labview专题实验报告.doc

实验一 虚拟信号发生器的设计一、实验目的熟悉LabVIEW的基本模块，掌握LabVIEW的基本使用方法。二、实验要求通过独立编程，能够初步了解和掌握LabVIEW的各种模块和基本操作，并设计一个简单的虚拟信号发生器。三、实验内容设计一个虚拟信号发生器，能够产生正弦波、三角波、锯齿波、直流、随机白噪声等信号波型选择用按键或旋钮，且可以调整波形参数。通过示波器可以观察虚拟信号发生器的输出信号。可以通过前面板选择信号波形，调节信号的频率、幅值和相位频率、幅值、相位用数字窗口显示，并通过虚拟示波器观察生成的波形。四、实验过程根据要求，由于需要选择产生产生正弦波、三角波、锯齿波、直流、随机白噪声等信号，所以使用了选择结构，在面板上使用一个菜单下拉列表来选择信号发生器发生一个需要的信号，同时也可使白噪声叠加在每个波形之上，它的幅值也可以在前面板中设置一个水平填充滑动杆来控制。每一个case就可以产生一个信号，而用来产生信号的则是一个可以现成调用的仿真信号模块，可以用三个数值输入控件来分别控制每个信号的频率、幅值以及相位。While结构为程序添加一个结束按钮。前面板如下：程序框图如下：文件下拉菜单编辑如下：产生正弦、方波、锯齿波、三角波信号部分框图连线如下： 产生直流信号部分框图连线如下：扩展要求：及频率、相位的测量一、实验内容：正弦信号的发生及频率、相位的测量（可2人合作完成）l 设计一个双路正弦波发生器，其相位差可调。l 设计一个频率计l 设计一个相位计频率和相位的测量至少有两种方法lFFT及其他信号处理方法l直接方法二、实验过程1、正弦波发生器，相位差可调双路正弦波发生器设计方法同实验一。相位差的设计方法：可以令正弦2的相位为0，正弦1的相位可调，这样调节正弦1的相位，即为两正弦波的相位差。2、设计频率计、相位计方法一：直接读取从调节旋钮处直接读取数值，再显示出来。方法二：单频测量使用单频测量模块进行频率、相位的测量。方法三：利用FFT进行频率和相位的测量在频率谱和相位谱上可以直接读取正弦信号的主频和相位。3、前面板如下：4、程序框图如下：实验二 频谱分析仪的设计一、实验内容设计一个虚拟频谱分析仪，对虚拟信号发生器生成的信号（题目1的VI输出）进行频谱分析数字滤波，并绘出所分析信号的幅频特性，指出主要频率分量的频率和幅值。依次改变信号的频率、采样频率以及采样点数，观察频谱特性的变化，分析频率分量产生泄露的原因。二、实验过程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。通常只使用一半FFT输出采样点转换成单边FFT。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。信号的频谱分析是指以频率f(=2f)为横坐标变化量来描述信号的幅值、想相位的变化规律。本实验采用基2FFT算法进行频谱分析，故要求采样点数满足N=2n，并采用频率_s满足采样定理，即_s2_m（_m为信号的最高频率分量）。对无限长连续信号x(t)截断后变成有限长的离散时间序列x(n)(n=1,2,，N-1)，截取长度t_p=NT(T为采样间隔)。频谱由原来的连续谱变成离散谱，就有可能出现栅栏效应、泄露现象。基波频率f_1=1t_p =1/NT，基波角频率即谱线间隔为_1=1*2/NT,次谐波角频率_k=k*2/NT，是基波角频率的k倍，故谱线只出现在k*2/NT（k=0,1,2，）离散的频率点上。在频段0_s（采样频率）可获得N条谱线，其中前N/2条是主分量谱线，后N/2条是高频分量谱线。即在N条谱线中只有前N/2是有效的。例如，当被测周期信号的频率为100Hz、频谱的谱线间隔f_1=1NT=50Hz时，则既无栅栏效应也无泄露效应；若谱线间隔f_1=65Hz，则将发生栅栏效应和泄露效应。前面板如下：程序框图如下：分析：(1) 由幅频特性可以看出，由于相位成周期性变化，因此每个一定的范围，会出现一个峰值，即为主频的相位。(2) 频谱泄露改变采样点数观察幅频特性的变化可以看出当采样点数过小时，频谱发生了泄露。分析频谱泄露的原因：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，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。常用的窗函数如海明窗、汉宁窗等。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。使用窗函数的原因很多，例如：1、规定测量的持续时间；2、减少频谱泄漏；3、从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号。实验三 数据记录仪的设计一、实验内容l连续、定时采集和存储一个电压信号l可回放记录数据的图形，回放速度可调。二、实验过程一个数据记录仪应用程序包括数据采集、数据分析、数据存储以及数据调用（用来分析和展示）。本实验中把“录制波形”及“回放波形”两大过程分别用两个程序图实现。通过写入程序记录波形后，可通过回放程序对记录的波形进行回放。电压记录仪中设计了信号选择及参数调节部分来模拟电压的变化。通过信号选择可以实现电压种类的变化，如正弦、方波、直流，通过参数调节可以实现信号幅值频率的变化。收集的电压信号存入一个波形数组，然后可以通过波形图表显示出来。在显示的同时，将波形存入指定路径的文件中。电压回放的程序中主要实现了将电压记录仪记录的波形数组读入，然后显示出来。通过时间延迟实现了回放时间间隔的可调。此处设置延迟0.200s.前面板如下：程序框图如下：实验四 功率表的设计一、实验内容一个周期（或若干个整周期）的平均功率、有功功率同时计算视在功率、无功功率、功率因数、相位差等首先，应当在环境下（不经过数据采集,使用仿真信号源）检查算法的效果。二、实验过程在交流电中，电压电流都随时间而变，因此电压与电流的乘机所表示的功率也随时间而不断变化。但是在交流功率中，还有许多具体的内容。如有有功功率，功率因数，视在功率，无功功率，瞬时功率等在现实功率占有很高的地位。视在功率=电压有效值*电流有效值功率因数=相位差的余弦值有功功率=视在功率*功率因数无功功率=视在功率*相位差的正弦值用两个仿真信号产生电压和电流信号。幅值和电平测量模块直接测得有效值和峰峰值。在运用减法、乘法、除法、三角函数等运算得到相关结果。前面板如下：程序框图如下：实验小结通过对实验一虚拟信号发生器的设计，我对labview这个软件有了初步的认识。学会了利用labview虚拟仪器设计简单的信号发生器。由于刚接触labview这种软件，刚开始时还是遇到一些困难，但是通过自学老师下发的众多的资料以及labview自带的帮助文件和各种模块的实例，慢慢学会了使用labview进行简单的设计。实验一的扩展内容建立在实验一的基础上。在实现了虚拟信号发生器的基础上又实现了双路的信号发生。于此同时，实现了信号的相位差可调。通过此扩展内容，我对labview的使用有了更多的了解。熟悉了更多的模块的使用，解决问题，查错改错的能力进一步提高了。通过这次实验二，我对于信号的频谱分析有了进一步的认识。在实验的过程中，同时复习了数字信号处理的相关内容。实验过程中，对于频谱泄露问题很是困惑，通过查找相关资料并与同学讨论从而对问题有一定程度的认识。通过实验仿真，并将泄露前后的频谱对比，我对于这一问题的认识更加清晰了。 通过实验三学习了记录和回放数据，这在工业现场中是非常广泛的应用。通过实验获得学有所用的成就感。通过这个实验四，我对于功率的相关内容进行了进一步的巩固与复习，收获很多。对于labview，进一步练习各种运算符号的应用。总之，通过这四个实验，我循序渐进地掌握了labview的使用，相信对以后的进一步学习会有很大的帮助。在此，感谢两位指导老师的细心指导。相关参考书：（1） 精通LabVIEW 8.0 ，王磊 陶梅，电子工业出版社，2007（2） 虚拟仪器设计基础教程(8.5)，黄松岭 吴静，清华大学出版社，2008（3） LabVIEW 8.5 入门(电子版)，2007.8（4） 数字信号处理-理论 算法与实现，胡广书，清华大学出版社，2003（5） 数字信号处理，宗孔德 胡广书，清华大学出版社，1998（6） 传感器与检测技术，宋文绪 杨帆，高等教育出版社，2004（7） 智能仪器原理与设计，朱欣华 姚天忠 邹丽新，中国计量出版社，2002（8） 智能仪