Labview课程设计-虚拟信号发生器系统及示波器系统的设计.doc

实验总成绩： 装 订 线报告份数： 西安邮电学院 通信与信息工程学院 科研训练报告专业班级： 学生姓名： 学号(班内序号): 2012 年_6_月_15_日目 录摘要IABSTRACTII引言11绪论21.1课程基本概念及原理21.2采用软件及开发平台21.2.1系统设计软件21.2.2开发平台和编程环境21.3Labview软件基础练习31.3.1Labview的进入/退出31.3.2Labview的变量表达41.3.3数据操作41.3.4程序结构51.3.5字符串、数组、簇和矩阵51.3.6图形化显示数据图表和图形61.4LabVIEW高级程序设计71.4.1基本原理：71.4.2建立模型：81.4.3设计方案：92结论143心得体会15致谢16参考文献17摘要Labview是一种业界领先的工业标准图形化编程工具，主要用于开发测试、测量与控制系统。它是专门为工程师和科学家而设计的直观图形化编程语言。它将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，以形成用户自定义的解决方案。本次实习拟以LabVIEW2010为平台，设计了一个信号发生器，并进行给定信号的频谱分析仪及滤波器设计，同时还应具有虚拟仪器的功能。该信号发生器可产生正弦波、三角波、方波、锯齿波；且类型、相位、占空比、偏移量、频率、幅值可调；可叠加噪声。频域分析，能实时显示采集到的信号的波形和各种频域的变换分析，如：FFT变换、窗函数等的频谱图形，并将该信号的各频域参数测量出来。进行低通，高通，带通，带阻，平滑等滤波器的设计。使之具有虚拟仪器的功能。在必须完成以上基本功能的前提下，再对作品进行界面的美化，尽量做到界面整洁，易于操作。让使用者，及操作者以及观看者达到赏心悦目的效果。关键字：Labview，滤波器，信号发生器，频域分析ABSTRACTLabview is an industry-leading industry-standard graphical programming tools, mainly for the development of test, measurement and control system. It is the intuitive graphical programming language designed specifically for engineers and scientists. It software and a variety of measuring instruments hardware and computer integrated with the virtual instrument system to form a user-defined solutions. This internship is intended to LabVIEW2010 as a platform to design a signal generator, and spectrum analyzer for a given signal and filter design, and should also have the function of the virtual instrument. The signal generator can produce sine, triangle wave, square wave, sawtooth wave; and type, phase, duty cycle, offset, frequency, amplitude adjustable; can be superimposed noise. The frequency domain analysis, real-time display of the collected signal waveform and a variety of frequency-domain transform analysis, such as: FFT, window function, spectrum graphics, and the signal frequency-domain parameters measured. Low pass, high pass, band pass, band stop, smooth filter design. So that it has the function of the virtual instrument. Beautification of the interface must complete the basic functions of the premise, and then works to try to make the interface clean and easy to operate. Let the user and the operator and the viewer of the pleasing effect.Keywords: Labview, filters, signal generators, frequency domain analysisII虚拟信号发生及示波器系统引言21世纪，是知识经济时代，由于社会与科学技术的迅猛发展，新科学大量涌现，科学技术的综合化不仅是一个不可改变的必然趋势，而且是一个意义深远的科学革命。学科交叉、科技结合将作为21世纪一种时代特点，给社会带来全面的发展影响，给人们提供完整的科学图景，当前，科技发展与学科建设也日趋融合，成为科学领域的潮流。由于计算机技术的广泛使用和计算技术的高度发展，不仅为虚拟仪器的研究提供了新的工具和手段，而且从根本上解决了图形化界面与编程相结合的问题，大幅的改进了很多问题的分析和综合方法。Labview是信号处理技术实现的重要手段。随着信号处理应用领域的不断扩大，一般的信号处理方法难以满足实际工程的需要，从而促使人们在信号处理理论和方法方面不断创新与探索，例如：从确知的信号经过加噪声再经过各种滤波器后的输出信号。另一方面，Labview的信号处理的控件也随着信号处理理论与方法的发展而丰富，例如，从系统的控件到新式的控件等。也就是说，Labview信号处理随着信号处理与方法的发展而发展，同时，又为信号处理理论与方法的实现及工程应用提供了有效的帮助。随着信号处理技术和Labview的迅速发展，新的信号处理算法也随之诞生，新的Labview信号处理控件的种类也随之丰富起来。近年来，国内流行多种科学计算软件。科学计算软件的使用，可以极大地提高科研人员的工作效率，能更快更准确地完成计算方法设计，并在必要的时候用图形图像表示计算结果的描述运行机制。在数十种科学计算软件中，Labview凭借其数值计算与图形可视化功能的完美结合，以及开放的设计理念，取得了很大的成功。目前，许多学校已经开放了这方面的课程，很多学生已经使用该软件完成论文设计。1绪论1.1课程基本概念及原理信号分析的基本概念和分析方法已应用于许多不同领域和学科中，尤其是数字计算机的出现和大规模集成技术的高度发展，有力地推动了数字信号处理技术的发展和应用。 对于线性系统中的信号分析都可分解为一系列基本信号分量的线性组合；而线性系统对任一输入信号的响应是系统对许多不同基本信号分量分别作用产生相应的叠加；不同信号分解方式会导致不同系统分析方法。无论是时间域、还是频率域分析法本质是相同的。 1.2采用软件及开发平台1.2.1系统设计软件该系统设计采用的是Labview2010软件。它在信号分析类科技应用软件中在数据处理方面首屈一指。Labview可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。1.2.2开发平台和编程环境Labview由一系列工具组成。这些工具方便用户使用Labview的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括Labview桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着Labview的商业化以及软件本身的不断升级，Labview的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的Labview提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。新版本的Labview语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对控件的使用。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是Labview能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 Labview是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学控件函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用Labview的编程工作量会大大减少。Labview的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作及建模动态仿真等。 Labview自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的Labview对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），Labview同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，Labview也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。 1.3Labview软件基础练习1.3.1Labview的进入/退出Labview在安装成功后，系统会在桌面上产生一个图标双击图标便可启动Labview系统。图标如图所示： Labview有别于其它软件的原因之一是，它存在两个操作界面：前面板和程序框图。分别如图所示： 前面板 程序框图1.3.2Labview的变量表达 Labview的变量是以控件和函数的形式表现出来的： 控件选板 函数选板1.3.3数据操作数据类型：数据类型是程序设计的基础，不同的数据类型和数据结构在LabVIEW中的存储的方式是不一样的，选择合适的数据类型不但能提高程序的性能，而且还能节省内存的使用。LabVIEW中的接线端以不同的颜色来表示不同的数据类型。有数字型，布尔型，枚举类型，时间类型，Variant数据类型，局部变量，全局变量等。b数据运算：LabVIEW中提供了丰富的数据运算功能，除了基本的数据运算功能外，还有功能强大的函数节点，并且还支持通过一些简单的文本脚本进行数据运算，与文本语言编程不同的是，在文本语言编程中都具有运算符优先级和结合性的概念，而LabVIEW是图形化编程，不具有这些概念，运算是按照从左到右沿数据流的方向顺序执行的。涉及到的有：算术运算符，关系运算符，逻辑运算符，表达式节点等。题目一：通过仿真信号发生器产生一个余弦波： 1.3.4程序结构除了goto语句，所有C语言中的程序都能在LabVIEW中找到对应的实现方法。此外，LabVIEW中还有一些特殊的程序结构。例如，事件结构，使能结构，公式节点和数学脚本节点等，因此，通过LabVIEW可以非常方便快速地实现任何复杂的程序结构。顺序结构，for循环，while循环，case结构，事件结构，使能结构，公式节点等。题目二：产生一个10到20的一维数组： 1.3.5字符串、数组、簇和矩阵字符串的相关控件包括输入控件、显示控件、下拉框以及文件路径。数组在LabVIEW中和在C语言中一样，也是同类型元素的集合。不同的是，LabVIEW中的数组可以根据元素的多少动态改变大小，从而节省空间。数组元素的类型可以是LabVIEW里任何类型的数据。簇是LabVIEW中比较独特的一个概念，但实际上它就对应于C语言等文本编程语言中的结构体变量，它能包含任意数目，多种不同类型的元素。LabVIEW2010较之以前的版本新加了对矩阵的支持，使矩阵的运算变得非常简单，在该版本中，矩阵分为两种：实数矩阵和负数矩阵。题目三：求一个二维数组的维数 1.3.6图形化显示数据图表和图形LabVIEW很大的一个优势就是它提供了丰富的数据图形化显示控件，而且使用起来极其方便。它使工程师能在几分钟之内搭建一个专业的图形化测试系统。通过这些丰富的图表控件，工程师能够方便地分析大量数据从而专注于自己的工作，而不需要再为复杂的界面编程花费大量的精力了。这些图形控件按显示方式主要分两大类：趋势图和图表。趋势图可以将新的数据添加到曲线的尾端，从而反应实时数据的变化趋势，它主要用来显示实时曲线。而图表在画图之前会自动清空当前图表，然后把输入的数据画成曲线。按显示内容又可分为五类：曲线图、XY图、强度图、数字时序图和三维图。题目四：请画出洛仑兹曲线1.4LabVIEW高级程序设计题目：虚拟信号发生器及示波器系统要求：（1）本函数信号发生器产生正弦波、三角波、方波、锯齿波。且类型、相位、占空比、偏移量、频率、幅值可调。可叠加噪声。（2）进行频域分析。FFT、窗函数、进行滤波器设计。（3）具有虚拟示波器的功能。1.4.1基本原理：设计采用的是数字处理式频谱分析原理，方法为：经过采样，使连续时间信号变为离散时间信号，然后利用LabVIEW的强大的数字信号处理的功能，对采样得到的数据进行滤波、加窗、FFT 运算处理，就可得到信号的幅度谱、相位谱以及功率谱。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。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。在采样过程中，为了满足采样定理，对不同的频率信号，选用合适的采样速率，从而防止频率混叠。实际中，我们只能对有限长的信号进行分析与处理，而进行傅立叶变换的数据理论上应为无限长的离散数据序列，所以必须对无限长离散序列截断，只取采样时间内有限数据。这样就导致频谱泄漏的存在。所以利用用加窗的方法来减少频谱泄漏。由于取样信号中混叠有噪声信号，为了消除干扰，在进行FFT 变换之前，要先进行滤波处理。本设计采用了巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、椭圆（Ellipse）、贝塞尔（Bessel）等滤波器。以下说明时域分析与频域分析的功能（1）信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的特征值，这些特征值以一个数值的方式来表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信号特征值处理，并在测试VI前面板上直观地表示出信号的特征值，可以给测试VI的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值。（2）信号的频域分析就是根据信号的频域描述来估计和分析信号的组成和特征量。测量时采集到的是时域波形，但是由于时域分析工具较少，往往把问题转换到频域来处理。频域分析包括频谱分析、功率谱分析、相干函数分析以及频率响应函数分析。通过信号的频域分析，可以确定信号中含有的频率组成成分和频率分布范围；还可以确定信号中的各频率成分的幅值和能量；同时还能分析各信号之间的相互关系。1.4.2建立模型：本设计中用LabVIEW中的信号发生控件来代替信号采集部分产生信号。整个系统的设计均由软件来仿真实现。本设计的虚拟频谱分析仪由两个软件模块组成：信号发生器模块和频谱分析模块。处理过程如下：首先将信号发生模块产生的测试信号送数字滤波器处理，滤除干扰噪声，然后分别进行时域分析、频域分析和谐波分析。在对信号进行各种分析之前，要进行加窗处理，得到有限长的序列信号。以下具体介绍各个模块。（1）信号发生器模块主要是用来产生所需的各种测试信号。它可以完成以下功能：可产生任意标准周期信号，包括正弦波、方波、三角波、锯齿波。其中产生的周期信号的输入参数如频率、幅值、相位、占空比、噪声幅值、偏移量等均可一调节。（2）频谱分析模块主要是对信号发生器模块产生的测试信号进行分析以及处理。它可以完成以下的功能：测试信号经滤波、加窗处理后，进行时域分析、频域分析以及谐波分析。可以进行各种参数设置，包括采样设置、滤波器类型选择及其参数设置、窗函数类型选择等。1.4.3设计方案：信号发生器的设计包括以下三个步骤：（1） 按照实际任务的要求，确定信号发生器的类型；（2） 并根据要求想好信号类型选择需通过怎样的控件实现，以及各种参量通过什么方式调节；（3） 完成电路的设计，运行程序并且检查，直至无误后观察仿真结果。如图所示：原始信号的程序框图及仿真结果如图所示：如图所示：叠加噪声后的信号的程序框图及仿真结果如图所示：频域分析的设计步骤包括以下四个步骤：（1） 考虑怎样在原有信号发生器的基础上，对其时域信号进行频域分析；（2） 选择合适的变换，并正确连接频域控件的接线端；（3） 通过什么样的方式让信号进过各种频域变换的控件；（4） 完成电路的设计，运行程序并且检查，直至无误后观察仿真结果。如图所示：对信号进行频域分析的程序框图和前面板的仿真结果：虚拟示波器的设计包含下面三个步骤：（1） 示波器的信号源怎样选择；（2） 怎样把信号处理及分析、虚拟信号发生器、示波器这三个部分在一个前面板上展示出来；（3） 完成电路的设计，运行程序并且检查，直至无误后观察仿真结果。如图所示：系统程序框图的设计以及前面板的设计和运行结果：2结论基于LabVIEW编程环境下的虚拟频谱分析仪主要实现了时域分析和频域分析两个功能。信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的特征值，这些特征值以一个数值表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信号特征值处理，并在测试VI前面板上直观地表示出信号的特征值，可以给测试VI的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值，本文对幅值特征值的分析进行了设计。信号的频域分析就是根据信号的频域描述来估计和分析信号的组成和特征量。也就是研究信号的频率结构，即求取其分量的幅值、相位按频率的分布规律，并建立以频率为横轴的各种谱。对于周期信号可将其展开为傅立叶系数，其频谱具有离散性、谐波性和收敛性；对于非周期信号可用频谱密度函数分析其频率构成，其频谱具有连续性。频域分析包括频谱分析、功率谱分析、相干函数分析以及频率响应函数分析。本文实现了频谱分析，即信号的幅频特性和相频特性。通过仿真实验说明，基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计完成了频谱分析的功能。本设计成功地使系统能够分析各种波形的频谱，如正弦波、三角波、方波、锯齿波等。并且可以通过调输入波形的各项参数如输入频率、相位、幅值、偏移量等使系统来进行分析，同时还可以加入可均匀白噪声。此外，利用LabVIEW 实现的虚拟频谱分析仪，采用了图形语言编程，与其他采用文本语言编程相比，能缩短了开发时间，与硬件仪器相比，虚拟仪器又更容易调整滤输入波形，具有方便、快捷、直观等优点。另外基于LabVIEW 编写的程序还可以将其作为子程序在其他虚拟仪器系统中调用，大大增强了程序的通用性。本次信号与系统课程通过LabVIEW软件进行仿真，我们再一次学习了LabVIEW软件对程序的使用有了更深的印象和了解。通过LabVIEW