第7章分析软件

1、第7讲 7.1 7.1 概述概述 7.2 信号产生 7.3 信号的频域分析 7.4 数字滤波器 7.5 波形测量VIs 7.6 波形监测 7.7 曲线拟合 虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成: : 信号的获取与采集；信号的获取与采集； 信号的分析与处理；信号的分析与处理；（Advanced AnalysisAdvanced Analysis软件软件） 结果的结果的表达表达和显示和显示。 Advanced AnalysisAdvanced Analysis软件软件：信号的产生、数据信号处理、信号的产生、数据信号处理、测量、数据滤波、概率统计、线性代数、曲线拟合、测量、数据滤波、概率统计、线性代数、曲线

2、拟合、矩阵运算、数值分析矩阵运算、数值分析 波形测量波形测量; ; 波形调理波形调理; ; 波形监测波形监测; ; 波形产生波形产生; ; 信号处理信号处理; ; 数学分析数学分析。仿真信号的产生信号的频谱分析波形测量数字滤波波形监测曲线拟合 1. 熟悉并使用仿真信号产生模块,能够构建简单函数信号发生器,建立数字化频率的概念。 2. 学习如何使用Real FFT VI, 对一个信号进行频谱分析。3. 学习如何应用频域分析模块构建简单频谱分析仪。4. 学习如何应用数字滤波器从含有噪声的信号中提取有用信号。5. 熟悉波形测量VI，实现电压、频率、谐波失真、脉冲参数等常用参数的测量。6. 熟悉常用的

3、曲线拟合模块及其应用，并能够设计曲线拟合仪。7.2.1 7.2.1 数字信号的产生与数字化频率概念数字信号的产生与数字化频率概念 正弦波信号：正弦波信号： u (t) u (t) = = Asin(Asin(t+t+0 0) ) TT为采样间隔为采样间隔，T T为信号周期为信号周期，设一个周期内的采样点数为设一个周期内的采样点数为 n n ，则则 T = n T T = n T 采样频率采样频率： fsfs = 1/T= 1/T f fx x = 1/T= 1/Tx x = 1/ (n T) = f = 1/ (n T) = fS S / / n n u(iT) = Asin(2i/n + u

4、(iT) = Asin(2i/n +0 0 ) ) 设设 f = ff = fx x / f / fS S = 1/n = 1/n u(i)= Asin(360u(i)= Asin(3600 0f fi +i +0 0 ) ) 数字化频率数字化频率(f) : (f) : f = f = 模拟频率模拟频率/ /采样频率采样频率 使用数字频率控制的使用数字频率控制的VI: VI: 正弦波、正弦波、三角波三角波、方波方波、锯锯齿波齿波、任意波形及线性扫频波任意波形及线性扫频波。 1 1。Sine Wave( Sine Wave( 正弦波正弦波 ) ) 节点及使用节点及使用 samples : sam

5、ples : 生成波形的总点数生成波形的总点数 n n （默认值为（默认值为128128）。）。Amplitude: Amplitude: 生成波形的幅值（默认值为生成波形的幅值（默认值为1.01.0）。）。 f: f: 信号的数字频率（默认值为信号的数字频率（默认值为1.0/128.01.0/128.0）。）。 phase in : phase in : 生成波形的初始相位，单位为度（默认值为生成波形的初始相位，单位为度（默认值为0.00.0） reset phase: reset phase: 默认值为默认值为truetrue。当为当为 True True 时时, , 函数以函数以 pha

6、se in phase in 的值的值 作为初始相位。如果该值为作为初始相位。如果该值为 False, False, 函数以上一次调用后函数以上一次调用后 的的 phase out phase out 输出值为此次波形的初始相位输出值为此次波形的初始相位, , 此时产的此时产的 信号波形是连续光滑的。信号波形是连续光滑的。 Sine Wave: Sine Wave: 数组名。该数组内存放所生成的波形数据。数组名。该数组内存放所生成的波形数据。 phase out: phase out: 当当 resetreset phase phase 为为 T Truerue 时时, , 该参数无效该参数无

7、效；当当 reset reset phase phase 为为 False False 时时 , , 该参数作为下一次生成正弦波的初始相位。该参数作为下一次生成正弦波的初始相位。 error: error: 错误代码。若有错误错误代码。若有错误, , 则输出错误代码则输出错误代码例例7.2.1 7.2.1 产生一个指定频率的正弦波。产生一个指定频率的正弦波。 前面板 ：框图程序：目的目的: : 调节调节信号信号频率、采样频率、采样频率、采样频率、采样点点数数，观察观察这些参数的变这些参数的变化对显示化对显示正弦波结果正弦波结果的影响，进一步认识关于数字化的影响，进一步认识关于数字化频率频率的意

8、义的意义。 数字频率单位（数字频率单位（HzHz） = fx/fs = = fx/fs = 周期数周期数/s /s 采样点数采样点数/s/s 数字频率单位数字频率单位 (T)(T) = = 周期数周期数/ /采样点数采样点数 ( (信号信号f f与与fsfs无无关关 ) ) 波形产生模块的特点波形产生模块的特点 （波形数据：波形数据以簇的形（波形数据：波形数据以簇的形式给出式给出 ） 起始时间起始时间t t0 0、 采样时间间隔采样时间间隔 dt dt 指定波形数组指定波形数组 1.Basic Function Generator VI 节点：产生正弦波、三角波、方波、锯齿波 offset：是

9、信号的直流偏置 （默认值为0.0）。reset signal：该端口为布尔值。signal type: 波形产生类型，默认值为正弦波。frequency：生成波形频率，单位为Hz（默认值：10）。amplitude：生成波形的幅度，指峰值（默认值：1）。phase：生成波形的初始相位，单位度（默认值：0）。sampling info：包含 Fs 和 #s 采样信息的控制簇，其中Fs是采样频率（采样点数/s, 默认值：1000，#s 是波形采样点数(默认值：1000)。Duty cycle: 方波占空比（默认值：50%）。 signal out: 波形数据输出端，数据类型为簇，包括指定信号的一维

10、采样数据数组及起始时间 t0 和采样时间间隔 dt 三项簇成员，其中 dt 取决于采样频率。Phase out : 波形相位，单位为度前面板前面板 框图程序框图程序7.3.1 7.3.1 快速傅里叶变换快速傅里叶变换FFTFFT 1. 1.什么是什么是FFTFFT？( (实数，复数实数，复数) ) 2. 2.如何使用如何使用 Real FFT VIReal FFT VI？ 频域子模板频域子模板TNf*1Nffs从从FFTFFT计算结果中提取：计算结果中提取：从从0 0 fs /2 的正频率信息。的正频率信息。 例例7.3.37.3.3使用使用Amplitude and Phase Spectr

11、um VIAmplitude and Phase Spectrum VI计算一个信号计算一个信号的频谱分量。的频谱分量。 1 1。什么是谐波失真？。什么是谐波失真？ 2 2。谐波失真定义：。谐波失真定义： 3。如何对一个信号的谐波失真进行分析？。如何对一个信号的谐波失真进行分析？ Harmonic Analyzer VI 节点简介节点简介非线性系统f1f1,2f1,3f1.)()(.)()(100%112323222fAfAfAfATHDnny(t) = x(t)+0.001xy(t) = x(t)+0.001x2 2(t)+0.002x(t)+0.002x3 3(t)(t) 第八讲 1 1。

12、作用：提取所需的信号，抑制不需要的干扰信号。作用：提取所需的信号，抑制不需要的干扰信号 2 2。分类：低通、高通、带通、带阻。分类：低通、高通、带通、带阻理想滤波器理想滤波器 实际滤波器实际滤波器 ：过渡带宽过渡带宽 ，通带纹波和阻带衰减通带纹波和阻带衰减 数字滤波器设计数字滤波器设计 ：FIRFIR（有限脉冲响应）（有限脉冲响应） IIRIIR（无限脉冲响应）（无限脉冲响应） 滤波器子模板滤波器子模板 （13）使用：只需输入参数使用：只需输入参数 滤波器的阶数、截止频率、阻带和通带滤波器的阶数、截止频率、阻带和通带 目的：用数字滤波器从含有高频噪声的采样数据中提取正弦信号。目的：用数字滤波器

13、从含有高频噪声的采样数据中提取正弦信号。 此例输入信号为一正弦波，并加入一个白噪声以模拟信号传输中此例输入信号为一正弦波，并加入一个白噪声以模拟信号传输中的随机干扰信号，在程序中设计了一个低通的随机干扰信号，在程序中设计了一个低通巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器，以滤除信号中的噪声分量，提取以滤除信号中的噪声分量，提取10Hz10Hz正弦信号。正弦信号。波形测量子模板波形测量子模板 目的：目的： 应用应用 Basic Averaged DC-RMS Basic Averaged DC-RMS 节点分别从输入信号提取节点分别从输入信号提取交、直流电压成分，以构成数字电压表。对叠加有直流成分的交、直流

14、电压成分，以构成数字电压表。对叠加有直流成分的合成电压具有隔直作用，可实现交流电压有效值和直流电压的合成电压具有隔直作用，可实现交流电压有效值和直流电压的检测。检测。 1 1。Extract Single Tone Information Extract Single Tone Information 节点图标节点图标 该节点功能该节点功能： 可提取振幅最大的谐波信号信息，可用于检测信号基频的可提取振幅最大的谐波信号信息，可用于检测信号基频的频率、幅度和相位，并可由频率、幅度和相位，并可由 advanced search advanced search 控制端口指定控制端口指定搜索频段。搜索频

15、段。 波形监测子模板波形监测子模板7.7.1 7.7.1 概述概述 相关物理量近似函数表达式描述相关物理量近似函数表达式描述 y = f(x,a,b,y = f(x,a,b,) )曲线拟合的目的曲线拟合的目的：是找出一系列：是找出一系列参数的最佳估值参数的最佳估值，通过这些最佳，通过这些最佳参数，可使拟合曲线与实际数据之间的误差为最小。参数，可使拟合曲线与实际数据之间的误差为最小。 曲线拟合的曲线拟合的算法算法称为最小平方法。误差被定义为：称为最小平方法。误差被定义为： e(a)=f(x,a)-y(x)e(a)=f(x,a)-y(x)2 2 令令 a=aa=a0 0 ,a1,a1 y(x)y(

16、x)是实测数据，是实测数据，f(x,a)f(x,a)是由一组实验数据估计出来的是由一组实验数据估计出来的回归方程式，回归方程式，a a 是使误差平方和为最小的最佳系数或参数。是使误差平方和为最小的最佳系数或参数。 离散系统离散系统 ： f f表示拟合数据，表示拟合数据，y y表示实测数据，表示实测数据，n n表示采样点数表示采样点数。210)(1iniyfnMSEi * 线性拟合 把实验数据拟合为y=mx+c直线形式： yi=a0+a1*xi* 指数拟合 把数据拟合为y = a exp(bx)指数曲线: yi= a0*exp(a1*Xi)* 多项式拟合 把数据拟合为y=a+bx+cx2+多项式

17、曲线： yi= a0 + a1*Xi+a2*xi2* 通用线性拟合 将数据拟合为下述形式： yi= a0+ a1*f1(Xi)+ a2*f2(Xi) * 非线性 LevMar 拟合 将数据拟合为 yi=f(Xi, a0, a1, a2)消除测量噪声消除测量噪声填充丢失数据点填充丢失数据点插值（估计采样数据点之间的数据，例如，若两次测量采样插值（估计采样数据点之间的数据，例如，若两次测量采样间隔不是足够小时）间隔不是足够小时）推断（估计数据点之外的数据，例如对测量前后的数据估计）推断（估计数据点之外的数据，例如对测量前后的数据估计）获取某个基于离散测量的物体的速度（一阶导数）和加速度获取某个基于

18、离散测量的物体的速度（一阶导数）和加速度（二阶导数）的轨迹。（二阶导数）的轨迹。1. Linear fit1. Linear fit（线性拟合）（线性拟合）VIVI 2 2Exponential fit Exponential fit （指数拟合）（指数拟合）VIVI3 3General polynomial fitGeneral polynomial fit（通用多项式拟合）（通用多项式拟合）VIVI 曲线拟合子模板曲线拟合子模板 例例 7.5.1 7.5.1 对给定实验数据进行线性拟合。对给定实验数据进行线性拟合。 yi=ayi=a0 0+a+a1 1* *ti+ati+a2 2* *ti

19、2ti2，设计目的：设计目的： 设计一台实用的曲线拟合仪，由用户选择实设计一台实用的曲线拟合仪，由用户选择实验数据的输入方式。对已给定的实验数据，用验数据的输入方式。对已给定的实验数据，用户可方便的选用线性、指数、多项式中曲线户可方便的选用线性、指数、多项式中曲线拟合方式，并直观地给出各种拟合方式的拟合拟合方式，并直观地给出各种拟合方式的拟合结果结果, ,此此VIVI还具有保存实验数据的功能还具有保存实验数据的功能。 1. 1. 数字频率数字频率 = = 模拟频率模拟频率/ /采样频率。采样频率。 2. LabVIEW2. LabVIEW在波形产生子模板提供了许多仿真信号产在波形产生子模板提供

20、了许多仿真信号产 生模块，这些模型为包含起始时间生模块，这些模型为包含起始时间t t0 0、采样时间间、采样时间间 隔隔 dt dt 和波形数组的簇。和波形数组的簇。 3. LabVIEW 3. LabVIEW 的高级软件分析库为信号与系统分析提供的高级软件分析库为信号与系统分析提供 了丰富的模块，可对信号进行各了丰富的模块，可对信号进行各时域频域的分析。时域频域的分析。 4. 4. FFTFFT是一种快速离散傅立叶变换（是一种快速离散傅立叶变换（DFTDFT）的算法，利）的算法，利 用用FFTFFT模块可将采样信号由时域模块可将采样信号由时域变换到频域，获得变换到频域，获得 信号的各个频率分

21、量。信号的各个频率分量。 5. 5. LabVIEWLabVIEW在频域子模板提供了多种用于信号谱分析在频域子模板提供了多种用于信号谱分析 的模块及谐波分析模块，可对信的模块及谐波分析模块，可对信号进行各种谱分析号进行各种谱分析 及谐波分析。及谐波分析。6. 6. 数字滤波器的一个重要作用是滤除无用信号，只让数字滤波器的一个重要作用是滤除无用信号，只让 特定频段的信号通过。在滤波器特定频段的信号通过。在滤波器子模板提供了各种子模板提供了各种 滤波器模块。这些滤波器的参数（滤波器的阶数、滤波器模块。这些滤波器的参数（滤波器的阶数、 截止频率、阻带、通带、脉动量及阻带衰减）都可截止频率、阻带、通带、脉动量及阻带衰减）都可 方便的进行控制。方便的进行控制。 7. 7. LabVIEWLabVIEW的波形测量子模板和波形监测子模板提供的波形测量子模板和波形监测子模板提供 了许多用