分析与处理(14) 曲线拟合(a) 在基于计算机实现的测量过程中,为充分利用测得数据,并减小可能的测量误差,经常要对测得结果进行所谓曲线拟合。曲线拟合的主要作用有: 1)消除测量噪声; 2)填充丢失的采样点(例如,如果一个或多个采样点有丢 失,或记录不正确); 3)插值(对采样点之间被测对象可能的取值做出估计); 4)外推(对采样范围之外被测对象可能的取值进行估计); 5)求解某个基于离散数据的被测对象的速度轨迹(一阶导数 )和加速度轨迹(二阶导数)等。2

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