LabVIEW连续时间信号时域抽样信号的频谱课程设计

1、 沈阳理工大学课程设计专用纸 No24成 绩 评 定 表学生姓名陈彦飞班级学号1203020117专 业测控技术与仪器课程设计题目连续时间抽样信号的频谱评语组长签字：成绩日期 2015 年 07 月 20 日课程设计任务书学 院自动化与电气工程专 业测控技术与仪器学生姓名陈彦飞班级学号1203020117课程设计题目连续时间信号时域抽样信号的频谱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、

2、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： 2015年07月06日专业负责人：2015年07月06日学院教学副院长：2015年07月06日目 录1 引言. . . 12 虚拟仪器开发软件LabVIEW入门. . 22.1 LabVIEW介绍. . 22.2利用LabVIEW编程完成习题设计. .

3、 .53利用LabVIEW实现连续时间信号时域抽样信号的频谱的设计.173.1连续时间信号时域抽样信号的频谱的基本原理. .173.2连续时间信号时域抽样信号的频谱编程设计及实现.173.3运行结果及分析. . .174总结. . .285参考文献. . .28241引言在人类认识自然改造自然的过程中，信息发挥着至关重要的作用。信息一般泛指消息、情报、指令、数据、信号等。信号作为信息的重要组成部分，千百年来广泛的存在于我们的生产、生活的各个方面。抽象的信息通过声音、图像、文字、颜色等这些我们可以实实在在感觉的到的形式传递信息。因此，如何从这些实实在在的感觉到的东西中提取出信息就成为我们能否获取

4、信息的关键。因此我们对信号快速准确的分析处理能力决定着我们获取信息的能力。随着人类社会的快速发展和科技的进步，需要处理的信息量越来越大，信号的分析处理方式也越来越多样化。传统仪器不断发展，各种功能强大的仪器层出不穷。虚拟仪器作为新型的信号处理分析仪器也迅速发展起来。较传统仪器而言，虚拟仪器灵活方便，功能更加多样化，并且用户可以根据自己的需要自行定制功能，成本低廉但数据处理能力强大。因此越来越受到人们的欢迎。虚拟仪器的设计与使用对我们有着越来越重要的作用。本次课程设计就是对这种能力的一种培养。2 虚拟仪器开发软件LabVIEW入门2.1 LabVIEW介绍LabVIEW是一种程序开发环境，由美国

5、国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。 LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。图2-1 启动界面与 C 和basic一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW函数库包括数据采集、GPIB、串口控制

6、、数据分析、数据显示及数据存储等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。图2-2创建项目 图2-3控件 图2-4 函数与其他基于文本的程序设计语言相比，LabVIEW具有如下特点：（l）直观、易学易用。与其他计算机编程语言相比

7、，图形化编程工具LabVIEW有一个重要的不同点：不采用基于文本的语言产生代码行，而使用图形化编程语言G编写程序；用框图代替传统的程序代码。因而可在很短的时间内被掌握并应用到实践中去。 图2-5 前面板图 图2-6 程序框图（2）通用编程系统。LabVIEW的功能并没有因图形化编程而受到限制，依然具有通用编程系统的特点。LabVIEW有一个可完成任何编程任务的庞大的函数库。该函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其通过程序的结果、单步执行等，便于程序的调试。LabVIEW的动态连续跟踪方式，

8、可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其他语言的开发环境更方便、更有效。（3）模块化。LabVIEW的模块化体现在两个方面。首先，LabVIEW中使用的基本节点和函数等就是一个个小的模块，可以直接使用；另外，由LabVIEW编写的程序即虚拟仪器模块，除作为独立程序运行外，还可作为另一个虚拟仪器模块的子模块供其他模块程序使用。2.2 利用LabVIEW编程完成习题设计1.设计一个简单的正弦波发生器，要求频率和幅度可调图2-7习题2.1 前面板图图2-8习题2.1 程序面板图2.新建一个VI，进行如下练习：（1）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。 （2）在V

9、I前面板和后面板之间进行切换。（3）并排排列前面板和后面板窗口。图2-9习题3.1 前面板图 图2-10习题3.1 程序面板图3. 编写一个VI求三个数的平均值图2-11习题3.2前面板图图2-12习题3.2程序面板图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2-13习题4.1前面板图图2-14习题4.1程序面板图5. 写一个VI获取当前系统时间，并将其转换为字符串和浮点数。图2-15习题4.2前面板图 图2-16习题4.2程序面板图6.写一个温度监测器,当温度超过报警上限，而且开启报警时，报警灯点亮。图2-17习题4.3前面板图图2-18习题4.3程序面板图7. 给定

10、任意x, 求如下表达式的值： y=x5+cosxex；图2-19习题4.4前面板图图2-20习题4.4程序面板图8.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2-21习题5.1 前面板图图2-22习题5.1 程序面板图9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2-23习题5.2前面板图图2-24习题5.2程序面板图10. 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，

11、60分以下为E。图2-25习题5.3前面板图图2-26习题5.3程序面板图11. 为第5章的习题2连续温度采集监测添加报警信息，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2-27习题6.1前面板图 图2-28习题6.1程序面板图12. 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，可以用来与串口仪器进行通信。图2-29习题6.2 前面板图图2-30习题6.2 程序面板图13. 用FOR循环创建一个数组，并用图形显示输出的数组图2-31习题6.3前面板图图2-32习题6.3程序框图14. 利用簇模拟汽车控制，如

12、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VI运行时图2-33习题6.4前面板图图2-34习题6.4程序面板图15. 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2-35习题7.1前面板图图2-36习题7.1程序框图16. 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2-37习题7.2 前面板图图2-38习题7.2 程序面板图17. 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

13、示在Waveform Graph上。 图2-39习题7.3 前面板图 图2-40习题7.3 程序面板图18. 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2-41习题7.4 前面板图 图2-42习题7.4程序面板图3利用LabVIEW实现连续时间信号时域抽样信号的频谱的设计3.1 连续时间信号时域抽样信号的频谱的基本原理1、时域抽样定理抽样定理的说明：一个频谱受限的信号f(t)，如果频谱只占据-wnwn的范围则信号f(t)可以用等间隔的抽样值唯一地表示。而抽

14、样间隔必须不大于12fn（其中wn=2fn），或者说，最低抽样频率为2fn.对于抽样定理，可以从物理概念上作如下解释。由于一个频带受限的信号波形绝不可能在很短的时间内产生独立的、实质的变化，它的变化速率受到最高频率分量wn的限制。因此，为了保留这一频率分量的全部信息，一个周期的间隔内至少采样两次，即必须满足ws2wn或fs2fn.2、时频域转换时域波形变为频域波形需要经过傅里叶级数和傅里叶变换实现。傅里叶变换，表示能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数（正弦或余弦函数）或者他们的积分的线性组合。在不同的领域中傅里叶变换有不同的变体形式。傅里叶变换也是一种分析信号的方法。将时域信号转变成为频率

15、域。傅里叶级数展开式:ft=a0+a1cosw1t+ b1sinw1t+a2cos2w1t+ b2sin2w1t+ancosnw1t+bnsinnw1t+ =a0+n=1ancosnw1t+bnsin(nw1t)傅里叶变换公式:F(W)=Fft=-+fte-itdt3.2 连续时间信号时域抽样信号的频谱的编程设计及实现掌握了连续时间信号时域抽样以及频谱分析的方法之后。我们开始进行编程设计。设计主要包括两大部分，即前面板的设计和程序框图的设计。以下分别进行介绍。1、 前面板的设计前面板是进行人机交互的主界面，各种参数的设置主要在前面板进行。本设计，我们对四种常见信号:正弦波、方波、锯齿波、三角波

16、进行分析处理，因此需放置四个单选按钮对四种波形进行选择，另外需要显示四种状态下的波形，即连续时间信号时域谱、连续时间信号的抽样信号时域谱、连续时间信号频谱、连续时间时域抽样信号的频谱。通过对比进行分析。为此，我们在前面板放置四个波形图控件，分别显示四种状态的波形。除显示波形外，我们还应该能够自行调节各种参数，以实现在不同状态下对信号进行抽样和频谱分析，需要在前面板放置数值输入控件。这里，我们将信号的参数分为两大类：原信号参数设置和抽样信号参数设置。原信号参数输入部分具体包括两个旋钮，分别设置频率和幅值。两个数据输入框，以便进行频率和幅值的精准输入设置。另外再放置五个数据输入框，分别对信号的相位

17、、偏移量、采样点数采样频率和FFT点数进行设置。一个相位重置开关重置信号的相位。抽样信号参数设置主要是对抽样信号进行操作，包括抽样信号的频率、抽样信号的相位，以及FFT点数设置等。最后有一个STOP按钮以便随时停止对信号分析。效果图如下：图3-1 前面板设计图2、 程序的设计程序的设计主要划分为三大模块：信号产生模块，信号处理模块，波形显示模块。（1） 信号产生模块信号产生模块采用了LabVIEW函数库中提供的波形生成函数实现。包括正弦波、三角波、方波、锯齿波及其他的函数波形。这里我们主要使用了四种常见信号作为原信号，即:正弦波、三角波、方波、锯齿波。抽样信号则采用频率、相位可调的矩形脉冲抽样

18、。 图3-2波形生成模块（2） 信号处理模块X1*X2 信号处理模块主要是原信号与抽样信号的相乘以及信号的傅里叶变换。图3-3 信号处理模块（3） 波形显示模块 波形显示模块主要是波形图（Waveform Graph）。图3-4 波形显示模块最终程序设计框图如下所示：图3-5 程序设计框图3.3 运行结果及分析1、 正弦波图36 正弦波效果图2、 方波图37方波效果图3、 三角波图38三角波效果图4、 锯齿波图39锯齿波效果图结果分析：在以上四种的状态下，波形均与预期理论波形一致，课程设计要求也已达到。4 总结本次课程设计已经完成，设计的过程比较顺利。虽然过程中遇到了一些问题如设计软件的安装、软件入门、设计思路的确定等问题。但是在经过自己在图书馆看书学习，在网上查找资料，与网友的讨论后大都得到了解决。一些解决不了的问题也在老师的指导和启发下以及与同学的讨论中得到了解决。动手动脑，互相讨论，大胆尝试，这个过程让我学到了很多，加深了我对课上所学知识点的理解，提高了我发现问题、解决问题的能力，也激起了我继续学习的兴趣。此次设计总的来说是成功的，各项功能均已实现，预期要求已经达到。不满足是向上的车轮。认真思考总结后发现，我的设计还有很多值得改进的地方。首先，设计的灵活性不够。该设计能够处理的信号种类有限，不具有普遍适用性。对于不规