信号与系统课程设计--方波和单边指数信号的卷积.doc

沈阳理工大学课程设计专用纸 No27成 绩 评 定 表学生姓名班级学号专 业课程设计题目评语组长签字：成绩日期 2013 年 7 月 日课程设计任务书学 院专 业学生姓名班级学号课程设计题目方波和单边指数信号的卷积实践教学要求与任务:1、学习LABVIEW软件知识及应用2、学习并研究信号分析与处理课题有关理论3、利用LABVIEW编程，完成相应的信号分析与处理课题4、写出课程设计报告,打印程序，给出运行结果工作计划与进度安排:第一周：周一：1、布置课程设计任务、要求 2、每人一题 周二-周五：利用LABVIEW编程，完成相应的信号分析与处理课题：1、学习LABVIEW软件知识及应用 2、学习并研究信号分析与处理课题有关理论 3、利用LABVIEW编程，完成相应的信号分析与处理课题第二周：周一-周四： 1、上机编程、调试 2、检查编程、运行结果 3、撰写课程设计报告书 周五： 答辩，上交报告。指导教师： 2013 年 月 日专业负责人：2012 年 月 日学院教学副院长：2013 年 月 日 目 录1 引言12 虚拟仪器开发软件Labview8.2入门22.1 Labview8.2介绍22.2利用LabVIEW8.2编程完成习题设计93利用LabVIEW8.2实现方波和单边指数信号的卷积及卷积过程演示的设计233.1方波和单边指数信号的卷积及卷积过程演示的基本原理：233.2方波和单边指数信号的卷积及卷积过程演示的编程级实现243.3运行结果及分析244结 论265参考文献27沈阳理工大学1 引言信号的卷积是针对时域信号处理的一种分析方法。信号的卷积一般用于求取信号通过某系统后的响应。在信号与系统中，我们通常求取某系统的单位冲激响应，所求得的 h(k) 可作为系统的时域表征。任意系统的系统响应可用卷积的方法求得。离散时间信号是时间上不连续的“序列”，因此，激励信号分解为分解为脉冲序列的工作就狠容易玩成，对应每个样值激励，系统得到对此样值的响应，每一响应也是一个离散时间序列，把这些序列叠加既得零状态响应。因为离散量的叠加无需进行积分，因此，叠加过程表现为求“卷积和”。不同的a值及N值产生的卷积不同且只有2序列有重叠的部分才有卷积和当矩形脉冲宽度值N=1是卷积和就是单边指数序列；且a值的大小只影响卷积和的大小不会影响卷积和的宽度而N值的大小就影响卷积序列相交部分的范围宽度即卷积的宽度。离散序列卷积即为对应相交序列对应N值的乘积之和。一个离散线性系统输入与输出之间的关系可以用差分方程来描述,又可以用里卷积来描述,所不同的在于后者的即时输出仅表示为输入序列的加权和。换句话说,输入与输出之间存在着非递归的关系。即时输出没有明显的表示出与过去的输出有关。显然,如果已知系统单位脉冲响应和输入序列,通过求卷积和就可直接求得任一时刻的输出值。离散卷积不仅适用于离散系统,也可作为连续系统卷积积分的近似计算。用卷积和的数值计算来近似计算卷积积分,其近似程度取决于样点间隔T,通常选取较小的T可以获得较好的近似。应该指出卷积和运算由于引入表征系统动态特性的h(n),所以有着明显的物理意义,它使叠加原理的表达式大为简化。2 虚拟仪器开发软件Labview8.2入门2.1 Labview8.2介绍LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）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。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向。图2-1 程序框图LabVIEW程序使用虚拟仪器（Virtual Instrument，缩写为VI）的概念。它是指一台计算机和连接外部的端口（计算机的COM口，LPT口或内插板）在软件控制下可完全模拟替代传统的仪器。因VI功能完全是由软件定义，故在硬件系统不变的情况下，用户可通过软件开发自行改变或扩充仪器的功能，实现自己的特殊要求，或用一套硬件系统实现多种仪器的功能，从而使虚拟仪器VI不但比传统仪器更灵活有效，而且也更经济。VI的核心就是LabVIEW程序，所以在LabVIEW中，所有程序均称之为VI程序，不管它是否通过端口和外界进行通讯。每个VI程序均可作为一个功能模块被重复使用，因而使用LabVIEW来开发和扩展程序极为方便。LabVIEW编程语言同常规的程序语言不同，它采用更易使用和理解的图形化程序语言G语言（Graphical programming language）。G语言使用图标代替常规的一条或一组语句来实现一个功能，通过各功能图标间的逻辑连接实现程序功能。其编程过程不是书写一行行语句，而是连接一个个代表一定功能的图标，其程序编制过程简单，不涉及复杂功能实现的算法，易于掌握。同时，因为其编程过程基于可重复使用的功能模块，故可方便地使用由专业人员编制提供的专业级别的功能模块，开发出专业水平的程序。所以，LabVIEW在世界范围内的众多领域如航空、航天、通信、汽车、半导体、化学和生物医学等得到了广泛的应用，从简单的仪器控制、数据采集到复杂的测试和数据处理，从工厂、科研院所到大学里的实验室，到处都可以发现LabVIEW的应用。在西方国家（如美国）的许多大学已将LabVIEW作为本科的教学内容，成为工程师素质培养的一个方面。由于LabVIEW虚拟仪器的强大功能，使得使用一套硬件系统就可进行多种不同要求的研究，故而可以用更小的消耗进行更多的研究，尤其适合在我国资金较少的科研单位用于研究工作。LabVIEW6.-中，包含许多专家编写的VI供用户使用。在数据采集方面有许多采集卡（DAQ）的支持模块，使采集程序的编制不必涉及低层控制；有各种数字、模拟信号I/O模块；有对GPIB（General Purpose Interface Bus,IEEE488标准）、VXI（VME bus eXtensions for Instrumentation ,扩展IEEE1014标准）和Serial端口的支持和控制等VI。在数据处理控制方面有各种数字信号处理和产生、频谱分析、滤波、平滑窗口、概率统计等VI。本LabVIEW简介部分主要介绍LabVIEW语言的基础知识，包括界面、菜单、工具、模板、器件、函数等，通过这一部分的学习，读者即可使用LabVIEW编程并在实际工作中进行应用。LabVIEW进阶部分将深入探讨LabVIEW的编程环境、编程技巧以及优化策略等和更多的功能，考虑到篇幅限制，本书不与介绍，感兴趣的同学可参看下列参考书继续学习，不断提高自己的应用水平。LabVIEW程序被称为VI（Virtual Instrument），即虚拟仪器。 LabVIEW的核心概念就是“软件即是仪器”，即虚拟仪器的概念。 LabVIEW还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。 LabVIEW在测试、测量和自动化等领域具有最大的优势，因为LabVIEW提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储。用户可以在数分钟内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。它被广泛地应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域。 LabVIEW不仅可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以被用来开发大型的分布式数据采集与控制系统。在美国Lawrence Livermore国家实验室，一个花费2000万美金的极为复杂的飞秒激光切割系统就是基于LabVIEW开发的。 在北京正负电子对撞机二期工程北京谱仪慢控制系统中，大约有30种物理量共7000多点的现场数据点需要实时采集控制和分析记录等。 图2-2 LabVIEW用户界面图2-3 LabVIEW程序框图LabVIEW程序包括前面板（用户界面）和后面板（程序框图）3种选板：控件选板（为前面板添加控件）函数选板（在程序框图中添加函数或数据等）工具选板（选择各种编辑工具，前面板和后面板都要用到）LabVIEW程序被称为VI，扩展名默认为.vi图2-4 图2-5 图2-6 图2-7 控制选板在前面板显示，它包含创建前面板时可用的全部对象。控件选板中的基本常用控件可以以现代(modern)、经典(classic)和系统(sysetem)三种风格显示。选择主菜单View-Controls Palette选项或右击前面板空白处就可以显示控件选板。 函数选板只能在编辑程序框图时使用，与控件选板的工作方式大体相同。创建框图程序常用的VI和函数对象都包含在该选板中。选择View-Functions Palette或右击框图面板空白处就可以显示函数选板。在前面板和程序框图中都可以使用工具选板，使用其中不同的工具可以操作、编辑或修饰前面板和程序框图中选定的对象，也可以用来调试程序等。 可以选择View-Tools Palette选项来显示工具选板 LabVIEW为用户提供了非常全面的帮助信息，有效地利用帮助信息是快速掌握LabVIEW的一条捷径。LabVIEW提供了各种获取帮助信息的方法，包括实时上下文帮助（Show Context Help）、联机帮助、LabVIEW范例查找器（Find Examples）、网络资源（Web Resources）等。 选择菜单栏中Help-Show Context Help选项或按下Ctrl+H，就会弹出Context Help窗口。 当鼠标移到某个对象或函数上时，上下文帮助窗口就会显示相应的帮助信息。图2-8 当单击Context Help窗口中Detailed Help会弹出相应的完整的帮助信息。这是一个Windows标准风格的帮助窗口，包含了LabVIEW全部的帮助信息。你也可以选择主菜单Help-Search the LabVIEW Help选项打开它。图2-9 2.2利用LabVIEW8.2编程完成习题设计1.写一个类似于作图的正弦波发生器,要求频率和幅度可调 图210习题1前面板图 图210习题1程序面板图程序连接如图：选用波形显示器，停止开关，及量表2个按题意要求设置参数，后面板中选express后的信号分析并选择仿真信号设置为正弦波连线如图。2.新建一个VI，进行如下练习任意放置几个控件在前面板，改变它们的位置、名称、大小、颜色等等。在VI前面板和后面板之间进行切换并排排列前面板和后面板窗口 图211习题2前面板图 图211习题2程序面板图题中压力表为量表，垂直进度条，仪表，转盘。3.编写一个VI求三个数的平均值，如右图所示。要求对三个输入控件等间隔并右对齐，对应的程序框图控件对象也要求如此对齐。添加注释分别用普通方式和高亮方式运行程序，体会数据流向。单步执行一遍图212习题3前面板图 图212习题3程序面板图本题采用公式编辑器控件编辑公式求3个数的平均值并送往数值显示控件显示输出结果。4.写一个VI判断两个数的大小，如右图所示：当AB时，指示灯亮 图213习题4前面板图 图213习题4程序面板图本题通过后面板中的编程比较中的大于比较器进行比较，AB时灯亮。5.写一个VI获取当前时间，并转换为字符串和浮点数。图214习题5前面板图 图214习题5程序面板图6.利用局部变量向与它联系的前面板上的电流控件写数据，也可以从电流控件读数据。图215习题6前面板图 图215习题6程序面板图 7.写一个温度监测器，如右图所示，当温度超过报警上限，而且开启报警时，报警灯点亮。温度值可以由随即数发生器产生。图216习题7前面板图图216习题7程序面板图 8.给定任意x, 求如下表达式的值图217习题8前面板图 图217习题8程序面板图 9. 利用顺序结构和timing面板下的tick count VI，计算for循环产生一个长度为20000点的随机波形所需的时间。图218习题9前面板图 图218习题9程序面板图10. 为第4章习题4添加一个While循环和定时器，实现连续的温度采集监测图219习题10前面板图 图219习题10程序面板图 11. 计算学生三门课（语文，数学，英语）的平均分，并根据平均分划分成绩等级。要求输出等级A,B,C,D,E。90分以上为A，8089为B，7079为C，6069为D，60分以下为E。图220习题11前面板图 图220习题11程序面板图 12.为第5章的习题2连续温度采集监测添加报警信息，如下图所示，当报警发生时输出报警信息，例如“温度超限！当前温度78.23”，正常情况下输出空字符串。图221习题12前面板图 图221习题12控制面板图13.将一些字符串和数值转换成一个新的输出字符串，输出的字符串是一个GPIB命令字符串。他可以用来与串口仪器进行通信。图222习题13前面板图 图222习题13控制面板图 14. 用FOR循环创建一个数组，并用图形显示输出的数组。图223习题14前面板图 图223习题14控制面板图 15利用簇模拟汽车控制，如右图所示，控制面板可以对显示面板中的参量进行控制。油门控制转速，转速油门*100，档位控制时速,时速档位*40油量随时间少。图224习题15前面板图 图224习题15控制面板图 16.利用随机数发生器仿真一个0到5V的采样信号，每200ms采一个点，利用实时趋势曲线实时显示采样结果。图225习题16前面板图图225习题16控制面板图 17. 在习题1的基础上再增加1路电压信号采集，此路电压信号的范围为5到10V。图226习题17前面板图 图226习题17控制面板图 18.利用随机数发生器仿真一个0到5V的采样信号，每200ms采一个点，共采集50个点，采集完后一次性显示在Waveform Graph上。图227习题18前面板图 图227习题18控制面板图 19. 在习题3的基础上再增加1路电压信号采集，此路电压信号的范围为5到10V，采样间隔是50ms，共采100个点。采样完成后，将两路采样信号显示在同一个Waveform Graph中。图228习题19前面板图图228习题19控制面板图 3利用LabVIEW8.2实现方波和单边指数信号的卷积及卷积过程演示的设计3.1方波和单边指数信号的卷积及卷积过程演示的基本原理：对信号做卷积积分运算的五个步骤：（1）改换图形中的横坐标，由t改为，变成函数的自变量；（2）把其中的一个信号反褶；（3）把反褶的信号做位移，移位量是t,这样t是一个参变量。在坐标系中，t0图形右移；t0图形左移；（4）两信号重叠部分相乘e()h(t-)；（5）完成相乘后图形的积分。离散时间信号的卷积上式称为“卷积和”(或仍称为卷积)。它表征了系统响应y(n)是x(n)与h(n)的卷积，用简化符号记为y(n)=x(n)*h(x) 得：首先可以调节“指数a”和“矩形宽N值”来确定您要进行卷积的两波形。然后按下“演示”按钮就可以观察给定离散时间信号的的反褶、移位、求积分的过程。其中“移位过程”显示移位的范围，“y(n)”显示了卷积后的结果。示波器“移位过程”随着它们的变化动态显示波形变化。3.2方波和单边指数信号的卷积及卷积过程演示的编程级实现本实验中所用的矩形序列通过FOR循环及及后面板编程结构中的公式节点中输入“y=(x1)y=0；”并将h(m)及矩形序列x(n)送入积分器进行积分并分别将x(n),h(m),h(-m)及卷积y(n)送入4个波形显示器进行显示。然后用条件结构嵌套FOR循环及条件结构和FOR循环的结构在演示按钮触发下进行卷积过程的演示：当n0时h(-m)与x(n)无相交部分卷积y(n)=0；当0n n+m-1时卷积y(n)= 0.600000 n*(1- 0.600000 (-n-1)/(1- 0.600000 (-1)；当n 19 时0.600000 n*(1- 0.600000 (- 20 )/(1- 0.600000 (-1)3.3运行结果及分析图31 运行结果图 图32 运行结果图图33 运行结果图分析：不同的a值及N值产生的卷积不同且只有2信号有重叠的部分才有卷积和；且a值的大小只影响卷积和的大小不会影响卷积和的宽度而N值的大小就影响卷积信号相交部分的范围宽度即卷积的宽度。本实验中当当0n n+m-1时卷