1、精選優質文檔-傾情為你奉上 畢 業 設 計（論 文）題 目 基于LabVIEW的虛擬濾波器設計 姓 名 學 號 所在學院 專業班級 指導教師 日 期 2013 年 5 月 24 日 摘 要電子技術和計算機技術的快速發展促進了硬件軟件化，使基于個人計算機的測控儀器虛擬儀器得到了快速的發展。虛擬儀器利用計算機強大的處理能力，使得其在智能化程度、處理能力和可操作性等方面均具有明顯的技術優勢，其應用范圍也越來越廣泛。LabVIEW是一種基于圖形化編程語言的開發環境，為虛擬儀器設計者提供了一個便捷、輕松的設計環境。本文首先用LabVIEW設計一個信號發生器，信號類型(如正弦波、方波、鋸齒波等）、幅值、相

2、位、頻率等參數均可調，其次，給信號發生器產生的信號加噪（如高斯白噪聲、均勻白噪聲、隨機噪聲等），要求噪聲的幅值和采樣信息等值均可調，然后，用LabVIEW設計一個虛擬數字濾波器要求濾波器的頻帶類型（如低通、高通、帶通、帶阻）、最佳特性逼近方式（巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾等）、階數以及高截止頻率和低截止頻率等參數均可調，將加噪后的波形通過所設計的虛擬濾波器，將它用波形圖顯示出來，最后，將原始信號與濾波后的信號進行傅里葉變換，在頻域顯示幅值和相位。比較加噪后的波形與濾波后的波形，發現噪聲很大程度地濾除。關鍵詞：虛擬儀器；濾波器；LabVIEW AbstractWith the rapid deve

3、lopment of electronic technology and computer technology, the hardware is oriented to software. The control instruments - the virtual instruments based on the personal computer are prompted rapidly. The virtual instruments have obvious advantages in the degree of intelligence, processing power and m

4、aneuverability because of the computers strong processing power. And their application is more wide. LabVIEW is a development environment based on the graphical programming. The convenient and relaxed design environment for virtual instrument designers is provided by using LabVIEW.In this paper, a s

5、ignal generator is designed by using the LabVIEW at first. The signal generators signal type(sine, square, sawtooth, etc.), amplitude, phase, frequency and other parameters can be adjusted. Secondly, a noise(Gaussian white noise, uniform white noiserandom noise, etc.) is added into the signal. The a

6、mplitude of the noise and the type of the noise and sampling the information equivalents can be adjusted. Then a digital filter is designed by using the LabVIEW. The frequency band(low pass, high pass, band pass, band stop, etc.), the best characteristics of approximation way(Butterworth, Chebyshev,

7、 Bessel, etc.), the number of order as well as the frequency of the high cut-off and low cut-off frequencyand other parameters can be adjusted. The wave into which the noise is added is tranferred to the virtual filter and then its displayed in the waveform. Finally, the original signal and the filt

8、ered signal are had the Fourier transform and displayed in the frequency domain concluding amplitude and phase. Comparing the original wave and the wave with the noise, we find that the noise is filtered at a large extent.Keywords: Virtual instrument; Wave filter; Labview 目錄摘 要IAbstractII第一章 緒 論11.1

9、 虛擬儀器的發展趨勢11.2 課題的目的及意義11.3 課題內容2第二章 LabVIEW與虛擬儀器32.1 虛擬儀器技術概述32.1.1 虛擬儀器的定義32.1.2 虛擬儀器的分類32.1.3 虛擬儀器與傳統儀器比較的優勢52.2 虛擬儀器開發平臺72.3 LabVIEW中的基本概念82.4 本章小結9第三章 信號發生器103.1 測試信號的基本類型103.2 測試信號的分析處理103.3 在LabVIEW中設計信號發生器113.4 本章小結13第四章 濾波器 144.1 濾波器的概念 144.2 濾波器的分類144.3 理想濾波器174.4 實際濾波器的主要參數184.5 在LabVIEW中

10、設計濾波器204.6 本章小結22第五章 測試信號的頻域分析與處理235.1 離散時間傅里葉變換及其LabVIEW實現235.1.1 數字信號處理中存在的誤差及其解決辦法235.1.2 DFT的快速計算工具FFT245.1.3 時域分析與頻域分析的功能比較255.2 測試信號頻譜分析及LabVIEW實現255.3 本章小結28第六章 設計實現296.1 設計的基本步驟296.2 在LabVIEW中實現設計總功能33致謝35參考文獻36專心-專注-專業第一章 緒 論1.1 虛擬儀器的發展趨勢虛擬儀器是現代計算機技術和儀器技術深層次結合的產物，是當今計算機輔助測試(CAT)領域的一項重要技術1。虛

11、擬儀器是計算機硬件資源、儀器與測控系統硬件資源和虛擬儀器軟件資源三者的有效結合。測量儀器發展至今，大體經歷了四代發展歷程，即模擬儀器、分立元件式儀器、數字化儀器和智能儀器。由于現代計算機技術和信息技術的迅猛發展，猶如滾滾長江東流水，沖擊著國民經濟的各個領域，也引起了測量儀器和測試技術的巨大變革。人們曾為測量儀器從模擬化、數字化到智能化的進步而欣喜，也為自動測試技術的日新月異的發展所鼓舞，當今虛擬儀器技術的出現又使得測量儀器進步入了高科技的殿堂。 與傳統的儀器不同，虛擬儀器(Virtual Instrument)是基于計算機和標準總線技術的模塊化系統，通常它是由控制模塊、儀器模塊和軟件組成，在虛

12、擬儀器中軟件是至關重要的，儀器的功能都要通過它來實現，因此軟件是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”，從本質上反映了虛擬儀器的特征。 虛擬儀器應用程序的開發環境主要有兩種。一種是基于傳統的文本語言的軟件開發環境，常用的有Lab Windows/CVI、Visual Basic、VC+等。另一種是基于圖形化語言的軟件開發環境，常用的有LabVIEW和Hp Vee。其中圖形化軟件開發系統是用工程人員所熟悉的術語和圖形化符號代替常規的文本語言編程，界面友好，操作簡便，可大大縮短系統開發周期，深受專業人員的青睞。1.2 課題的目的及意義近年來，以計算機為中心、以網絡為核心的網絡化測控技術與網絡化測控系統得

13、到越來越多的應用，尤其是在航空航天等國防科技領域。網絡化的測控系統大體上由兩部分組成：測控終端與傳輸介質，隨著個人計算機的高速發展，測控終端的位置越來越多的被個人計算機所占據，其中，軟件系統是計算機系統的核心，甚至是整個測控系統的靈魂，應用于測控領域的軟件系統稱為監控軟件。傳輸介質組成的通信網絡主要完成數據的通信與采集，這種數據采集系統是整個測控系統的主體，是完成測控任務的主力。因此，這種“監控軟件數據采集系統”構架的測控系統結構在很多領域都得到了廣泛的應用，并形成了一套完整的理論。現階段，在雷達、地震、通訊、控制系統等越來越廣泛的科學技術領域中都對實際所觀察的信號提出了濾波和頻譜分析的要求，

14、然而，從測試現場采集到的信號中包含有對數據處理有用的信號同時也包含各種頻率的噪聲，噪聲的能量有時候甚至會超過信號的能量，因此我們迫切地需要一種軟件，它可以代替硬件完成所需要的功能，提供一種虛擬濾波器，采集的信號通過濾波器，使特定頻率范圍的信號（有用信號）通過，而極大地衰減或抑制其他頻率的信號（一般為噪聲信號），提高信號分析的真實程度，然后才能對信號進行進一步處理。虛擬儀器徹底打破了傳統儀器只能由生產廠家定義，用戶無法改變的局面，以透明的方式把計算機資源和硬件測試能力結合起來，用戶可以靈活地用鼠標或按鍵在計算機顯示屏幕上操作虛擬儀器軟面板的各種“旋鈕”進行測試工作，并可以根據不同的測試要求通過窗

15、口切換不同的虛擬儀器，或通過修改軟件來改變、增減虛擬儀器系統的功能與規模，我們可以通過它輕松地配置、創建、維護、修改各種解決方案，它滿足了用戶多種多樣的需求，同時提高了工作效率、節省了硬件資源。隨著計算機軟硬件技術、通信技術以及網絡技術的飛速發展，為虛擬儀器技術的發展提供了廣闊的前景。在世界范圍內，汽車、通信、航空、半導體、電子設計生產、過程控制和生物醫學等各領域均通過LabVIEW提高了應用開發的效率，其應用涵蓋了從研發、測試、生產到服務的產品開發所有階段2。虛擬數字濾波器的設計在電子測量領域中將會發揮極大的作用。1.3 課題內容1.用LabVIEW設計一個多功能信號發生器，產生正弦波（或者

16、方波、鋸齒波等基本波形），保存并顯示波形。 要求：信號的類型、幅值、頻率、相位和采樣信息均可調。2.對信號加噪后顯示其波形。 要求：噪聲的幅值和采樣信息均可調。3.用Labview設計一個虛擬數字濾波器，將加噪后的信號輸出到濾波器的輸入端，對信號進行濾波，并顯示濾波后的波形。 要求：濾波器的最佳特性逼近方式（巴特沃斯、）、通過的頻帶類型、低截止頻率、高截止頻率、階數等參數均可調。4. 將濾波后的波形與基本波形分別在時域和頻域比較，分析誤差。虛擬儀器系統是不斷革新的計算機技術與儀器技術相結合的產物。它利用目前計算機系統的強大功能，結合專用的硬件，大大突破傳統儀器在數據處理、顯示、傳送、存儲等方面

17、的限制，使用戶可以方便地對其進行維護、擴展和升級。2.1 虛擬儀器技術概述 2.1.1 虛擬儀器的定義一套虛擬儀器系統就是一臺工業標準計算機或工作站配上功能強大的應用軟件、低成本的硬件(例如插入式板卡)及驅動軟件，他們在一起共同完成傳統儀器的功能。以軟件為主的測量系統充分利用了常用臺式計算機和工作平臺的計算、顯示和互聯網等諸多用提高工作效率的強大功能。軟件是在功能強大的硬件基礎上創建虛擬儀器系統的真正關鍵所在。虛擬儀器可使用相同的硬件系統，通過不同的軟件就可以實現功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟件系統是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器，因此可以說“軟件即儀器”。虛擬儀器代表著從傳統硬

18、件為主的測量系統到以軟件為中心的測量系統的根本性轉變。有了虛擬儀器，用戶就可以完全根據自己的需求組建測量和自動化系統，而不用再受功能固定(完全由廠家提供)的傳統儀器的限制。 2.1.2 虛擬儀器的分類虛擬儀器的發展隨著微機的發展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：1. PC總線插卡型虛擬儀器 這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結合（注：美國NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自已組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C+,Visual Basic,Labviews/

19、cvi構成測試系統3，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內部的噪聲電平較高，插槽數目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。 2. 并行口式虛擬儀器 最新發展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發生器、頻率計、數字萬用表、功率計、程控穩壓電源、數據記錄儀、數據采集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬

20、儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業，又可與臺式PC機相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發部門和各種教學實驗室應用。 3. GBIB總線方式的虛擬儀器 GPIB技術是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發展階段。它的出現使電子測量獨立的單臺手工操作向大規模自動測試系統發展，典型的GPIB系統由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達40米。GPIB技術可用計算機實現對儀器的操作和控制，替代傳統的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀

21、器組合起來，形成自動測量系統。GPIB測量系統的結構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應用。4. VXI總線方式虛擬儀器 VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，它具有穩定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優點，很快得到廣泛的應用。經過多年的發展，VXI系統的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規模自動測量系統以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式

22、控制器，造價比較高。5. PXI總線方式虛擬儀器 PXI總線方式是PCI總線內核技術增加了成熟的技術規范和要求形成的，增加了多板同步觸發總線的技術規范和要求形成的，增加了多板發總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統只有34個擴展槽，通過使用PCIPCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。2.1.3 虛擬儀器與傳統儀器比較的優勢 所謂虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺。它可代替傳統的測量儀器。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為

23、一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。從發展史看電子測量儀器經歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器，由于計算機性能以摩爾定律每半年提高一倍飛速發展已把傳統儀器遠遠拋到后面，并給虛擬儀器生產廠家不斷帶來較高的技術更新速率。比起傳統儀器,虛擬儀器有以下優勢： 1. 靈敏性 虛擬儀器概念的提出是針對于傳統儀器而言的，它們之間的最大區別是由虛擬儀器提供的，是完成測量或控制任務所需的所有軟件和硬件設備，而功能是由用戶定義。而傳統儀器則功能固定且由廠商定義，把所有軟件和測量電路封裝在一起利用儀器前

24、面板為用戶提供一組有限的功能。而虛擬儀器則非常靈活，使用高效且功能強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、共享和顯示功能。每一個虛擬儀器系統都由兩部分組成軟件和硬件。對于當前的測量任務。虛擬儀器系統的價格可能與具有相似功能的傳統儀器相差無幾，也可能比它少很多倍。但由于虛擬儀器在測量任務需要改變時具有更大的靈活性，因而隨著時間的流逝，節省的成本也不斷累計。 虛擬儀器的靈活性體現在： 不同的設備實現同一應用 一個測試項目（一個直流（DC）電壓和溫度測量應用）根據不同的應用場合可以采用不同的設備，卻可以采用相同的程序代碼。若是實驗室驗證，就可以應用臺式計算機上PCI總線，使用LabVIEW 和DAQ 設

25、備開發一個應用程序。若要應用于生產線，則可以采用PXI系統上配置應用程序。若是需要具有便攜性，就可以選擇USB 總線的DAQ 產品來完成任務。 一個設備實現不同應用假設有兩個不同的應用，一個是利用DAQ 設備和積分編碼器來測量電機位置的項目，另外一個是監視和記錄這個電機的功率。即使這兩個任務完全不同也可以重復利用同一塊DAQ 設備，所需要做的就是使用虛擬儀器軟件開發出新的應用程序。此外，如果需要的話項目既可以與一個單一的應用程序結合也可以運行在一個單一的DAQ 設備。 2. 兼容性許多工程師和科學家都在實驗室里將虛擬儀器和傳統儀器結合使用。除此之外，一些傳統儀器提供了特定的測量，工程師和科學家

26、寧愿廠商定義也不愿自己定義。這就引出了一個問題：“虛擬儀器和傳統儀器能夠兼容嗎？”虛擬儀器和傳統儀器要并存一段時間，一些測試系統必然要將兩者結合使用，虛擬儀器和傳統儀器之間的兼容性問題成為關注的焦點，虛擬儀器可與傳統儀器完全兼容，無一例外，虛擬儀器軟件通常提供了與常用普通儀器總線，如GPIB、串行總線和以太網相連接的函數庫。除了提供庫之外，200多家儀器廠商也為NI 儀器驅動庫提供了4000余種儀器驅動。儀器驅動提供了一套高層且可讀的函數以及儀器接口。每一個儀器驅動都專為儀器某一特定的模型而設計，從而為它獨特的性能提供接口。 3. 測量方法 對于傳統測量儀器而言，根據測量需求選擇滿足測量功能的

27、儀器型號或通過產品手冊來查詢確定合適的測量儀器購買即可。對于虛擬儀器而言，根據測量需求選擇滿足測量功能的數據采集卡型號（確定總線類型后），自定義測量、分析功能。然后自行設計滿足測量需求的虛擬儀器。當然設計工作也可以委托系統集成商來完成?；谟嬎銠C的數字化測量導致改變了一些傳統的測量模式，這是一個很本質的變化。􀈧4.硬件性能 虛擬儀器的重要概念就是驅使實際虛擬儀器軟件和硬件設備加速的策略。虛擬儀器技術致力于適應或使用諸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx 以及其他公司的高投入技術。例如，使用Microsoft 在操作系統（OS）和開發工具

28、方面的巨大投資。在硬件方面，應用基于Analog Devices 在A/D 轉換器方面的投資。 虛擬儀器系統是基于軟件的，所以只要是可以數字化的東西，就可以對它進行測量。因此，測量硬件可在通過兩根坐標軸進行評估，即分辨率（位）和頻率。虛擬儀器的硬、軟件具有開發性、模塊化、可重復使用及互換性等特點。為提高測試系統的性能，可以方便的加入一個通用儀器模塊或更換一個儀器模塊，而不用購買一個完全新的系統，有利于測試系統的擴展。􀈧5. 簡便性虛擬儀器技術的優勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統，且功能靈活，很容易構建，所以應用面極為廣泛。尤其在科研、開發、測量、檢測、計量、測控等領域更是

29、不可多得的好工具。虛擬儀器技術先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。 它功能強大，可實現示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、 信號發生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統的參數， 如汽車發動機參數、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數等多種數據，它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統設備的使用習慣，用戶不經培訓既可迅速掌握操作規程，它集成方便，不但可以和高速數據采集設備構成自動測量系統，而且可以和控制設備構成自動控制系統。 不使用廠商定義的、預封裝好的軟件和硬件，工程師和科學家獲得了最大的用戶定義的靈活性。傳統儀器把所有軟件和

30、測量電路封裝在一起利用儀器前面板為用戶提供一組有限的功能。而虛擬儀器系統提供的則是完成測量或控制任務所需的所有軟件和硬件設備，功能完全由用戶自定義。此外，利用虛擬儀器計數，工程師和科學家們還可以使用高效且功能強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、共享和顯示功能。 6. 測量輸入信號特性 測量輸入信號特性(如電壓、頻率、上升時間等)只需要一個量化的數據模塊，要測量的信號特性能被數據處理器計算出來，這種將多種測試集于一體的方法縮短了測試的時間，從而提高了測試速度。 在儀器計量系統方面，示波器、頻譜儀、信號發生器、邏輯分析儀、電壓電流表是科研機關、企業研發實驗室、大專院所的必備測量設備。隨著計算機技術

31、在測繪系統的廣泛應用，傳統的儀器設備缺乏相應的計算機接口，因而配合數據采集及數據處理十分困難。而且，傳統儀器體積相對龐大，多種數據測量時常感到捉襟見肘，手足無措。我們常見到硬件工程師的工作臺上堆砌著紛亂的儀器，交錯的線纜和繁多待測器件。然而在集成的虛擬測量系統中，我們見到的是整潔的桌面、條理的操作，不但使測量人員從繁復的儀器堆中解放出來，而且還可實現自動測量、自動記錄、自動數據處理，其方便之極固不必多言，而設備成本的大幅降低卻不可不提。一套完整的實驗測量設備少則幾萬元，多則幾十萬元。在同等的性能條件下，相應的虛擬儀器價格要低二分之一甚至更多。2.2 虛擬儀器開發平臺 從虛擬儀器的概念出發，不難

32、發現，軟件虛擬儀器的開發平臺是虛擬儀器的精髓，而LabVIEW正是一款優秀的虛擬儀器軟件開發平臺。作為美國國家儀器公司推出的虛擬儀器開發平臺，LabVIEW以其直觀、簡便的編程方式4，眾多的源碼級的設備驅動程序，多種多樣的對分析和表達功能的支持，為用戶快捷地構建自己在實際生產中所需要的儀器系統創造了基礎條件。 由于采用了圖形化編程語言G語言，LabVIEW產生的程序是框圖的形式5，易學易用，特別適合硬件工程師、實驗室技術人員、生產線工藝技術人員的學習和使用，可以在很短的時間內掌握并應用到實踐中去。 LabVIEW程序又稱為虛擬儀器 ，它的表現形式和功能類似于實際的儀器，但是LabVIEW程序很

33、容易改變設置和功能。因此，LabVIEW特別適用于實驗室、多品種小批量的生產線等需要經常改變儀器和設備的參數和功能的場合，以及對信號進行分析、研究、傳輸等場合。 2.3 LabVIEW中的基本概念 在LabVIEW開發出的應用程序被稱為VI（Virtual Instrument的英文所寫，即虛擬儀器）。VI是由圖標、連線以及框圖構成的應用程序6,由Front Panel(前面板)和Block Diagram(后面板)兩部分構成。 前面板是應用程序的界面，是人機交互的窗口，主要由Controls(控制量)和Indicators(顯示量)構成7,8。當程序運行時，用戶通過控制量（例如用戶輸入數據的

34、文本框以及一些按鈕、開關等）輸入數據和控制程序運行9，而顯示量（例如顯示波形的示波器控件等）則主要用于顯示程序運行的結果10。如果將一個VI程序比作一臺儀器的話，那么，控制量就是儀器的數據輸入端口和控制開關，用于給程序提供輸入數據和控制信號，而顯示量則是儀器的顯示窗口，用于顯示經過程序分析、處理后的結果11。圖2.1展示了用LabVIEW編寫程序的前面板，其中有一個顯示量和四個控制量。 圖2.1 LabVIEW程序的前面板 這個程序用一個鋸齒波發生器產生信號，信號的相位、頻率、幅值可控制，然后用“示波器窗口”顯示出來。簡單地說，控制量和顯示量構成了一個VI的基本輸入和輸出組件。 圖2.2 La

35、bVIEW的后面板 圖2.2展示了上述程序的后面板，后面板是VI的代碼部分，也是VI的核心，從圖2.2中可以看出VI的后面板主要由圖標、連線和框圖構成，這些圖標、連線和框圖實際上是一些常量、變量、函數、VIs、Express VIs，正是它們構成了VI的主體12。 如果把VI的前面被比作一個儀器的操作面板，用于信號的輸入、結果的顯示以及控制儀器的運行，那么后面板就是儀器中的電路板和電路元件，主要用來進行信號的分析和處理。2.4 本章小結這一章概述了LabVIEW的相關背景知識，介紹了LabVIEW作為一種圖形化編程語言G語言的基本特征及其相對于傳統編程語言的優勢、LabVIEW與虛擬儀器技術的

36、關系，以及LabVIEW在虛擬儀器技術中所擔當的重要角色。 第三章 信號發生器 本章首先簡要介紹測試信號的基本知識，測試信號的基本類型、描述和基本分析處理方法，以及在LabVIEW中設計信號發生器。3.1 測試信號的基本類型 測試信號有兩種最常用的分類方式：根據信號在時域的描述方式分為確定性信號和非確定性信號13,14；按描述信號的數學關系式的自變量（通常是時間）取值是否連續，可將信號分為連續信號和離散信號，但在測試系統設計和測試信號分析處理中，我們討論更多的是模擬信號和數字信號兩種形式，這種分類方式對測試系統中信號的概念的描述更為實用。另外，還有根據信號能量或功率的時間有限性分為能量有限信號

37、和功率有限信號15。3.2 測試信號的分析處理測試技術作為一門學科，不僅要將各種物理量轉換為信號，更要運用數學工具對信號加以分析研究，從中得到一些具有普遍意義的理論，這些理論稱為信號的分析處理，測試信號的分析處理要達到信噪分離和提高信噪比、特征提取與狀態識別、修正系統誤差的目的16,17。 和信號的描述類似，信號的分析處理也主要從時域和頻域兩方面進行18,19。時域分析包括時域波形分析，例如對時域信號波形的時間、幅值、周期和時間相關性等進行分析20，時域處理包括對波形的修正、單個波形或多個波形間的數學運算、信號重新采樣等21,22。頻域分析包括對信號的頻譜分析，對隨機信號的功率譜分析，以及對系

38、統頻率響應的分析和相干函數分析23,24。表3.1列出了測試信號常用的時域分析處理和頻域處理方法 表3.1 測試信號常用時域分析處理和頻域處理時域分析和處理信號特征值求取頻域分析和處理頻譜分析信號運算功率譜分析濾波處理希爾伯特變換相關分析和卷積運算諧波分析信號重組和波形修正聯合時頻分析3.3 在LabVIEW中設計信號發生器Basic Function Generator.vi是LabVIEW中一種最常用的用以產生波形數據的VI，它可以產生四種基本波形：正弦波、方波、三角波和鋸齒波?？梢钥刂扑姆N信號的頻率、幅值、相位等信息。首先，如圖3.1所示，在前面板中，由控件-圖形顯示控件-波形圖，得到一

39、個波形圖，用來顯示信號發生器產生的波形。 圖3.1 前面板控件 然后，如圖3.2所示，由后面板的函數信號處理波形生成，得到一個基本函數發生器用以產生波形，其波形的類型、幅值、頻率均可調，將產生的波形連接到波形圖顯示波形。圖3.2 后面板函數 最后，在前面板中控件中添加兩個個數值輸入控件和一個枚舉類型控件，分別用來輸入幅值、頻率和信號類型。 如圖3.3和3.4所示為設計的信號發生器的前面板和后面板。 圖3.3 信號發生器前面板 圖3.4信號發生器后面板 在該程序中以Basic Function Generator.vi為核心，產生一個頻率、幅值、相位均可調的信號發生器，將信號用波形圖顯示，并使用

40、時序循環使程序能夠循環運行。3.4 本章小結 本章詳細地介紹了信號的類型以及對于信號的分析處理，同時介紹了LabVIEW中產生仿真信號的VI，并對LabVIEW中實現信號分析處理功能的VI進行了歸納，本章是LabVIEW在測試技術和儀器中應用的基礎。 本章首先介紹濾波器的基本概念，再詳細介紹LabVIEW中各類濾波器的應用。 在無線電通信、非電量及微弱信號檢測、電視接收機、自動控制等電路中，所能接收到的信號通常都是很微弱的，且其中還濕雜有無用或有害的信號，這對電路的正常工作將會造成影響。為了消除這種影響，就需要用濾波器，便有用信號頻率能比較順利地通過，而將無用及有害的信號濾掉，或讓它們受到較大

41、的衰減。濾波器可廣義地理解為一個信號選擇系統。它讓某些信號成分通過又阻止或衰減另一些成分。在更多地情況下，被窄義地理解為選頻系統，如低通、高通、帶通、帶阻。頻域與時域均衡器也是一種濾波器，通信系統的傳輸媒介如明線、電纜等從特性看也是濾波器。 濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。同時，在測試VI，也可以利用LabVIEW提供的濾波器VI對信號進行去噪或提取特定頻率信號25。 濾波器技術在測試技術與儀器科學中是很重要的，是測試工程人員的基本功。濾波器分為模擬濾波器和數字濾波器，分別處

42、理模擬信號和數字信號，在測試VI中當然是使用數字濾波器。由于濾波器的分類方法很多，其參數類型也比較多，所以，在LabVIEW中應用數字濾波器VI時參數設置會比較復雜，使用中需要注意的也比較多，要求對濾波器的基本概念有一個比較清晰的理解。4.2 濾波器的分類濾波器如系統一樣可分為三類：模擬濾波器、采樣濾波器和數字濾波器26。 模擬濾波器（AF）可以是由RLC構成的無源濾波器，也可以是加上運放的有源濾波器，它們是連續時間系統。采樣濾波器（SF）由電阻、電容、電荷轉移器件、運放等組成，屬于離散時間系統，其幅度是連續的。開關電容濾波器、電荷耦合濾波器軍屬這類濾波器。 數字濾波器（DF）由加法器、乘法器

43、、存儲延遲單元、時鐘脈沖濾波器及邏輯單元等數字電路構成。它精度高，穩定性好，不存在阻抗匹配問題，可以時分復用，能夠完成一些模擬濾波器完成不了的濾波任務。其缺點是需要抽樣、量化、編碼，以及手時鐘頻率所限，所能處理的信號最高頻率還不夠高。另外，由于有限字長效應會造成域設計值的頻率偏差、量化和運算噪聲及極限環振蕩。1. 根據濾波器的選頻作用分類 ： 低通濾波器 如圖4.1所示， 從0-f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。 高通濾波器 如圖4.2所示，與低通濾波相反，從頻率f1-其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分

44、幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。 帶通濾波器 如圖4.3所示，它的通頻帶在f1-f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減。 帶阻濾波器 如圖4.4所示，與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1-f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。 0 f2 0 f1 圖4.1 低通濾波器 圖4.2 高通濾波器 0 f1 f2 0 f1 f2 圖4.3 帶通濾波器 圖4.4帶阻濾波器低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器，例如，低通濾波器

45、與高通濾波器的串聯為帶通濾波器，低通濾波器與高通濾波器的并聯為帶阻濾波器。2. 根據“最佳逼近特性”標準分類 ： 巴特沃斯濾波器 如圖4.5所示為巴特沃斯濾波器幅頻特性曲線，巴特沃斯濾波器具有最大平坦幅度特性，其幅頻響應表達式為： 圖4.5 巴特沃斯濾波器幅頻特性曲線 切比雪夫濾波器 切比雪夫濾波器也是從幅頻特性方面提出逼近要求的，如圖4.6所示為切比雪夫濾波器幅頻特性曲線，其幅頻響應表達式為： 圖4.6 切比雪夫濾波器幅頻特性曲線是決定通帶波紋大小的系數，波紋的產生是由于實際濾波網絡中含有電抗元件；Tn是第一類切比雪夫多項式。 與巴特沃斯逼近特性相比較，這種特性雖然在通帶內有起伏，但對同樣的

46、n值在進入阻帶以后衰減更陡峭，更接近理想情況。值越小，通帶起伏越小，截止頻率點衰減的分貝值也越小，但進入阻帶后衰減特性變化緩慢。切比雪夫濾波器與巴特沃斯濾波器進行比較，切比雪夫濾波器的通帶有波紋，過渡帶輕陡直，因此，在不允許通帶內有紋波的情況下，巴特沃斯型更可取；從相頻響應來看，巴特沃斯型要優于切比雪夫型，通過上面二圖比較可以看出，前者的相頻響應更接近于直線。 貝塞爾濾波器 只滿足相頻特性而不關心幅頻特性。貝塞爾濾波器又稱最平時延或恒時延濾波器。其相移和頻率成正比，即為一線性關系，如圖4.7所示為貝塞爾濾波器幅頻特性曲線，由于它的幅頻特性欠佳，而往往限制了它的應用。 圖4.7 貝塞爾濾波器幅頻

47、特性曲線4.3 理想濾波器 理想濾波器是指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內的頻率成分都衰減為零的濾波器，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線27。也就是說，理想濾波器在通帶內的幅頻特性應為常數，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應為零。 理想低通濾波器的頻率響應函數為: (4.1) (4.2) 如圖4.8所示，理想濾波器幅頻及相頻特性曲線為： 圖4.8 理想濾波器幅頻特性曲線 分析上式所表示的頻率特性可知，該濾波器在時域內的脈沖響應函數h（t）為sinc函數，圖形如下圖4.9所示。脈沖響應的波形沿橫坐標左、右無限延伸，從圖中可以看出，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t<

48、0時，濾波器就已經有響應了。顯然，這是一種非因果關系，在物理上是不能實現的。這說明在截止頻率處呈現直角銳變的幅頻特性，或者說在頻域內用矩形窗函數描述的理想濾波器是不可能存在的。實際濾波器的頻域圖形不會在某個頻率上完全截止，而會逐漸衰減并延伸到。 圖4.9 理想濾波器在時域內的脈沖響應4.4 實際濾波器的主要參數1.實際濾波器的基本參數 理想濾波器是不存在的，在實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應沒有嚴格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶。在過渡帶內的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。當然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，在設計

49、實際濾波器時，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。 如圖4.10所示為理想帶通（虛線）和實際帶通（實線）濾波器的幅頻特性。 圖4.10 理想帶通（虛線)與實際帶通（實線）幅頻曲線比較 由圖中可見，理想濾波器的特性只需用截止頻率描述，而實際濾波器的特性曲線無明顯的轉折點，兩截止頻率之間的幅頻特性也非常數，故需用更多參數來描述。 (1) 紋波幅度d 在一定頻率范圍內，實際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動幅度d與幅頻特性的平均值A0相比，越小越好，一般應遠小于-3dB。 (2)截止頻率fc幅頻特性值等于0.707A0所對應的頻率稱為濾波器的截止頻率。以A0為參考值，0.707A0對應于-3

50、dB點，即相對于A0衰減3dB。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應的點正好是半功率點。(3)帶寬B和品質因數Q值上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力。在電工學中，通常用Q代表諧振回路的品質因數。在二階振蕩環節中，Q值相當于諧振點的幅值增益系數，Q=1/2(阻尼率)。對于帶通濾波器，通常把中心頻率f0()和帶寬B之比稱為濾波器的品質因數Q。例如一個中心頻率為500Hz的濾波器，若其中-3dB帶寬為10Hz，則稱其Q值為50。Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。(4)倍頻程選擇性W在兩截止頻率外側，實際

51、濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來表征。所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率fc2與2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量 倍頻程衰減量以dB/oct表示（octave，倍頻程）。顯然，衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。對于遠離截止頻率的衰減率也可用10倍頻程衰減數表示之。即dB10oct。 (5)濾波器因數（或矩形系數)濾波器因數是濾波器選擇性的另一種表示方式，它是利用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值來衡

52、量濾波器選擇性，記作，即理想濾波器=1，常用濾波器為1到5，顯然，越接近1，濾波選擇性越好。4.5 在LabVIEW中設計濾波器下面詳細介紹一下在LabVIEW中設計巴特沃斯濾波器。首先，利用第三章介紹的方法設計一個信號發生器，要求其頻率、幅值和信號類型均可調，用一個波形圖顯示產生的波形。其次，在產生的波形上加一個噪聲，如圖4.11所示，由后面板函數信號處理波形生成得到一個均勻白噪聲，噪聲的幅值可調，我們將信號發生器產生的波形與噪聲疊加后用一個波形圖顯示出來。 圖4.11 后面板函數 最后，繼續由圖4.11所示，由函數信號處理波形調理，得到一個數字IIR濾波器（或者FIR濾波器），使加噪后的波

53、形經過濾波器，并將濾波以后得信號用一個波形圖顯示出來，與原信號的波形比較。由圖4.12為一個完整濾波器的程序框圖，圖4.13所示的左邊的圖顯示基本信號，中間的圖顯示加了均勻白噪聲的信號，右邊的圖形是濾波以后得信號，可以發現，將加噪后的信號通過濾波器以后，噪聲得到了很大程度的抑制。 圖4.12 濾波器演示程序的后面板 圖 4.13 濾波器演示程序的前面板4.6 本章小結 濾波器是信號分析處理中非常重要的組成部分，本章非常詳細地介紹了濾波器的種類、實際濾波器的各種參數，同時還介紹了在LabVIEW實現各類濾波器的方法。第五章 測試信號的頻域分析與處理5.1 離散時間傅里葉變換及其LabVIEW實現離散時間傅里葉變換是利用計算機進行數字信號處理的最基本也是最重要的計算。它和連續模擬信號的傅里葉變換和傅里葉級數既有聯系又有區別，深刻理解它們之間的關系有助于更好地利