信号产生 测量 处理与传输系统设计

PAGE2-摘要LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。Labview程序又称为虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）。它的表现形式和功能类似于实际的仪器，而它同时又很容易改变设置和功能。因此，Labview特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要改变仪器和设备参数和功能的场合，以及对信号进行分析、研究、传输等场合。通过本次课程设计进一步对LABVIEW学习和应用，从而更熟悉LABVIEW的原理和相关设计并提高了开发软件，硬件的能力。本设计主要设计基于LABVIEW的函数信号发生器，频谱分析仪，消噪演示仪和串口通信演示仪。从而达到对信号的产生、测量、处理和传输特性的深入理解。关键字：LABVIEW、函数信号发生器、频谱分析仪、消噪演示仪、串口通信演示仪目录设计要求31.1函数发生器要求41.2频谱分析仪要求41.3消噪演示仪要求41.4串口通信演示仪要求4构成系统的基本原理42.1函数发生器原理42.2频谱分析仪原理42.3消噪演示仪原理52.4串口通信演示仪原理6系统设计63.1函数发生器、频谱分析仪、消噪演示仪小系统程序设计63.2串口通信演示仪的程序设计9系统仿真114.1函数发生器、频谱分析仪、消噪演示仪小系统波形仿真114.2串口界面11总结12参考文献13设计要求1.1函数发生器要求①波形可选择，可输出正弦波、方波、三角波、白噪声；②频率、幅值和初相位等参数可以调节；③前面板上显示输出波形。1.2频谱分析仪要求①采样频率、采样点数、信号频率、幅值和初相位可调；②分析正弦波、方波和白噪声的频谱特性；③前面板上显示信号的频谱图。1.3消噪演示仪要求①给输入信号叠加白噪声，选择不同的滤波器，改变滤波器的参数，来记录并分析经过不同滤波器后的信号；②白噪声的幅度和滤波器的参数、滤波器的类型等参数可以设置；③信号的频率、采样点数和采样频率等参数可以设置；④在前面板上显示滤波器前后的波形。1.4串口通信演示仪要求①在前面板上设置串口号、数据帧（起始位、数据位、奇偶校验位和停止位、）格式，波特率；②在前面板上有文本输入框和输出框，用于输入和显示传输的数据。构成系统的基本原理2.1函数发生器原理函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。在过去计算机还未有空前发展的时候，我们采用模拟电路和数字电路来实现上述波形的产生和控制。当计算机发展到现在的水平，我们可以借用计算机强大的数字处理能力来达到函数发生器的设计。进而实现各类功能更加强大的信号发生器的设计。2.2频谱分析仪原理通常我们对信号的分析处理主要有两种方法，一种是时域分析，另一种就是频域分析。信号的频域分析往往能给我们提供时域分析不能观察到的信号信息。例如一个失真很小的信号，在时域分析里面很难看出来这种失真，但在频域分析里却能如实的将这种失真表达出来。频谱分析最常用的方法就是离散傅立叶变换（DFT），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。2.3消噪演示仪原理消除噪声的常用方法主要是采用滤波器对有用信号保留。下面我们主要介绍滤波器的基本知识。滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。⑴低通滤波器从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。⑵高通滤波器与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。⑶带通滤波器它的通频带在f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。⑷带阻滤波器与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。2.4串口通信演示仪原理当两台RS-232串口设备通信距离较近时（<15m），可以用电缆线直接将两台设备的RS-232端口连接；若通信距离较远（>15m）时，需附加调制解调器（Modem）。在RS-232的应用中，很少严格按照RS-232标准。其主要原因是因为许多定义的信号在大多数的应用中并没有用上。在许多应用中，例如Modem，只用了9个信号（两条数据线、6条控制线、一条地线）；在其他一些应用中，可能只需要5个信号（两条数据线、两条握手线、一条地线）；还有一些应用，可能只需要数据线，而不需要握手线，即只需要3个信号线。因为在控制领域，在近距离通信时常采用RS-232，所以这里只对近距离通信的线路连接进行讨论。当通信距离较近时，通信双方不需要Modem，可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。最简单的情况，在通信中根本不需要RS-232C的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。在实际使用中常使用串口通信线将两个串口设备连接起来。串口线的制作方法非常简单：准备两个9针的串口接线端子（因为计算机上的串口为公头，因此连接线为母头），准备3根导线（最好采用3芯屏蔽线），按图1所示将导线焊接到接线端子上。图1图2所示中的2号接收脚与3号发送脚交叉连接是因为在直连方式时，把通信双方都当作数据终端设备看待，双方都可发也可收。在这种方式下，通信双方的任何一方，只要请求发送RTS有效和数据终端准备好DTR有效就能开始发送和接收。图2PC与PC串口通信线路在计算机通电前，按图13-2所示将两台PC的COM1口用串口线连接起来。系统设计3.1函数发生器、频谱分析仪、消噪演示仪小系统程序设计程序设计如下面前后面板所示：（1）我们的函数信号发生器主要核心模块是BasicFunctionGenerator.VI,它是一个基本的波形发生器，里面包含正弦波、方波、锯齿波、三角波。如下图所示：图3这样，我们就可以对此函数信号发生器的多种特性参数加以调制：偏置（offset）、信号类型（signaltype）、频率（frequency）、幅度（amplitude）、相位（phase）、采样（sampling），最后相位输出（phaseout）和信号输出（signalout）。而对与我们的噪声信号，我们直接选用UniformWhiteNoise.VI,如下图所示：图4我们对噪声直接进行幅度调节。我们的频谱分析仪主要依靠FFTSpectrum.VI,如下图所示：图5我们的幅度——时间图由magnitude端子输出，相位——时间图由phase端子输出。我们的消噪演示仪主要在case语句中，放置下面三种滤波器：图6图7图8我们上面的三种滤波器可以对滤波方式（filtertype）（主要包含低通、高通、带通、带阻）、采样频率（samplingfreq）、最高截止频率（highcutofffreq）、最低截止频率（lowcutofffreq）、滚降率（ripple）、滤波器阶数（order）等加以设置。3.2串口通信演示仪的程序设计程序设计如下面前后面板所示：我们找到VisaConfigureSerialPort.VI图9①我们找到控件（Controls）→新式（Modern）→I/O→VISA资源名称（VISAresourcename），这是对我们的串口通道设置的必要环节。②我们利用Case语句对波特率（baudrate）进行设置，主要有以下16种：300、600、900、1200、1800、2400、4800、7200、9600、14400、19200、28800等③我们对数据位（databits）加以控制，没有特别说明，我们的数据位通常是八位。④奇偶校验位（parity），分三种：无校验、奇校验、偶校验。我们找到VisaWriteFunction控件图10我们找到VisaReadFunction控件图11系统仿真4.1函数发生器、频谱分析仪、消噪演示仪小系统波形仿真（1）正弦信号波形的生成，频谱分析，噪声叠加，滤波仿真（2）锯齿波信号波形的生成，频谱分析，噪声叠加，滤波仿真（3）方波信号波形的生成，频谱分析，噪声叠加，滤波仿真（4）三角波信号波形的生成，频谱分析，噪声叠加，滤波仿真（4）噪声信号频谱分析总结为期两周的LABVIEW课程设计，是理论知识运用到实践的一个过程。在这过程中，收获很大，同时也证明了自己的知识掌握的还不够深，今后一定会用心学习，踏踏实实地掌握好所学知识。本设计根据要求完成了函数发生器、频谱分析仪、消噪演示仪的基本功能，并作了一些扩充，在现有条件下应该是完成了应该达到的或可以达到的功能。当然，本设计可以进一步丰富功能，但扩充需要根据需求来添加。还是说说本设计需要改进的地方。首先是程序流水线式设计运行不够人性化，其次是没有机会增加存储功能