第8章 分析软件

1、 第第8章章 分析软件分析软件 主要学习内容主要学习内容 n1掌握使用信号发生模块、波形产生模掌握使用信号发生模块、波形产生模块，构建简单的函数信号发生器，建立块，构建简单的函数信号发生器，建立数字化频率的概念；数字化频率的概念；n2学习如何进行频谱分析；学习如何进行频谱分析；n3学习如何应用数字滤波器；学习如何应用数字滤波器；n4熟悉波形测量熟悉波形测量VI，实现常用参数的，实现常用参数的测量；测量；n5熟悉常用的曲线拟合模块及其应用。熟悉常用的曲线拟合模块及其应用。 8.1 8.1 概述概述 n虚拟仪器的组成可概括为三大部分：虚拟仪器的组成可概括为三大部分：n 1.1.信号的获取和采集信号

2、的获取和采集n 2.2.信号的分析与处理信号的分析与处理n 3.3.结果的表达和输出结果的表达和输出其中信号的分析与处理是实现各种虚拟仪其中信号的分析与处理是实现各种虚拟仪器功能的重要组成部分。器功能的重要组成部分。n信号的分析处理主要从信号的分析处理主要从时域时域和和频域频域两个方面来两个方面来进行。进行。时域时域分析分析和处和处理理 信号特征值求取信号特征值求取 频域频域分析分析和处和处理理 频谱分析频谱分析 信号运算信号运算 功率谱分析功率谱分析 滤波处理滤波处理 希尔伯特变换希尔伯特变换 相关分析和卷积运相关分析和卷积运算算谐波分析谐波分析 信号重组和波形修信号重组和波形修正正联合时频

3、分析联合时频分析 表表8-1测试信号常用的时域、频域分析和处理测试信号常用的时域、频域分析和处理 用于测量的虚拟仪器执行的典型测量任务有：用于测量的虚拟仪器执行的典型测量任务有：n计算信号中存在的总的谐波失真；计算信号中存在的总的谐波失真；n决定系统的脉冲响应或传递函数；决定系统的脉冲响应或传递函数；n估计系统的动态响应参数，例如上升时间、超调量等；估计系统的动态响应参数，例如上升时间、超调量等；n计算信号的幅频特性和相频特性；计算信号的幅频特性和相频特性；n估计信号中含有的交流成分和直流成分。估计信号中含有的交流成分和直流成分。 所有这些任务都要求在数据采集的基础上进行信号处理。所有这些任务

4、都要求在数据采集的基础上进行信号处理。 LabVIEW中提供了专门描述它的数据类型波形中提供了专门描述它的数据类型波形（waveform）nLabVIEW中的中的Advanced Analysis软件库具有软件库具有强大的数据处理功能，包括信号的产生、数据强大的数据处理功能，包括信号的产生、数据信号的处理、测量、数据滤波、概率统计、线信号的处理、测量、数据滤波、概率统计、线性代数、曲线拟合、矩阵运算、数值分析等多性代数、曲线拟合、矩阵运算、数值分析等多种软件分析功能。种软件分析功能。n为了方便使用，在为了方便使用，在Functions的首页，专门设置的首页，专门设置了了Signal Analy

5、sis模板的模板的Express VI 。n信号分析子模板包括波形测量、信号调理、信信号分析子模板包括波形测量、信号调理、信号监测、波形发生、信号处理以及数学分析等号监测、波形发生、信号处理以及数学分析等7个子模板。个子模板。子模板名称子模板名称 功能功能 波形测量（波形测量（waveform measurements）子模）子模板板 包括交直流成分分析、振幅测量、谐波畸变分包括交直流成分分析、振幅测量、谐波畸变分析、信号提取、功率谱计算、频率响应等功能。析、信号提取、功率谱计算、频率响应等功能。 波形调理（波形调理（waveform conditioning）子模板）子模板 提供提供FIR滤

6、波器、滤波器、IIR滤波器及归一化窗函数等滤波器及归一化窗函数等。 波形监测（波形监测（waveform monitoring）子模板）子模板 包括边界测量、峰值检测、触发检测等功能。包括边界测量、峰值检测、触发检测等功能。 波形产生（波形产生（waveform generation）子模板）子模板 包括产生正弦波、方波、三角波、锯齿波、白包括产生正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声、高斯噪声、周期随机噪声等多种信号的噪声、高斯噪声、周期随机噪声等多种信号的函数，还可以利用公式产生函数波形。函数，还可以利用公式产生函数波形。 信号处理（信号处理（signal processing）子模板）子模

7、板 包括产生信号函数、时域和频域分析函数、各包括产生信号函数、时域和频域分析函数、各种数字滤波器和窗函数等。种数字滤波器和窗函数等。 数学分析（数学分析（mathematics）子模板）子模板 包括公式节点、参数估计、微积分运算、概率包括公式节点、参数估计、微积分运算、概率与统计、线性代数、曲线拟合、矩阵运算、优与统计、线性代数、曲线拟合、矩阵运算、优化处理等测试分析中常用的数学分析节点。化处理等测试分析中常用的数学分析节点。 逐点分析计算（逐点分析计算（point by point）子模板）子模板 此模板是此模板是7.1版本中增加的新内容，它可以方版本中增加的新内容，它可以方便、有效地处理某

8、一时刻某点的数据。便、有效地处理某一时刻某点的数据。 表表8-28-2 七个子模板的名称及其功能七个子模板的名称及其功能 8.2 8.2 信号的产生信号的产生 n信号产生是测量系统的重要组成部分，信号产生是测量系统的重要组成部分，要评价任意一个网络或系统的特性，必要评价任意一个网络或系统的特性，必须外加一定的测试信号，其性能才能显须外加一定的测试信号，其性能才能显现出来现出来 。n在测量应用中常用的测试信号包括正弦在测量应用中常用的测试信号包括正弦波、三角波、方波、锯齿波、噪声波及波、三角波、方波、锯齿波、噪声波及多频波（由不同频率的正弦波叠加而形多频波（由不同频率的正弦波叠加而形成的波形）等

9、。成的波形）等。 8.2.1 8.2.1 标准频率标准频率n在模拟电路范围，在模拟电路范围，信号频率信号频率定义为单位时间内定义为单位时间内周期现象重复的次数，单位为周期现象重复的次数，单位为Hz（周期数（周期数/秒）秒）;n在数字系统中我们经常使用的是在数字系统中我们经常使用的是数字频率单位数字频率单位，它是模拟频率与采样频率之比，即：它是模拟频率与采样频率之比，即：数字频率数字频率= =模拟频率模拟频率/ /采样频率采样频率; ;n这种数字频率被称为这种数字频率被称为标准频率标准频率，单位是周期数，单位是周期数/采样点数，即一个信号周期内采样点数采样点数，即一个信号周期内采样点数n的倒的倒

10、数（数（1/n）。）。Signal Generation子模板子模板8.2.2 8.2.2 信号产生子模板简介信号产生子模板简介n下面以下面以Sine Wave正弦波节点图标来说明。正弦波节点图标来说明。 Sine Wave.vi的图标的图标 端口端口 说明说明 r e s e t phase默认值为默认值为true。当为。当为true时，函数以时，函数以Phase in的值作为初始相位；当为的值作为初始相位；当为false时，时，函数以上一次调用后的函数以上一次调用后的phase out输出值作为此次波形的初始相位，此时产生输出值作为此次波形的初始相位，此时产生的信号波形是连续光滑的的信号波

11、形是连续光滑的 samples 采样点数，生成波形的总点数，默认为采样点数，生成波形的总点数，默认为128 amplitude生成波形的幅值，默认为生成波形的幅值，默认为1.0 f信号的数字频率，默认为信号的数字频率，默认为1.0/128.0phase in生成波形的初始相位，单位为度，默认为生成波形的初始相位，单位为度，默认为0.0 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当当reset phase为为true时，该参数无效；当时，该参数无效；当reset phase为为false时，该参数作为时，该参数作为下一次生成正弦

12、波的初始相位下一次生成正弦波的初始相位 error 错误代码。若有错误，则输出错误代码。根据错误代码，查找错误代码。若有错误，则输出错误代码。根据错误代码，查找LabVIEW帮助文帮助文件，可以找到与错误代码对应的错误定义件，可以找到与错误代码对应的错误定义 表表8-48-4 Sine Wave.viSine Wave.vi图标端口定义图标端口定义 产生正弦波的前面板设置和框图程序产生正弦波的前面板设置和框图程序 例例8.18.1产生一个指定频率的正弦波。产生一个指定频率的正弦波。n其创建过程应注意：其创建过程应注意： 前面板包含下列控制栏：采样点数、幅值、信号频率、前面板包含下列控制栏：采样

13、点数、幅值、信号频率、初始相位、采样频率。初始相位、采样频率。 在框图程序中，它使用了下面的子程序：在框图程序中，它使用了下面的子程序：Sine Wave.vi子程序（在子程序（在AnalyzeSignal Generation子模板）。在本例中，它的采样频率为子模板）。在本例中，它的采样频率为100Hz，产生有，产生有200个采样点的正弦波。个采样点的正弦波。 注意查看框图，可以看到在连接到注意查看框图，可以看到在连接到Sine Wave.vi程序之程序之前，信号频率已经被采样频率相除。也就是说，前，信号频率已经被采样频率相除。也就是说，Sine Wave需要输入信号的数字频率。需要输入信号

14、的数字频率。n运行此程序，在前面板缺省值的情况下，将出现运行此程序，在前面板缺省值的情况下，将出现5Hz的正的正弦波。弦波。 8.2.3 采样与混频（采样与混频（Aliasing） 著名的著名的奈奎斯特采样理论奈奎斯特采样理论已经说明，最高信号稳已经说明，最高信号稳定频率等于采样频率的一半。定频率等于采样频率的一半。在奈奎斯特频率以下在奈奎斯特频率以下的信号频率可以被正确采样，而高于奈奎斯特频率的信号频率可以被正确采样，而高于奈奎斯特频率的那部分信号则出现频率混叠。的那部分信号则出现频率混叠。 在本例中，采样频率等于在本例中，采样频率等于100Hz100Hz，所以最高信号频，所以最高信号频率为

15、率为50Hz50Hz，如果输入频率大于，如果输入频率大于50Hz50Hz，如本例中的，如本例中的90Hz90Hz，它将会偏差到（，它将会偏差到（n n5050）9090）HzHz，并且要，并且要求偏差大于零，即为（求偏差大于零，即为（1001009090）=10Hz0=10Hz0。也就是。也就是说，采样频率为说，采样频率为100Hz100Hz的数字系统不能区分的数字系统不能区分10Hz10Hz和和90Hz90Hz，20Hz20Hz和和80Hz80Hz，51Hz51Hz和和49Hz49Hz等等。等等。 在前面板把信号频率改为在前面板把信号频率改为90Hz90Hz，再运行例，再运行例8.18.1程

16、序。程序。结果出现的信号频率却等于结果出现的信号频率却等于10Hz10Hz。n在设计数字频谱系统时，必须保证不要让大于在设计数字频谱系统时，必须保证不要让大于1/2采样频率的信号进入系统。一旦进入了，采样频率的信号进入系统。一旦进入了，就没有办法清除它们。就没有办法清除它们。n为了防止偏差出现，一般采用低通滤波器。在为了防止偏差出现，一般采用低通滤波器。在本例中，可以使用抗混频模拟低通滤波器滤除本例中，可以使用抗混频模拟低通滤波器滤除任何大于任何大于50Hz的信号。加了滤波器以后，当的信号。加了滤波器以后，当采样频率为采样频率为100Hz的系统内出现的系统内出现10Hz信号时，信号时，我们就可

17、以肯定它是我们就可以肯定它是10Hz而非而非90Hz。 8.2.4 8.2.4 波形产生子模板简介波形产生子模板简介nLabVIEW中提供了波形函数，在大部分情况下，中提供了波形函数，在大部分情况下，使用信号分析子模板中的前使用信号分析子模板中的前4个子模板，特别是个子模板，特别是“波形测量波形测量”、“波形调理波形调理”和和“波形产生波形产生”就就足够了。足够了。n波形产生子模板中的所有模板不仅输出包含指波形产生子模板中的所有模板不仅输出包含指定波形的数字型数组，而且包含时间参数，这种定波形的数字型数组，而且包含时间参数，这种数据类型在数据类型在LabVIEW中称为波形数据，波形数中称为波形

18、数据，波形数据以簇的形式给出，包括起始时间据以簇的形式给出，包括起始时间t0、采样间隔、采样间隔时间时间dt和一个由采样数据构成的数组。和一个由采样数据构成的数组。n对于一般的数组，可以通过对于一般的数组，可以通过“Build Waveform”Build Waveform”函数节点将其转化为波形数据，函数节点将其转化为波形数据，Build Waveform函数的图标如图。函数的图标如图。 n该节点既可构建一个新的波形数据，也可以对已该节点既可构建一个新的波形数据，也可以对已有的波形数据中任意元素进行编辑。有的波形数据中任意元素进行编辑。 Build Waveform函数的图标函数的图标 n下

19、面以下面以WaveformAnalog Waveform Waveform Generation中的基本函数发生器中的基本函数发生器Basic Function Generator.viBasic Function Generator.vi为例进行说明，为例进行说明，其图标如下图其图标如下图 。Basic Function Generator.vi的图标的图标nBasic Function Generator.viBasic Function Generator.vi功功能是根据设能是根据设定的波形类型及参数建立一个输出波形。定的波形类型及参数建立一个输出波形。n该波形类型有：正弦波、三角波、

20、锯齿波和方该波形类型有：正弦波、三角波、锯齿波和方波。这个波。这个VI会记住产生的前一波形的时间标志，会记住产生的前一波形的时间标志，并且由此点开始使时间标志连续增长。它的输并且由此点开始使时间标志连续增长。它的输入参数有波形类型、样本数、起始相位、波形入参数有波形类型、样本数、起始相位、波形频率（单位：频率（单位：Hz）。各个参数的含义如表）。各个参数的含义如表8-5所示。所示。 参数名称参数名称说明说明 offsetoffset波形的直流偏移量，缺省值为波形的直流偏移量，缺省值为0.00.0。数据类型。数据类型DBLDBLreset signalreset signal将波形相位重置为相位

21、控制值，且将时间标志置为将波形相位重置为相位控制值，且将时间标志置为0 0。缺省值为。缺省值为FALSEFALSE。signal typesignal type产生的波形类型，缺省值为正弦波。产生的波形类型，缺省值为正弦波。frequencyfrequency波形频率（单位波形频率（单位HzHz），缺省值为），缺省值为1010。amplitudeamplitude波形幅值，也称为峰值电压，缺省值为波形幅值，也称为峰值电压，缺省值为1.01.0。phasephase波形的初始相位（单位度）缺省值为波形的初始相位（单位度）缺省值为0.00.0。error inerror in在该在该VIVI运行之

22、前描述错误环境。缺省值为运行之前描述错误环境。缺省值为no error,no error,如果一个错误已经如果一个错误已经发生，该发生，该VIVI在在error outerror out端返回错误代码。该端返回错误代码。该VIVI仅在无错误时正常运行。仅在无错误时正常运行。表表8-5 Basic Function Generator.vi参数说明表参数说明表s a m p l i n g info一个包括采样信息的簇，共有一个包括采样信息的簇，共有Fs和和s两个参数：两个参数：Fs：采样率，单位是样本数：采样率，单位是样本数/s，默认值为，默认值为1000；s：波形的样本数，默认值为波形的样本

23、数，默认值为1000。duty cycle(%) 占空比，对方波信号是反映一个周期内高低电平所占的比例，缺省值为占空比，对方波信号是反映一个周期内高低电平所占的比例，缺省值为50%。signal out 信号输出端。信号输出端。phase out波形的相位，单位为度。波形的相位，单位为度。error out错误信息。如果错误信息。如果error in指示一个错误，那么指示一个错误，那么error out包含同样的错误包含同样的错误信息。否则，它描述该信息。否则，它描述该VIVI引起的错误状态。引起的错误状态。 例例8.2 8.2 使用使用Basic Function Generator.viB

24、asic Function Generator.vi制作制作函数发生器。函数发生器。 函数发生器的前面板设置和框图程序函数发生器的前面板设置和框图程序 8.3 8.3 信号的频域分析信号的频域分析 n傅里叶变换傅里叶变换是信号处理和数据处理中的一个重是信号处理和数据处理中的一个重要的分析工具，其意义在于将时域与频域信号要的分析工具，其意义在于将时域与频域信号联系起来。联系起来。nLabVIEWLabVIEW高级分析程序库中的高级分析程序库中的频域分析子模板频域分析子模板提供了丰富的时域和频域转换函数，包括傅里提供了丰富的时域和频域转换函数，包括傅里叶变换、叶变换、HilbertHilbert变

25、换、变换、HartleyHartley变换、功率谱变换、功率谱分析、谐波分析等。频域分析子模板位于分析、谐波分析等。频域分析子模板位于All All FunctionsFunctions模板下模板下AnalyzeSignal AnalyzeSignal ProcessingFrequency DomainProcessingFrequency Domain子模板。子模板。 频域分析子模板频域分析子模板 8.3.1 FFT8.3.1 FFT变换变换nFFT的输出都是双边的，它同时显示了正负的输出都是双边的，它同时显示了正负频率的信息。通过只使用一半频率的信息。通过只使用一半FFT输出采样输出采样

26、点可转换成单边点可转换成单边FFT。FFT的采样点之间的的采样点之间的频率间隔是频率间隔是fs/N，这里，这里fs是采样频率。是采样频率。 nAnalyze库中有两个可以进行库中有两个可以进行FFT的的VI，分，分别是别是Real FFT VI和和Complex FFT VI 。例例8.3 8.3 双边和单边双边和单边FFTFFT变换变换 双边双边FFT变换的前面板设置和框图程序变换的前面板设置和框图程序 (1) 框图程序中的各函数作用如下：框图程序中的各函数作用如下：n Sine Waveform.vi（位于（位于All FunctionsAnalyzeWaveform Generation

27、）：产生时域正弦波形。）：产生时域正弦波形。n Real FFT.vi（实数快速傅里叶变（实数快速傅里叶变换）：用于计算输入数据的换）：用于计算输入数据的FFT，将时域，将时域信号转换为频域信号。输入为实数数组，信号转换为频域信号。输入为实数数组，输出为复数数组。输出为复数数组。 n A r r a y S i z e 函 数 （函 数 （ A l l FunctionsArray模板）：用于根据采样点模板）：用于根据采样点数数N对对FFT输出的结果进行处理。将输出的结果进行处理。将FFT输出输出除以除以N，可获得正确的频率幅度信息。，可获得正确的频率幅度信息。n C o m p l e x

28、t o P o l a r . v i （ A l l FunctionsNumericComplex子模板）：子模板）：将输入数据从复数坐标系转换到极坐标系。此将输入数据从复数坐标系转换到极坐标系。此例将例将FFT输出分解为实部和虚部（幅值和相输出分解为实部和虚部（幅值和相位），相位的单位是弧度，这里只需显示位），相位的单位是弧度，这里只需显示FFT的幅值。的幅值。 (2) (2) 把该把该VIVI保存为保存为LabVIEWlianxiLabVIEWlianxi中的中的FFT_2sided.viFFT_2sided.vi。n(3) (3) 选择频率（选择频率（HzHz）=5=5，采样率，采样

29、率=100=100，样本数，样本数=100=100。执行该。执行该VIVI，注意这时的时域图和频谱图。因，注意这时的时域图和频谱图。因为采样率为采样率= =样本数样本数=100=100，所以时域图中的正弦波的，所以时域图中的正弦波的周期数与选择的频率相等，即可以显示周期数与选择的频率相等，即可以显示5 5个周期。个周期。（如果把频率改成（如果把频率改成1010，那么就会显示，那么就会显示1010个周期）。个周期）。sffN频率间隔与采样频率和采样点数有关，它们之间的频率间隔与采样频率和采样点数有关，它们之间的关系可表示为：关系可表示为：双边双边 FFTFFT n(4) 检查频谱图可以看到有两个

30、波峰，一个位检查频谱图可以看到有两个波峰，一个位于于10Hz，另一个位于，另一个位于90Hz，90Hz处的波峰实处的波峰实际上是际上是10Hz处的波峰的负值。因为图形同时显处的波峰的负值。因为图形同时显示了正负频率，所以被称为双边示了正负频率，所以被称为双边FFT。n(5) 先后令频率先后令频率=10、20（Hz），执行该），执行该VI。注意每种情况下频谱图中波峰位置的移动。观察注意每种情况下频谱图中波峰位置的移动。观察频率等于频率等于10和和20时的时域波形。注意哪种情况时的时域波形。注意哪种情况下的波形显示更好，并解释原因。下的波形显示更好，并解释原因。n(6) 因为因为fs =100Hz

31、，所有只能采样频率低于，所有只能采样频率低于50Hz的信号（奈奎斯特频率的信号（奈奎斯特频率fs/2）。把频率）。把频率修改为修改为48Hz，可以看到频谱图的波峰位于，可以看到频谱图的波峰位于48Hz。 n(7) 把频率改为把频率改为52HZ，观察这时产生的，观察这时产生的图形与第图形与第5步产生的图形的区别。因为步产生的图形的区别。因为52大于奈奎斯特频率，所以混频偏差等于大于奈奎斯特频率，所以混频偏差等于|10052|=48Hz。n(8) 把频率改成把频率改成30和和70Hz，执行该，执行该VI。观察这两种情况下图形是否相同，并解释观察这两种情况下图形是否相同，并解释原因。原因。 单边单边

32、FFTFFT n(9) 由上面已经知道因为由上面已经知道因为FFT含有正负频率的信含有正负频率的信息，所以息，所以FFT具有重复信息。现在按图具有重复信息。现在按图8-11修改修改程序，把正频分量的幅值乘以程序，把正频分量的幅值乘以2，这样修改之后，这样修改之后只显示一半的只显示一半的FFT采样点（正频率部分），这样采样点（正频率部分），这样的方法叫做单边的方法叫做单边FFT。单边。单边FFT只显示正频部分，只显示正频部分，虽然正频分量的幅值乘以虽然正频分量的幅值乘以2，但直流分量不变。，但直流分量不变。（若程序中考虑含直流分量的情况，应当增加一（若程序中考虑含直流分量的情况，应当增加一个分支

33、或个分支或case结构）。结构）。n(10) 设置频率（设置频率（Hz）=30，采样率，采样率=100，样，样本数本数=100，运行该，运行该VI。 n(12) 保存该保存该VI为为LabVIEWlianxi目录下的目录下的FFT_1sided.vi。n(13) 把频率改为把频率改为70Hz，执行该，执行该VI，观察这时，观察这时产生的图形与第产生的图形与第9步产生的图形的区别步产生的图形的区别 单边单边FFT的框图程序的框图程序 8.3.2 8.3.2 窗函数窗函数 n为了减小或抑制泄漏，测试工程人员常用多种不为了减小或抑制泄漏，测试工程人员常用多种不同形式的窗函数对时域信号进行加权处理。从

34、卷同形式的窗函数对时域信号进行加权处理。从卷积过程可知，窗函数应力求其频谱的主瓣宽度窄、积过程可知，窗函数应力求其频谱的主瓣宽度窄、旁瓣幅度小。窄的主瓣可以抑制原谱峰值的降低，旁瓣幅度小。窄的主瓣可以抑制原谱峰值的降低，提高频率分辨能力；小的旁瓣可以使原零幅值频提高频率分辨能力；小的旁瓣可以使原零幅值频带出现尽量小的非零幅值，减小泄漏带出现尽量小的非零幅值，减小泄漏。n在在LabVIEW中，频谱分析、功率谱分析、频率中，频谱分析、功率谱分析、频率响应函数分析和相关函数分析的参数设置中都需响应函数分析和相关函数分析的参数设置中都需要选择窗函数，而且这些要选择窗函数，而且这些VI中提供了丰富的窗函

35、中提供了丰富的窗函数类型以供选择。在选用和测试数类型以供选择。在选用和测试VI时，其参数设时，其参数设置非常简单。置非常简单。LabVIEWLabVIEW中的窗函数原型中的窗函数原型VIVIWindows子模板子模板n例例8.4 从频率接近的信号中分离出幅值不同从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号。的信号。n本例取自本例取自LabVIEW自带程序，路径为：自带程序，路径为：ExamplesAnalysisWindxmpl.libWindow Comparison.vi。该程序的目的是从频。该程序的目的是从频率相近的信号中分离出幅值不同的信号。率相近的信号中分离出幅值不同的信号。 从频率相近的

36、信号中分离出幅值不同的信号从频率相近的信号中分离出幅值不同的信号 8.3.3 频谱分析频谱分析 在许多应用场合，需要计算信号的频谱，在许多应用场合，需要计算信号的频谱，Advanced Analysis程序库有许多这方面的程序库有许多这方面的功能模块程序。下面的例子讲述使用功能模块程序。下面的例子讲述使用Amplitude and Phase Spectrum VI子程子程序来测量两个频率分量。序来测量两个频率分量。 例例8.58.5计算一个信号的频谱分量。计算一个信号的频谱分量。 计算信号频谱分量的前面板设置和框图程序计算信号频谱分量的前面板设置和框图程序 n参数设置见前面板，参数设置见前面

37、板，输入信号混合了两个正弦波，一个信输入信号混合了两个正弦波，一个信号为号为2Hz，幅值为，幅值为1，初始相位为，初始相位为0；另一个信号为；另一个信号为10Hz，幅值为幅值为2，初始相位为，初始相位为90。两个信号的采样频率都为。两个信号的采样频率都为100Hz，采样点为，采样点为200个。个。n在框图程序中使用了下面的子程序，在框图程序中使用了下面的子程序，Amplitude and Phase Spectrum VI子程序（在子程序（在AnalysisSignal ProcessingFrequency Domain子模板）。在本例中，它子模板）。在本例中，它计算信号的幅度有效值（计算信

38、号的幅度有效值（RMS）。）。n运行程序。频谱图显示两个峰值，一个在运行程序。频谱图显示两个峰值，一个在2Hz，另一个在，另一个在10Hz。2Hz波形电压有效值为波形电压有效值为0.717伏，伏，10Hz波形电压波形电压有效值为有效值为1.414伏，分别对应其峰值伏，分别对应其峰值1伏和伏和2伏。伏。 8.3.4 8.3.4 谐波分析谐波分析当一个单一频率当一个单一频率(比如比如f1)的信号的信号x(t)通过通过一个非线性系统时，系统的输出不仅包含一个非线性系统时，系统的输出不仅包含输入信号的频率（输入信号的频率（f1），而且包含谐波分），而且包含谐波分量（量（f2=2f1,f3=3f1,f4

39、=4f1等等），谐波等等），谐波的数量以及它们对应的幅值大小取决于系的数量以及它们对应的幅值大小取决于系统的非线性程度。统的非线性程度。 n谐波和基波谐波和基波是一个相对的概念，它是一个周期是一个相对的概念，它是一个周期电气量中的正弦波分量，其频率为基波频率的电气量中的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，由于谐波的频率是基波频率的整数倍，整数倍，由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称为高次谐波。对电力系统谐波分析的主也常称为高次谐波。对电力系统谐波分析的主要目的是测量电力系统中高次谐波的分量：包要目的是测量电力系统中高次谐波的分量：包括各次的谐波频率、幅值和相位，谐波相对基括各次的谐波频率

40、、幅值和相位，谐波相对基波的幅值比例（总谐波畸变率波的幅值比例（总谐波畸变率THD），基波相），基波相对噪声（或谐波信号）的均方值比例（即对噪声（或谐波信号）的均方值比例（即SINAD），当然基波的频率和幅值也是谐波），当然基波的频率和幅值也是谐波分析必然要测量的量。分析必然要测量的量。n为了确定系统引入非线性失真的大小，需要得到为了确定系统引入非线性失真的大小，需要得到系统引入的谐波分量幅值和基波幅值的关系。通系统引入的谐波分量幅值和基波幅值的关系。通常用谐波失真来衡量，谐波失真是谐波分量的幅常用谐波失真来衡量，谐波失真是谐波分量的幅值和基波幅值的相对量。假如基波的幅值是值和基波幅值的相对量

41、。假如基波的幅值是A1，而二次谐波的幅值是而二次谐波的幅值是A2，三次谐波的幅值是，三次谐波的幅值是A3，四次谐波的幅值是四次谐波的幅值是A4，N次谐波的幅值是次谐波的幅值是AN，则总的谐波失真，则总的谐波失真THD（Total Harmonic Distortion）为：）为：222231NAAATHDAn在在LabVIEW的的Express VI中，中，Distortion Measurement.vi能够实现对输入信号的谐波能够实现对输入信号的谐波分析，输出分析，输出THD、SINAD。作为。作为Express VI的的Distortion Measurement.vi，比较简单，比较简

42、单地给出了谐波分析必要的计算指标地给出了谐波分析必要的计算指标SINAD、THD等。等。 nLabVIEW中波形测量子模板和频率子模板均中波形测量子模板和频率子模板均提供了用于谐波分析的提供了用于谐波分析的VI。 n下面以波形测量子模板的函数为例，介绍如何下面以波形测量子模板的函数为例，介绍如何对一个系统的输出信号进行谐波失真分析。波对一个系统的输出信号进行谐波失真分析。波形测量子模板中提供的谐波失真分析函数形测量子模板中提供的谐波失真分析函数Harmonic Distortion Analyzer.vi的图标的图标 Harmonic Distortion Analyzer .vi的图标的图标

43、 n该函数对输入信号进行完整的谐波分析，该函数对输入信号进行完整的谐波分析，包括测定基波和谐波，返回基波频率、包括测定基波和谐波，返回基波频率、所有的谐波幅度电平和总的谐波失真度所有的谐波幅度电平和总的谐波失真度（THD）。其部分参数含义如表）。其部分参数含义如表8-6所所示示 参数名称参数名称说明说明 stop search at Nyquist如果参数设置为如果参数设置为TRUE (缺省值缺省值T)，则只包含低于，则只包含低于Nyquist 频率（采样频频率（采样频率的一半）的谐波。如果参数设置为率的一半）的谐波。如果参数设置为FALSE,该该VI将继续搜索将继续搜索Nyquist范范围之

44、外的频率。围之外的频率。 signal in输入信号。输入信号。export signals选择输出到信号指示器的信号。有如下几种选择：选择输出到信号指示器的信号。有如下几种选择： none：快速计算；：快速计算； input signal：将输入信号反映到输出端；：将输入信号反映到输出端；fundamental signal：在输出端：在输出端只反映基波；只反映基波；residual signal：在输出端反映除基波之外的剩余信号：在输出端反映除基波之外的剩余信号 highest harmonic用于谐波分析的最高谐波成分（包括基波）。例如，对于三次谐波分析，用于谐波分析的最高谐波成分（包括

45、基波）。例如，对于三次谐波分析，该参数设置为该参数设置为3，将分析基波、二次谐波和三次谐波。，将分析基波、二次谐波和三次谐波。 error in该该VI运行之前描述错误环境。缺省值为运行之前描述错误环境。缺省值为no error，如果一个错误发生，该，如果一个错误发生，该VI在在error out端返回错误代码。该端返回错误代码。该VI仅在无错误时正常运行。仅在无错误时正常运行。 advanced search控制频域搜索区域，中心频率及频带宽度。该功能用来确定信号的基波。控制频域搜索区域，中心频率及频带宽度。该功能用来确定信号的基波。exported signals由由export sign

46、als指定的输出信号，有时域和频域两种方式。指定的输出信号，有时域和频域两种方式。 表表8-68-6 Harmonic Distortion Analyzer VIHarmonic Distortion Analyzer VI参数说明参数说明 detected fundamental frequency探测在频域搜索得到的基波。用探测在频域搜索得到的基波。用advanced search 设置频率搜索范设置频率搜索范围，所有谐波测量为基波的整数倍。围，所有谐波测量为基波的整数倍。 THD总谐波失真度。为了折算为百分数，需要乘以总谐波失真度。为了折算为百分数，需要乘以100。 component

47、s level谐波幅值的电平（单位为谐波幅值的电平（单位为V），是一个数组。该数组索引包括），是一个数组。该数组索引包括0(DC)，1(基波基波)，2(二次谐波二次谐波)，n(n次谐波次谐波),直到最高谐波成分。直到最高谐波成分。 例例8.6 8.6 谐波分析。谐波分析。 8.4 8.4 数字滤波数字滤波 n数字滤波器是信号处理的重要内容。在某些方数字滤波器是信号处理的重要内容。在某些方面它已经可以取代模拟滤波器，尤其在一些需面它已经可以取代模拟滤波器，尤其在一些需要编程和灵活运用的领域中，例如音频、通讯、要编程和灵活运用的领域中，例如音频、通讯、地球物理和医疗监控技术。与模拟滤波器相比，地球

48、物理和医疗监控技术。与模拟滤波器相比，数字滤波器具有下列优点：数字滤波器具有下列优点：n1可以用软件编程；可以用软件编程；n2稳定性高，可预测；稳定性高，可预测；n3不会因温度、湿度的影响产生误差，不需不会因温度、湿度的影响产生误差，不需 要高精度元件；要高精度元件；n4很高的性价比。很高的性价比。数字滤波器可以分为两大类：数字滤波器可以分为两大类：n一类为无限冲激响应（一类为无限冲激响应（IIRIIR）或者递归数字滤波器）或者递归数字滤波器，即滤波器的冲激响应一直保持；即滤波器的冲激响应一直保持；n另一类为有限冲激响应（另一类为有限冲激响应（FIRFIR）或者非递归数字滤）或者非递归数字滤波

49、器波器，即滤波器的冲激响应在一定时间之后衰减，即滤波器的冲激响应在一定时间之后衰减为为0。冲激响应是否有限（即滤波器是。冲激响应是否有限（即滤波器是IIR还是还是FIR）取决于滤波器输出的计算方法。）取决于滤波器输出的计算方法。n前者有较平坦的幅频特性，而后者可以实现相位前者有较平坦的幅频特性，而后者可以实现相位不失真。前者的设计方法源于传统的模拟滤波器，不失真。前者的设计方法源于传统的模拟滤波器，且使用滤波器时人们主要关心的还是幅频特性，且使用滤波器时人们主要关心的还是幅频特性，因此因此使用使用IIRIIR滤波器较多滤波器较多。 nLabVIEW提供了十多种常用的数字滤波器，使用起来非常提供

50、了十多种常用的数字滤波器，使用起来非常方便，只需输入相应的指标参数（如滤波器的阶数、截止频方便，只需输入相应的指标参数（如滤波器的阶数、截止频率、阻带和通带等）即可。滤波器模板如图。率、阻带和通带等）即可。滤波器模板如图。 n下面是常用的下面是常用的Butterworth滤波器，其图标如滤波器，其图标如下图。下图。Butterworth滤波器图标滤波器图标参数名称参数名称说明说明 f i l t e r f i l t e r typetype按下列值指定滤波器类型按下列值指定滤波器类型0: Lowpass 低通低通; ;1:Highpass 高通高通2:2:Bandpass 带通带通;3:;

51、3:Bandstop 带阻带阻 X需要滤波的信号序列需要滤波的信号序列sampling freq fs产生产生X X序列时的采样频率，必须大于序列时的采样频率，必须大于0 0。缺省值是。缺省值是1.01.0。如果它小于等于。如果它小于等于0 0，则，则输出序列输出序列Filtered XFiltered X为空并返回一个错误。为空并返回一个错误。high high cutoff cutoff freq fhfreq fh 高端截止频率。当滤波器类型为高端截止频率。当滤波器类型为0(lowpass )或或1(highpass )时忽略该参数。时忽略该参数。 low cutoff low cuto

52、ff freq flfreq fl低端截止频率。它必须满足低端截止频率。它必须满足NyquistNyquist准则，即准则，即0fi0.5fs0fi0.5fs，如果该条件不满，如果该条件不满足，则输出序列足，则输出序列Filtered XFiltered X为空并返回一个错误。为空并返回一个错误。fifi的缺省值是的缺省值是0.1250.125。 OrderOrder大于大于0 0，缺省值是，缺省值是2 2 init/continit/cont内部状态的初始化控制。当其为内部状态的初始化控制。当其为FALSE(default),FALSE(default),初态为初态为0 0；当；当init/

53、continit/cont为为TRUE,TRUE,滤波器初态为上一次调用该滤波器初态为上一次调用该VIVI的最后状态。为了对一个大数据量的序的最后状态。为了对一个大数据量的序列进行滤波，可以将其分割为较小的块，设置这个状态为列进行滤波，可以将其分割为较小的块，设置这个状态为FALSE,FALSE,处理第一块处理第一块数据，然后改设置为数据，然后改设置为TRUETRUE继续对其余的数据块滤波。继续对其余的数据块滤波。 Filtered XFiltered X滤波样本的输出数组。滤波样本的输出数组。 表表8-7 Butterworth Filter VI参数说明参数说明表表 例例8.7 8.7 用

54、数字滤波器消除不需要的频率分量。用数字滤波器消除不需要的频率分量。 n输入信号混合了两个正弦波，一个为输入信号混合了两个正弦波，一个为2Hz，另一，另一个为个为10Hz。2Hz的信号幅值为的信号幅值为1伏，伏，10Hz的信号的信号幅值为幅值为2伏。采样频率为伏。采样频率为100Hz，采样点为，采样点为200个。个。这个程序设计了一个低通巴特沃斯滤波器，从输入这个程序设计了一个低通巴特沃斯滤波器，从输入信号中滤除信号中滤除10Hz分量。分量。 用滤波器滤除信号的前面板设置和框图程序用滤波器滤除信号的前面板设置和框图程序 n在主框图程序中，使用了下面的子程序：在主框图程序中，使用了下面的子程序：Butterworth Filter VI子程序（在子程序（在Signal ProcessingFilters子模板）。子模板）。n在本例中，采用巴特沃斯滤波器，指定滤波器在本例中，采用巴特沃斯滤波器，指定滤波器阶数与截止频率，滤除输入正弦波中的高频分阶数与截止频率，滤除输入正弦波中的高频分量，把输出波形显示在屏幕上。运行该程序，量，把输出波形显示在屏幕上。运行该程序，改变滤波器阶数，观察滤波器的效果。改变滤波器阶数，观察滤波器的效果。 8.5 8.5 曲线拟合曲线拟合 n曲线拟合（曲线拟合（Curve Fitting）技术是用于）技术是用于科学、工程、商业、医学和其