基于LabVIEW的虚拟双踪示波器的设计外文翻译

frequencyinformation.Itisgenerallyseenthatalargerwindowleadstobetterfrequencyresolutionandasmallwindowleadstobettertimeresolution.Thus,itdependsupontheuserwhetherhewantsfrequencyortimeresolution.Evenifthereisaneedforchangeofresolution,theuserhastodothesamemanually.Toovercometheresolutionproblern,amoreadvancedtechniquecalledWaveletTransformisusedthesedays.Inthisthewindowsizecanbealtered,usingascalingparametera.TheequationforWaveletTransformisgivenaswhereaisthescalingparameter,bisthetranslationparameter,x(t)isthesignaltobeanalyzedandWT(a^)WT(a^)isthewaveletfunctionThewaveletfunction<(t)isknownasthemotherwaveletItsscaledandtimeshiftedversionsareknownasthedaughterwavelets.Thesedaughterwaveletshavingvaryingsizeofferdifferentfrequencyandtimeresolutionsatdifferentfrequencies.Thescaleparameterarepresentsthefreequencycomponentinaninverserelation.Thusthevalucofscaleisinverselyproportionaltofrequencycomponent.Initiallythewaveletfunctionhasscalea=1andisplacedatthestartingofthesignal.Thewavelettransformandthusthefrequencycomponentofthatsegment.Thenthewaveletfunctionismovedbybstepsandthewavelettransformiscomputedforthatsegment.Thisprocecdureiscontinuedtilltheendofthesignal.ThusWavelettransformfora=1andallthetimestepstilltheendofsignalgetscomputed.Similarlythewaveletfunctionisagainplacedatthestartofthesignalbutwithchangedvalueofscalea.TheprocedureiscontinuedtilltheWavelettransformforeachscaleandtimestepcombinationhasbeencomputed.ItcanbeobservedthatthecomputationofWaveletTransformleadstoalotofredundancy.Toreducetheredundancy,thescalevaluesandthetimestepscanbelinkedusingdyadicsampling.a=2"andb=k2'wherenandkareintegers.Thisleadstoreductioninredundancy.ThisiscalledDiscreteWaveletTransform(DWT).ImplementationADAQcardbasedvirtualinstrumentwasdesignedanddevelopedinLabVIEWTMprogrammingenvironment.Thisvirtualinstrumenthasthecapabilitytogenerateintelligentsoftwaretriggerasdescribedaboveforcomplexwaveformslikechirp.Themaindecisionnsduringdesignofthevirtualinstrumentare:choosingthedataacquisitioncardand,whatisequallyimportant,choosingthesetoffeaturestheinstrumentshouldoffer.Thechoiceofthedataacquistioncardhasagreatinfluenceontheefficiencyofthewholeinstruments,8].ParticularDAQcardsaredifferentiatedbypriceand,thespecificationitoffers.AlowcostNIPCI-6035E,16bit,200KS/scardwaschosen.Thehardwarewasprogrammedatmaximumsamplingrate.Aseparateproblemisdesigningsoftware,which,inthatcase,isthemainpartofinstrumentdesignphase.Themajorfeaturesofthedevelopedvirtualinstrumentare:Thecapabilitytoacquireandprocesssimpleandcomplexwaveforms.Dualchannelmode:Theinstrumentiscapableofdisplayingtwoinputssimultaneouslyandcanperformsimplemathoperationsbetweenthetwo.Autoset:RunstheWHDcodetore-computethetriggerintervalforthenewsignalandthusachieveastabledisplay.Incase,thetwoinputsdonothavethesamefrequency,theLCMofthetriggerintervalsofAandBisfoundtosothatintegralnumberofcyclesofboththechannelscanbeshownsimultaneously.Timedomainmeasurements:Thesignalbeingdisplayedintimedomainaremeasuredonvariousparameters-Amplitude-Peaktopeak-Mean(DC)-RMS。留福IEISELECTCHANNELSHTINGSICHANDAMi她MWWf涮EHUFAI跚LBpwrapwr.：D.OI^Z:12(0X0AVIRTUALINSTRUMENTFORCOMPLEXSIGNALACQUISITION,DISPLAYANDANALYSISus；:ewrfft晚的0口小et-加FJJ湖ECTCE.就也把IEjdogmJt加ra触stmemind吃n；国nssc白滕artocr4礼r启花丽由ib 扣e就摆M鹏35■.c)Ma»nun湖piigtifsh就皓.回Qwne翊g♦；4_S蚓施diffE*靠&；ZLUfcewriMS®M产j-atie⑪您"观由e呼讨写丁前哲瞪出；*邨.及cmdig:h＞：＞：：：-：：r^：：：i：-»»:我Fig8.FrontpaneloT(lievirtualinstrumentshowingdisplayandtime-domainmeasurements.SCAWGRAMS 与名斗wncyDoMairjiea比retnents俺施嬴商作监曲及面刷E触晒处叫漏aiM施聪吸粕第潟卷裾亲,•：客；*鬻WAVELETTRANSFORM1醯KM.ASmiNGS证Grfid?u如向和i65®簿械网IKMAC1SI5)Fig.9.Theresultsofwavelettransrormimplementedinthevirtualinstrument.(ChannelAanalyzingsinesignalandChannelBanalyzingachirpsignal).FrequencyDomainAalysis:TheplotofMagnitudevs.frequency,Phasevs.frequencyandthefacilitytochoosethewindowingfunction.STFTbasedJointTimeFrequencyAnalysis(JTFA):Thespectrogramwiththeadditionalchoicesoftheplottingthegraphwithscaleindecibels,windowingfunctionsandthewindowlengthforSTFTanalysis.WaveletbasedJointTimeFrequencyAnalysis(JTFA)Thescalogramwhichplotsscalesvs.timesteps,choiceoftime-frequencysamplingparametersliketimestepsandscalesandthechoiceofwaveletfunctions.Forthefrequencydomainanalysis,DSPtoolkitavailablewithLabVIEWsoftwarewasutilized.Standardfunctionsareavailableinthetoolkit.Thevirtualinstrumentthusdevelopedisintelligentasittakesdifferentactionswithdifferentsignalscontrarytoadigitalstorageosc川oscope.Triggerimplementedenablesustoobtianthecorrectvalueofthetimeperiodandastabledisplay.Analysisofcomplexsignalscanalsobeperformedusingthisinstrument.Fig.8showsthefrontPanelofthevirtualinstrumentshowingTime-domainmeasurements.Fig.9showsthetimefrequencyrelationshiponboththechannelBanalysesthechirpsignal.Asseenclearlythechirpsignalshowsthevaryingfrequencywithtime.LimitationsofdevelopedvirtualinstrumentSamplesforfewcyclesarerequiredtodeterminthetriggeringinterval.Oneneedtooptimizetbeappropriatesamplingrateandthenumberofsamplestobeprocessed.TheprocessingtimetakenbytheWHDtechniqueisdirectlyproportionaltothenumberofsamplesandhencetothesamplingrateasthehighersamplingrateleadstothemorenumberofsamplespercycle.Thetimerequiredtocomputetriggeralsodependsuponthespeedofthecomputingsystem.Forlargeamountofdata(ifhighsamplingratesusfixed),computationallyheavyWHDalgorithmandotherfeaturesformoreanalysis,thebuttermightoverflowleadingtolossofdata.Everytimetheinputwaveformischangeduserhastodoretriggering.ConclusionanddiscussionSuccessfuldevelopmentofthevirtualinstrumentwiththecapabilityofacquiring,displayingandanalyzingcomplexsignalsisdone.TheinstrumentovercomestheshortcomingsoftheDSOs,foundcommonlyinlaboratories,inachievingstabledisplayforcomplexsignals.Thedevelopdinstrumentiscosteffectiveandflexibleinnatureandhadthelargenumberoffeaturestochoosefrom.Thecomputertowardsthemeasurementsystems.TheVIdevelopedisexpectedtogoalongwayintheinstrumentationarea.基于混合信号的数据采集卡的虚拟示波器摘要：复杂的信号在声纳、雷达、回声定位系统和谐振频率的研究中有多种应用。数字存储示波器（DSO）现在被用于获取和显示常规信号。这台仪器普遍用于各个测量实验室，虽然在显示简单周期性波形如正弦波时有用，但是在变化频率的信号运用时，失败了。这个问题显露出来是因为示波器的潜在技术用于触发波形，对于复杂信号像噪声来说是不允许的。能真正解决这个问题的是混合信号示波器。这是一种成本高的解决方法，并且小型实验室承担不起昂贵的仪器。在本文中，建议选用成本合理的基于混合信号的数据采集卡的虚拟示波器来分析复杂的信号。一种智能技术，智能温湿度控制器（WHD）算法用于准确触发复杂波形，也用到了频谱分析和时频分析（JTFA）技术。设计了一种基于LabVlEW的虚拟仪器，发展了获取、显示和分析触发信号的性能。能便捷实用功能完整的编程语言LabVIEW被选为虚拟仪器设计平台。这是一种经济高效，快速灵活分析复杂的信号的方法。有必要建立这样的解决方案是硬件系统太昂贵的结果，这也是常规硬件的不足。下面描述了虚拟示波器实际分析复杂信号实验的结果。关键字：虚拟仪器，调频信号，数据采集，触发，复杂信号， JTFA。一.绪论在过去的二十年里计算机技术飞速发展，测量领域也深受影响，测量方式正在发生翻天覆地的变化。基于计算机的测量仪器或者说虚拟仪器正在逐步取代昂贵的台式仪器，因为它灵活、快速和经济。各种传统仪表系统如示波器，万用表和频谱分析仪等，由于计数部分而被虚拟仪器淘汰。我们的研究将发展这种趋势，展示基于计算机的复杂信号的数字示波器的发展 [9,10]。常规信号例如正弦信号具有恒定的频率和随时间变化的幅值。另一方面，在这篇文章里，复杂信号可以被定义为信号，就是所有参数都变化的信号。图1显示了一个典型的复杂信号。Time(Sec)Fig.LChirpwaveform.看着信号，很容易理解幅度和频率随时间的变化。这需要一个可视的、稳定的信号展示。采集和显示分析对复杂信号来说是一个挑战。即使是传统的现代DSOfi不能显示和分析复杂的信号，因为这些仪器才养的是简单的触发技术，比如水平触发。当复杂信号像附加调频在示波器上分析时，传统的电压触发技术显然失败了。这是由于这一事实，这些工具把附加调频作为一种传统的正弦波，触发的是正弦波的每个周期而不是完全的附加调频周期。这种附加调频信号的分析，就像其他不同频率的正弦波一样，导致了 DSC®示它们，就像连续的窦状隙一样。由于这在一个非常高的速度迅速变化，人的眼睛根本不能抓住速度比1/20秒还快的事情，就像几个重叠的正弦波一样展示。在最近的工作［1］,一个新的基于智能温湿度控制器的触发技术被运用与复杂信号。 随后的章节将呈现解决问题的方法。在频域JFFA技术上对复杂信号的分析将被利用和实施［2-6］。DSC使用水平触发来来展示波形将被应用。这将导致触发间隔极计算和展示样本数量。DSC1为，作为整个波形的基本时间问隔，从它的缓冲并开始快速连续显示中，需要多样品。有了这样一个简单的正弦波波形，水平触发可以实现稳定的显示，因为触发间隔包含的周期相同。这显示在图 2a。如图2b所示的复杂信号，水平触发产生了一个触发间隔，这个触发间隔，对具有相同数量的样本或时间来说有变化的周期数，这导致了视觉上的不稳定展示。实际触发间隔应该是一个完整的附加调频信号周期， 如图2c所示。这样做之后的重复附加调频信号在展示出来的整个时间段里将持续显示出来，而没有任何的重叠组件.通过示波器来展示复杂信号可以看见它的缺点，双通道泰克信号发生器AFG-3022（250MS/s的，25兆赫）通过选择关于时间正弦波的频率变化与线性调频信号波形的扫描模式来产生附加调频信号。这个信号被输送到TektronixTDS-2022（2GS/s的，200MHz勺）双通道DSO重叠的显示如图3所示。二.触发的智能方法准确的触发仅仅在于对正在考虑的时间内波形的正确识别。为此，实施模式识别计划来确定信号的模式［1］，从而获得一个完整附加调频周期时间。首先,把一个固定的样本数N作为参考模式。然后，由一个样本转移形成最好的模式。然后利用参考模式来测试这种模式的精密度。精密度可以由测试模式和参考模式的差异来定义。智能温湿度控制器是用来作为精密度的决定作用。海明距离定义为两个不同的‘数位二进制向量，给出了载体。在智能温湿度控制器中，根据不它们位置的同来确定其二进制的权重和重量，然后把位置和权重相加。二进制的智能温湿度控制器两个数x,a是给予 （1）n1WHD（x,a）八［2k（xk二ak）］

k=0如果X和A两个二进制向量的n位的元素，那么这两个向量是总结智能温湿度控制器元素元素计算，并给 （2）WHD（X,A）=、WHD（x,a）elementn」—［2k（xk二ak）］k=o对于一个n维向量，样品被移动N次，其精密度是每次的转移中将被计算出来。当完成这些计算时，循环本身反复进行，信号的不同就被最小化（没有噪音的时候几乎为零）。以下是智能触发机制需要和运用的关键步骤。采用数据采集卡获取足够长的信号，把样品的十进制转换成二进制形式。1）二进制样本的固定数n都存储在数组。移动存储样品由固定数样品n转移2）原保存的样品和转移样一点一点地被或非逻辑化，这个结果乘以 2,在这里我代表乘以位的位置。3）所有的结果值求和给出了n个智能温湿度控制器的变化。4）把一块智能温湿度控制器和n相比，由峰值检测法计算出最小的。这两个连续最小值的不同在于样品间隔数量的不同。5）由在触发间隔（秒）采样率的结果乘以样本数。按照图4中作为智能温湿度控制器的测试案例运用于接下来的三角波形。在每个周期中对波形进行8次采样。每个采样值是3位长度。按步实施的步骤是如下。

Testsigntik0.011.032.0053.0Testsigntik0.011.032.0053.04.035.1Hinsiryform：000001OJOonJ00】0l-hiHydsignalForWHD001010on100101110WHD{l}=001+Ql]+001+111+001+0114-ForWHD⑵：010OilJOO10J110IHWHD(2)=010+010+J10+110+010+010+ForWHD⑶：01110010]110111000WHD⑶工011+101+H1+101+011+101ForWHD(4):10010]，noHI00000!WHD{4}=100+)00+J00+100+100+100+ForWHD⑹二101J10jji000001010WHEH5>10J+1J1+J01+01J+101+111+ForWHD(«):110111000001010OUWHD(6)=JJO+J10+010+010+110+11叶ForWHD(7):JJJ000001010OH100WHD(7)=】H+001+011+001+111+001+ForWHD(8)：000001OJO0]]100101WHD[S)=000+000+000+000+000+000+]000003=S2lrtIQlOOOi=4OioJOOOOO；=32]01010001=40]O100(X)02^3210110002=24]O0Fig,5.OutputWHDwaveform.三.频域分析智能温湿度控制器波形被应用于智能温湿度控制器（1）,智能温湿度控制器（2）,智能温湿度控制器（3）,以及极小的位置给出了触发间隔。图5显示了智能温湿度控制器波形也明确表示在第八样品的触发间隔。智能温湿度控制器（6）（图6）是为了发展这项任务。它采用波形，其触发间隔是要发现，并且没有样本，其计算是要做，作为输入和输出样品，在这最小点随着极小值和智能温湿度控制器波形的发生而发生。对于典型的线性调频信号，智能温湿度控制器波形可以由图7所示得出。连续两次极小数中样品的数量等于波形一

个周期中样本的数量。相同样品间隔的样品数量产量是输入信号的触发间隔。因此，虚拟仪器也显示了复杂波形。图7显示了5个周期的时间问隔触发对于简单的信号的频率分析是基于传统的工具像 FFT。对于这种信号的傅立叶变换工作的频率成分以及它们在整个信号保持不变， 因此不需要时频关系。复杂信号在有些情况下随着时间的频繁变化而变化。 FFT没有分析这些信号是因为它提供了有关它的频率和幅度信息。时间信息丢失。为了克服这一困难，这里有JTFA工具像STFT的和小波变换。在某些情况下，被运用到了信号中。STFT是傅里叶变换是一种改良形式。在这种技术中，信号与一个窗口功能和它的产品的傅立叶变换是多样性的（2）oFig.&WHDVIcode.35000-『，中必2MK1Daaoa如购口sm痴**q"SoFig.&WHDVIcode.35000-『，中必2MK1Daaoa如购口sm痴**q"So漏。疝皿5编TimaFig.7rWKDwaveformshowingTriggerintervals.0并D的口的巾9g1QM1MQ1械1加。STFT=[x(t)w(t-.)]e-wtdt这背后的技术的主要原则是窗口函数（宽）分解成小片段有限持续信号。在这些片段中信号的频率分量被假定为常数。通过计算这部分的傅立叶变换频率的对比，得到振幅信息。然后，窗口被移动到另一个片段，通过由具有与前面给予的该段频率成分相同的时间段转移，因此，不同时间间隔的频率有时间频率关系。然而，这个技术有一个劣势，窗口的功能的大小是固定的，因此STFT寸低、高频率有相同的分辨率。解决的方法是确定由哪一个能确定时间或频率的信息。一般认为一个较大的窗口带来更好的频率分辨率，一个小窗口带来更好的时间分辨率。因此，这取决于用户想要的是频率还是时间分辨率。即使有一个需要改变的方法，用户必须做同样的手动操作。为了解决这个方法问题，引进了一个更先进的技术-小波变换。通过这个窗口的大小可以改变，使用比例参数答对于小波变换方程如下：...t-bWT(a,b)=一jx(t)()dta aa为比例参数，b是平移参数，x(t)是一个用于分析的信号，是小波函数，小波函数x(t)是被称为母波，规模和时间改变的是子波。不同大小的这些子波在不同的频率下有提供不同的频率和时间方法。尺度参数 a代表是成反比的频率组成部分。因此，对于频率成分来说，规模值是成反比的。最初，有规模的小波函数a=1,被置于开始的信号上。小波变换，因此该段频率分量。然后，小波函数移动到b步骤和小波变换为这个段计算。这程序是一直持续到信号的结束。因此，小波变换a=1时，直到结束前的所有信号计算出来了。同样，小波函数再次放置在信号的开始，但对变化的规模值A该过程一直持续到各尺度的小波和时间步长的组合变换已计算。它可以观察到小波变换的计算会导致大量的冗余。为了减少冗余，规模和时间值的步骤可以连接使用二进采样。a=2和b=k的2',其中n和k是整数。这会减少冗余，这就是所谓的离散小波变换(DWT。四.实施一个数据采集卡的虚拟仪器的设计和编程环境中 LabVIEW发展。这个虚拟仪器具有智能软件触发的能力，就像上文描述的复杂波形附加调频。在虚拟仪器设计中的主要决定因素是：选择数据采集卡，而且同样重要的是，选择仪器应该提供的功能。该数据采集卡的选择对整个仪器效率有很大的影响[7,8]o特别是数据采集卡由价格和特性区别开来。一个低成本 NIPCI-6035E、16位、200Ks/s的卡被选中。编程的硬件是在最大采样率。一个单独的问题是设计软件，在这种情况下，它是仪器设计阶段的主要部分。所开发的虚拟仪器的主要特点是：获取和处理简单和复杂的波形的能力。双通道模式：该仪器是能同时显示两个输入，并可以执行两个简单数学的运算。自动设置：运行智能温湿度控制器的代码，重新为新的信号计算触发的时问问隔，从而实现稳定的 显

示。假使两个输入不具有相同的频率，A和B的触发间隔液晶显示模块被发现，从而使双方渠道周期的整数倍同时显示。时域测量：信号在时域被显示的各种参数测量：振幅、峰峰值、均值ST苜也朝d4谕居碍自邺的q国蜘h阻搦ireiftents >'除胆b&d由祉和it板邮将cyM阳后打已削层假胭ST苜也朝d4谕居碍自邺的q国蜘h阻搦ireiftents >'除胆b&d由祉和it板邮将cyM阳后打已削层假胭院眦GTin晋南maM融的花哨梏 ”网漱扰浊on闻nMea阴renkn