基于labview的虛擬濾波器的設(shè)計(jì)

1、題目：基于labview虛擬濾波器的一種設(shè)計(jì)方案探討 Design and implementation of virtual oscilloscope based onlabview摘要：由于大量變頻器、整流器和電弧爐等非線性負(fù)荷的接入，電網(wǎng)中諧波污染情況日益嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)諧波含量進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量是分析和控制電網(wǎng)諧波含量的依據(jù)。虛擬儀器技術(shù)在電力系統(tǒng)中具有極其廣闊的應(yīng)用前景，其在數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)通信等方面的巨大優(yōu)勢(shì)為監(jiān)測(cè)工作注入了新的活力，它代表著目前測(cè)試儀器領(lǐng)域的發(fā)展方向。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的各項(xiàng)功能，LabVIEW是一種功能強(qiáng)大的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它將高速

2、發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)試技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，為儀器的發(fā)展提供了一條嶄新的道路。虛擬示波器因具有波形觸發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、測(cè)量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其使用日益普及。由于虛擬示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，從而影響測(cè)試任務(wù)。本文介紹了虛擬儀器的基本框架和總體設(shè)計(jì)思想。在此基礎(chǔ)上，提出了了基于PC聲卡的虛擬示波器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。文中重點(diǎn)講解了該簡(jiǎn)易虛擬示波器各模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集和處理、觸發(fā)控制、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析、波形存儲(chǔ)以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等模塊，并給出了具體的設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。論文最后對(duì)虛擬示波器進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試

3、和性能分析，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。 Due to the large number of frequency converter, rectifier and arc furnace nonlinear load of access, power grid harmonic pollution is increasingly serious, to accurately measure the power grid harmonic content is the basis of analysis and control of power grid harmonic content. Virt

4、ual instrument technology has very broad application prospects in power system, the data acquisition, signal processing, a huge advantage in aspects of network communication for monitoring injected new vitality, and it represents the development direction in the field of testing instruments. The ess

5、ence of virtual instrument is using computer to simulate the functions of traditional computer, virtual instrument LabVIEW is a powerful development platform, it will be high speed development of computer technology, electronic technology, communication technology and testing technology organically,

6、 to the development of instrument provides a new path.This thesis introduces the basic framework and design ideas of virtual machines. On this basis, present a virtual oscilloscope-based PC sound card in the system design. The article focuses on the simple virtual oscilloscope modules of the detaile

7、d design, including data collection and processing, trigger control, waveform display, measuring parameters, spectrum analysis, waveform storage and coordinates conversion modules, and given specific design methodology and experimental results. Finally this paper tests system and analyses performanc

8、e to the virtual oscilloscope, meet pre-design requirements. 關(guān)鍵詞：t,f,0.1,虛擬示波器；數(shù)據(jù)采集；測(cè)量誤差； LabVIEW; Virtual instrument; Design of Virtual Oscilloscope；技術(shù)背景：一 虛擬儀器的技術(shù)構(gòu)成概述 虛擬儀器技術(shù)（NI）就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。這也正是NI近30年來(lái)始

9、終引領(lǐng)測(cè)試測(cè)量行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的原因所在。只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，基于傅里葉變換的諧波測(cè)量是當(dāng)今應(yīng)用最多也是最廣泛的一種方法，它的核心理論是建立在傅里葉變換的基礎(chǔ)上。根據(jù)傅里葉變換理論，將模擬信號(hào)采信變成離散化數(shù)字序列信號(hào)后，輸入微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算得到基波和頻率為基波頻率整數(shù)倍的多次諧波的幅值和相位。使用此方法測(cè)量諧波精度較高功能較多使用方便。本文采用LabVIEW虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。以在很短的時(shí)間里設(shè)計(jì)、構(gòu)建和修改自己的

10、虛擬儀器系統(tǒng)。論文介紹了虛擬儀器的特點(diǎn)和功能， 課題中承擔(dān)虛擬示波器研究與設(shè)計(jì)工作,主要包括用LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)編寫(xiě)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的所有虛擬儀器控制面板程序、設(shè)計(jì)高性能的數(shù)據(jù)采集卡中模數(shù)轉(zhuǎn)換及相關(guān)電路以及LabVIEW面板程序與計(jì)算機(jī)EPP并口之間的數(shù)據(jù)通信。 本論文涉及虛擬示波器開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)和主要方法,為研究和開(kāi)發(fā)虛擬儀器提供了一種可行的方法。虛擬儀器的出現(xiàn)是測(cè)控領(lǐng)域的一次技術(shù)革命,它借助于計(jì)算機(jī)的軟硬件平臺(tái)，配以特殊設(shè)計(jì)的硬件和專(zhuān)用軟件,形成既具有普通儀器的基本功能,又有自己特殊功能的新型儀器。二 示波器功能概述示波器是生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中應(yīng)用十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。目前常用的模擬

11、示波器，外型笨重，功能單一；數(shù)字示波器雖然有一定的功能擴(kuò)展，但價(jià)格昂貴，維護(hù)升級(jí)成本高，短時(shí)間內(nèi)難以普及應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)，出現(xiàn)了一種基于計(jì)算機(jī)和軟件的新型儀器虛擬儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，功能由用戶定義和設(shè)計(jì)，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的關(guān)鍵是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能，實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”。本文應(yīng)用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)Labview開(kāi)發(fā)了一種多功能虛擬示波器，不僅擴(kuò)展了示波器的分析和計(jì)算能力，而且降低了儀器的價(jià)格，增強(qiáng)了儀器的通用性，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、存儲(chǔ)、打印和讀取以及多個(gè)測(cè)量參數(shù)自動(dòng)顯示、相位差自動(dòng)計(jì)算等功能。三 虛擬示波器系統(tǒng)硬件

12、設(shè)計(jì)虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)完成被測(cè)信號(hào)調(diào)理與信號(hào)采集，即獲取被測(cè)信號(hào)。目前較常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PC-DAQ系統(tǒng)）、GPIB儀器測(cè)試系統(tǒng)、VXI儀器測(cè)試系統(tǒng)。3.1儀器的結(jié)構(gòu)框圖多功能虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。儀器由調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)等部分組成。調(diào)理電路將被測(cè)信號(hào)調(diào)理成-55V輸入信號(hào)，送數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)分析、計(jì)算、輸出處理，顯示、打印、保存觀測(cè)結(jié)果。 3.2數(shù)據(jù)采集卡 多功能虛擬示波器采用美國(guó)國(guó)家儀器公司（NATIONAL INSTRUMENTS，簡(jiǎn)稱(chēng)NI）的數(shù)據(jù)采集卡PCI6024E，它支持

13、DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)。這種數(shù)據(jù)采集卡支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，采樣速率可達(dá)200kb/s，信號(hào)輸入范圍分別為55V和-10V10V。提供16路單端8路差動(dòng)模擬輸入通道、2路獨(dú)立的DA輸出通道、8位24線的TTL型數(shù)字IO、2個(gè)24位20MHz的定時(shí)計(jì)數(shù)器，4個(gè)模擬輸入范圍等多種功能。該數(shù)據(jù)采集卡支持的操作系統(tǒng)有：Windows 2000/NT/XP/Me/9x、Linux等。使用的軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI等。這些功能使得用戶不僅可以用該卡設(shè)計(jì)示波器，還可以使用該卡設(shè)計(jì)數(shù)字萬(wàn)用表、波形發(fā)生器、邏輯分析儀等，做到一卡多用，為系統(tǒng)的

14、后續(xù)擴(kuò)充保留余地。 3.3多功能虛擬示波器功能設(shè)計(jì)多功能虛擬示波器的設(shè)計(jì)參考了傳統(tǒng)示波器的功能，并結(jié)合虛擬儀器的特點(diǎn)與計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力，在功能上進(jìn)行了擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、存儲(chǔ)、打印和時(shí)域、頻域參數(shù)自動(dòng)測(cè)量、顯示、查詢以及相位差的自動(dòng)計(jì)算功能。多功能虛擬示波器的主要技術(shù)指標(biāo)：采樣速率：200kbs采樣位數(shù)：12bits波形顯示模式：雙通道X-Y mode定位標(biāo)尺：兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：硬盤(pán)或軟盤(pán)3.4虛擬示波器的界面實(shí)現(xiàn)圖是虛擬示波器的主界面：上半部分是波形顯示部分，用于顯示采集的波形，下半部分是對(duì)波形的頻譜分析。 示波器主界面的實(shí)現(xiàn)四 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)4.1虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具LABWIE

15、W軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域中最具有代表性的圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是目前國(guó)際上首推并應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開(kāi)發(fā)環(huán)境之一。LabVIEW是一個(gè)完全的、開(kāi)放式的虛擬儀器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，利用它組建儀器測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以大大簡(jiǎn)化程序的設(shè)計(jì)。LabVIEW與傳統(tǒng)的基于文本語(yǔ)言的編程語(yǔ)言不同，它用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼，包含有專(zhuān)門(mén)用于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的函數(shù)庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)。在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上利用函數(shù)庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)產(chǎn)生一個(gè)前面板（Front Panel）,在后臺(tái)則是利用圖形化的編程語(yǔ)言編制用于控制前面板的框圖程序，程序的前面板具有與傳統(tǒng)儀器相類(lèi)似的界面，可接受用戶的鼠

16、標(biāo)和鍵盤(pán)指令。LabVIEW是帶有可擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)和子程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它提供了用于GPIB設(shè)備控制、VXI 總線控制、串行口設(shè)備控制以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲(chǔ)的應(yīng)用程序模塊。我們研制的諧波測(cè)試分析系統(tǒng)軟件部分主要完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、顯示和諧波分析等功能。在軟件的具體實(shí)現(xiàn)時(shí)分為以下幾大模塊來(lái)處理。 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)采用的NI公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具LabVIEW。LabVIEW是根據(jù)G編程語(yǔ)言,為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與顯示而設(shè)計(jì)的一種圖形編程開(kāi)發(fā)環(huán)境。它用圖標(biāo)代碼代替編程語(yǔ)言創(chuàng)建應(yīng)用程序，用數(shù)據(jù)流編程方法描述程序的執(zhí)行，用圖標(biāo)和連線代替文本的形式編寫(xiě)程序，為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了便捷輕

17、松的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)者利用它可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)以及構(gòu)造自己的儀器面板，而無(wú)需進(jìn)行任何煩瑣的程序代碼編寫(xiě)。 使用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制的虛擬儀器程序VI包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，生成模仿傳統(tǒng)儀器的控制面板1。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě)，類(lèi)似傳統(tǒng)程序的源代碼。圖標(biāo)/連接器是子程序SubVI被其它VI調(diào)用的接口。LabVIEW采用的是自上向下的模塊化編程方法，所生成的各個(gè)子程序有利于主程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2。這種設(shè)計(jì)方法可大大減小虛擬儀器開(kāi)發(fā)的難度，利于儀器開(kāi)發(fā)人員之

18、間的分工協(xié)作。4.2多功能虛擬示波器的軟件結(jié)構(gòu)多功能虛擬示波器主要由軟件來(lái)完成信號(hào)的采集、處理和輸出。系統(tǒng)軟件包括前面板生成、數(shù)據(jù)采 集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、相位差計(jì)算、打印、記錄等模塊。主程序結(jié)構(gòu)框圖如圖所示 圖一 4.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) NI公司提供了完善的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置軟件Measurement & Automation，用于連接數(shù)據(jù)采集卡硬件和計(jì)算機(jī)軟件3。虛擬示波器采用了工具DAQ節(jié)點(diǎn)（Utility Vis）。在Data Acquisition子模板中選Analog Input中的Analog Input Utilities->AI Waveform Sca

19、n.vi節(jié)點(diǎn)4，能夠滿足虛擬示波器對(duì)數(shù)據(jù)采集和顯示結(jié)果控制方面的眾多要求。該數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置設(shè)備號(hào)、通道、掃描次數(shù)、采樣點(diǎn)、掃描速率；在觸發(fā)方面，它有強(qiáng)大的設(shè)置功能：5種觸發(fā)方式、2個(gè)觸發(fā)源可選；可輸出所采集數(shù)據(jù)的掃描周期。數(shù)據(jù)采集模塊框圖程序如圖所示。 圖二4.4采集來(lái)的信號(hào)波形實(shí)時(shí)顯示部分。 圖三波形實(shí)時(shí)顯示界面軟面板是實(shí)時(shí)波形顯示窗口，可以顯示實(shí)時(shí)采樣波形。如果想讓繪制的圖形自動(dòng)適應(yīng)變化的坐標(biāo)比例，可以單擊每個(gè)按鈕左邊的鎖定開(kāi)關(guān)，使其自動(dòng)鎖定。第二列的兩個(gè)是設(shè)置X、Y軸刻度值數(shù)字表示方式的快捷方式，單擊后可以對(duì)精度等特性進(jìn)行設(shè)置。第三列的第一個(gè)是波形縮放工具，當(dāng)用賦值工具單擊它時(shí)，可

20、彈出波形縮放方式的選擇項(xiàng)，如圖所示：各功能如下：第一個(gè)按鈕是矩形縮放。橫著第二個(gè)是水平縮放按鈕：波形只在水平方向上被放大，垂直方向上保持不變。第三個(gè)是垂直縮放按鈕：波形只在垂直方向上被放大，水平方向上保持不變。第二行第一個(gè)是取消縮放：取消最近的一次縮放操作。接下來(lái)的兩個(gè)是連續(xù)縮放按鈕。選中該項(xiàng)后，在顯示區(qū)內(nèi)按住鼠標(biāo)左鍵，波形將以鼠標(biāo)指針停留位置為中心進(jìn)行連續(xù)縮放。 圖四 實(shí)時(shí)波形的框圖程序該虛擬示波器是單通道虛擬示波器，要想設(shè)計(jì)多通道的示波器，只需在這個(gè)基礎(chǔ)上，在面板上加上幾個(gè)屏幕顯示控件，框圖程序類(lèi)似上圖即可。當(dāng)需要把信號(hào)進(jìn)行其他的處理時(shí)，我們可以選擇labview自帶的信號(hào)處理部件，也可以

21、把編好的C程序或是matlab程序加入到系統(tǒng)中，擴(kuò)充系統(tǒng)的功能。五虛擬示波器模塊連接5.1信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波 利用A/D轉(zhuǎn)化板卡PCL-812PG實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，并能夠在設(shè)計(jì)的虛擬示波器上顯示。圖4-1即為顯示波形：在4-1圖中放大倍數(shù)懸鈕可以通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行選擇，此時(shí)，放大倍數(shù)是2，所以波形顯示是實(shí)際波形的2倍，而且最大值、最小值、平均值都會(huì)有相應(yīng)的數(shù)字顯示。由于鼠標(biāo)選擇不是很精確，所以最大值和最小值顯示都不是確數(shù)2，而是有一定的誤差，4-1顯示為+2.06和-2.06，又因?yàn)椴ㄐ尾皇钦麛?shù)個(gè)波形，所以平均值是0.01。 圖五5.2功能模塊設(shè)計(jì) 以上是波形的時(shí)域顯示，更多情況下我們需要的是波形的

22、頻域顯示。利用快速傅立葉變換，可得到頻域顯示波形，若選擇波形的頻率為0.04，則時(shí)域、頻域顯示波形如下圖 圖六a) 端口介紹 Device:設(shè)置DAQ的設(shè)備號(hào)。設(shè)備號(hào)是一個(gè)16位整型數(shù)值。由Measurement&Automation軟件設(shè)定。 Channel:設(shè)置待采集的模擬信號(hào)所在通道號(hào)，是一個(gè)字符串。可以取默認(rèn)值，也可以由面板控件設(shè)置。 Number of smples:設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)，為整型數(shù)值。 Sample rate：設(shè)置采樣速率，默認(rèn)為1000sample/s.輸出端口： Waveform：ID數(shù)組，存放采集得到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類(lèi)型為Double型。 六數(shù)據(jù)分析（一）傅里葉變換

23、傅里葉級(jí)數(shù)是研究和分析諧波畸變的有效方法。通過(guò)傅里葉分解能夠?qū)儾ㄐ蔚母鞣N分量分別進(jìn)行分析。交流電氣量的傅里葉級(jí)數(shù)的展開(kāi)式為:X(t)= (1)式中,為直流分量,為余弦分量幅值,;為正弦分量幅值,;為角頻率,;為各頻率分量幅值,;為各頻率分量的相位,;n為諧波次數(shù).（二）離散傅里葉變換為了計(jì)算傅立葉變換,需要用到數(shù)值積分,即取f(t)在實(shí)域上的離散點(diǎn)的值來(lái)計(jì)算這個(gè)積分。由此,離散傅立葉變換(DFT)的定義為:給定實(shí)的或復(fù)的離散時(shí)間序列,設(shè)該序列絕對(duì)可和，即滿足,則X(k)=Fx(n)=(k=0,1,N-1)被稱(chēng)為序列x(n)的離散傅立葉變換(DFT)。（三）快速傅里葉變換在數(shù)字計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)離

24、散傅里葉變換計(jì)算工作量是龐大的。快速傅里葉變換巧妙的解決了這個(gè)問(wèn)題。快速傅里葉變換(FFT)是離散傅氏變換(DFT)的快速算法,它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性,對(duì)離散傅里葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。FFT 出現(xiàn)后使DFT的運(yùn)算大大簡(jiǎn)化,運(yùn)算時(shí)間一般可縮短一二個(gè)數(shù)量級(jí)之多,從而使DFT的運(yùn)算在實(shí)際中真正得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者說(shuō)數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅立葉變換,可以說(shuō)是進(jìn)了一大步。（4） 傅立葉變換(FFT)和labview快速傅立葉變換(FFT)和labview分析庫(kù)中的FFT VI從DAQ板上獲得的采樣信號(hào)是時(shí)域信號(hào)，這種信號(hào)給出了采樣時(shí)刻信號(hào)的幅度，但是很多情況下，更

25、想了解的是頻率成分，而不是幅度值。頻域表示法就表示了單個(gè)頻率成分，這種表示法可以給出更多關(guān)于信號(hào)和系統(tǒng)的信息。從時(shí)域的采樣數(shù)據(jù)變?yōu)轭l域的算法，稱(chēng)為離散傅立葉變化（DFT）。DFT將采樣信號(hào)的時(shí)域跟頻域聯(lián)系起來(lái)。DFT廣泛應(yīng)用于譜分析、應(yīng)用力學(xué)、光學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像、數(shù)據(jù)分析、儀器及遠(yuǎn)程通信等方面假設(shè)從DAQ板上獲得N個(gè)采樣信號(hào)，對(duì)這N個(gè)樣本進(jìn)行DAT變換，結(jié)果仍將為N個(gè)樣本，但它卻是頻域表示法。時(shí)域的N個(gè)樣本與頻域的N個(gè)樣本之間的關(guān)系如下：假設(shè)信號(hào)采樣率為fs，采樣間隔為t，有t=1/fs，采樣信號(hào)表示為Xi， 0iN-1（即有N個(gè)樣本），對(duì)這N個(gè)樣本進(jìn)行傅立葉變換，公式如下：Xk=X1*e（-j2

26、*3.1415926*0/N）+X2*e（-j2*3.1415926*1/N）+Xi*e-j2*3.1415926*（N-1）/N注意時(shí)域跟頻域中均有N個(gè)樣本。同時(shí)域中的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的頻率間隔f為：f=fs/N=1/Nt，f也稱(chēng)為頻率分辨率，增多采樣次數(shù)N或減小采樣頻率fs均能減小f（提高頻率分辨率）。對(duì)N個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT是個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，大約需要n的平方次復(fù)數(shù)運(yùn)算；但如果N是2的冪，假設(shè)N=2m,對(duì)N進(jìn)行DFT就只需要m*N/2次操作，大大提高了速度，這種算法叫做快速傅立葉變換（FFT），它其實(shí)就是當(dāng)采樣N是2的冪時(shí)，進(jìn)行DFT的一種快速算法。FFT的優(yōu)點(diǎn)在于速度快，且節(jié)省內(nèi)存，這是因

27、為當(dāng)VI操作FFT時(shí)，無(wú)需額外的存儲(chǔ)緩沖區(qū)，但它要求輸入序列N必須是2的冪。而DFT速度比FFT慢得多，這是由于它需要額外的緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)中間的結(jié)果，但是DFT對(duì)任一個(gè)序列都適用。FFT中為了使采樣次數(shù)N等于2的冪，可以在輸入序列末尾加0。例如：若N=10，可以在輸入序列末尾加6個(gè)0，使得采樣次數(shù)的總數(shù)為16（2的4次方）。七模塊連接及程序測(cè)試 分析庫(kù)中有兩種VI用來(lái)計(jì)算信號(hào)的FFT，即Real FFT VI和Complex FFT VI。兩者的區(qū)別在于，Real FFT對(duì)實(shí)信號(hào)進(jìn)行FFT，Complex FFT對(duì)復(fù)信號(hào)進(jìn)行FFT，值得注意的是，兩者的輸出均為復(fù)數(shù)。由于大多數(shù)信號(hào)都是實(shí)數(shù)值，因此

28、可以用 Real FFT VI，當(dāng)然也可以用Complex FFT VI，只是將虛數(shù)部分置為0。由于遠(yuǎn)程通信中的信號(hào)一般都為復(fù)數(shù)信號(hào)（實(shí)部、虛部均不為0），此時(shí)應(yīng)該使用Comlex FFT VI,對(duì)復(fù)電位進(jìn)行調(diào)制將產(chǎn)生復(fù)信號(hào)。顯示界面上分別會(huì)顯示時(shí)域波形和經(jīng)過(guò)FFT以后的頻域波形。為了測(cè)試該數(shù)字示波器的實(shí)際性能,通過(guò)信號(hào)源模塊向示波器模塊引人兩路正弦信號(hào)進(jìn)行雙通道顯示"幅度/頻率設(shè)置為:200mV/rokHz和400mV/20kHz,分別接人通道0和通道l"啟動(dòng)示波器界面后通過(guò)必要的參數(shù)設(shè)置所測(cè)得的波形數(shù)據(jù)值如圖 圖七 虛擬頻譜分析功能軟面板的實(shí)現(xiàn)Arbitrary Wav

29、e 用于產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的波形，Real FFT 對(duì)輸入的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT，Complex To Polar 將FFT的復(fù)數(shù)輸出分為實(shí)、虛兩部分（幅值和相位），相位部分以弧度為單位，但屏幕上只顯示FFT的幅值。八誤差分析及程序測(cè)試分析（一）窗平滑技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行有限時(shí)間內(nèi)的采樣就是就是相當(dāng)于利用矩形窗對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效截?cái)?。但是如果窗長(zhǎng)和信號(hào)周期的整數(shù)倍不相等，離散頻譜中就會(huì)有泄漏效應(yīng)產(chǎn)生。泄漏的產(chǎn)生主要是矩形窗的邊界的突變特性產(chǎn)生的，它的急劇變化將在頻域內(nèi)引入許多高頻分量，對(duì)應(yīng)到矩形窗譜中的變化就是旁瓣的最大電平較大且衰減速度較小。泄漏使頻譜造成不應(yīng)有的畸變，給分析結(jié)果帶來(lái)誤差。為了抑制泄漏誤差，對(duì)

30、采樣數(shù)據(jù)用窗函數(shù)處理。窗函數(shù)作用于信號(hào)的過(guò)程可以用下式表示：Y(t)=x(t)(t) (5)式中x(t)為加窗前的信號(hào)，Y(t)為加窗后的信號(hào)，(t)為窗函數(shù)。窗函數(shù)的實(shí)質(zhì)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理。若窗函數(shù)的邊界變化較緩慢而漸進(jìn)于零，則盡管原始信號(hào)采樣時(shí)終端不相同，但與窗函數(shù)相乘后也可使其值相差減小而相同，從而減少頻譜的泄漏。本文推薦選用海寧窗函數(shù)，海寧窗是一種余弦窗，其表達(dá)式為： (n)=0.5-0.5cos() (6)海寧窗的旁瓣峰值較小，衰減較快，但總泄漏比矩形窗小的多。由于海寧窗比較容易獲得，因此是經(jīng)常使用的窗函數(shù)。這種窗函數(shù)的特點(diǎn)是：只要選取的觀測(cè)時(shí)間是信號(hào)周期的整數(shù)倍，其頻譜在各次整數(shù)

31、倍諧波頻率處幅值為零，因?yàn)楦鞔沃C波之間不會(huì)發(fā)生相互泄漏。即使信號(hào)頻率作小范圍波動(dòng)，泄漏誤差也較小，而且相比其他窗函數(shù)計(jì)算量較小。同時(shí)本文也選取了其他的窗函數(shù)作了比較。誤差概率分布曲線-正態(tài)分布曲線 當(dāng)直方圖中： n ，d各區(qū)間的頻率也就趨于一 個(gè)完全確定的數(shù)值概率. 若d 0時(shí)，則直方圖成為誤差概率曲線正態(tài)分布曲線。它服從于正態(tài)分布。1)正態(tài)分布曲線的方程式為： 式中：為偶然誤差；（>0）稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)差，是與觀測(cè)條件有關(guān)的一個(gè)參數(shù)。它的大小可以 反映觀測(cè)精度的高低。標(biāo)準(zhǔn)差定義為： 誤差概率曲線：叫作偶然誤差的理論分布(見(jiàn)圖5-2)誤差分布曲線到橫坐標(biāo)軸之間的面積恒等于1。 圖5-2 的誤差分

32、布曲線是對(duì)應(yīng)著某一觀測(cè)條件的，當(dāng)觀測(cè)條件不同，其相應(yīng)的誤差分布曲線的形狀也隨之改變。偶然誤差的四個(gè)特性 特性一 有限性：在一定的觀測(cè)條件下，偶然誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)一定的限值； 特性二 集中性：即絕對(duì)值較小的誤差比絕對(duì)值較大的誤差出現(xiàn)的概率大； 特性三 對(duì)稱(chēng)性：絕對(duì)值相等的正誤差和負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相同； 特性四 抵償性：當(dāng)觀測(cè)次數(shù)無(wú)限增多時(shí)，偶然誤差的算術(shù)平均值趨近于零。即: 在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，(5-5)式也稱(chēng)偶然誤差的數(shù)學(xué)期望為零，用公式表示： E()=0. 4）不同精度的誤差分布曲線：如圖5-3：曲線、對(duì)應(yīng)著不同觀測(cè)條件得出的兩組誤差分布曲線。v 曲線I 較陡峭，即分布比較集中，或稱(chēng)離散度較小

33、，因而觀測(cè)精度較高。v 曲線II較為平緩，即離散度較大，因而觀測(cè)精度較低。曲線、對(duì)應(yīng)著不同觀測(cè)條件得出的兩組誤差分布曲線。當(dāng)=0 時(shí)， 上式是兩誤差分布曲線的峰值。 （二）基于LabVIEW的后面板框圖程序設(shè)計(jì)LabVIEW具有強(qiáng)大的信號(hào)分析與數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，它提供豐富的庫(kù)函數(shù)和子程序能為我們很好的完成計(jì)算任務(wù)。在利用LabVIEW進(jìn)行編程時(shí)，編程的面板被稱(chēng)為程序的后面板，是程序的圖形化源代碼。它包括函數(shù)、結(jié)構(gòu)、代表前面板上的控制對(duì)象和顯示對(duì)象的端子連線等。當(dāng)在后面板上用圖表和連線寫(xiě)程序的時(shí)候，虛擬儀器的用戶界面同時(shí)在另一份面板上生成。這面板被稱(chēng)為虛擬儀器的前面板，用于人機(jī)交互的程序圖形用戶接口

34、（GUI），集成了旋鈕、開(kāi)關(guān)等用戶輸入（控制）對(duì)象。通過(guò)用戶界面，使用者就可以很方便的操作虛擬儀器，而不用管這臺(tái)儀器的內(nèi)部程序是如何運(yùn)作的。 系統(tǒng)使用Sine pattern.vi產(chǎn)生三個(gè)初相角為0°的正弦波,然后將三個(gè)正弦波疊加在一起。然后對(duì)疊加后的信號(hào)進(jìn)行加窗處理,這里首先選用海寧窗，另外本文還選擇了不同的窗函數(shù)。用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析前的預(yù)處理,以減少譜泄漏?？捎每焖俑道锶~變換( FFT) 求出時(shí)域信號(hào)的頻譜。將轉(zhuǎn)換后的頻域信號(hào)進(jìn)行分析,它將以數(shù)組形式輸出各個(gè)諧波的幅值和頻率。然后按式(4)計(jì)算總諧波畸變率%THD ,將結(jié)果輸出。這里分別計(jì)算了加窗前后加窗后的總諧波畸變率%THD。圖

35、八后面板框圖程序圖九 前面板演示窗口存儲(chǔ)回放模塊存儲(chǔ)回放模塊其實(shí)就是存儲(chǔ)回放模式，它的作用是顯示以前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它包括諧波頻率數(shù)組、幅值頻譜以及失真度。結(jié)果存儲(chǔ)模塊如圖9所示。 圖十 結(jié)果存儲(chǔ)模塊程序中使用了模塊Write To Spreadsheet File.vi,如圖所示。 圖十一 圖十二 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析正態(tài)分布如圖所示 圖十三正態(tài)分布是最基本的分布，在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中，主要用來(lái)描述零件及鋼材的靜強(qiáng)度失效分布，給定壽命下的疲勞強(qiáng)度的分布或近似分布。如果影響零件某個(gè)功能參數(shù)的獨(dú)立因素很多，但又不存在起決定作用的因素時(shí)，一般都可采用正態(tài)分布來(lái)描述。當(dāng)影響的因素個(gè)數(shù)n56時(shí)，分布就漸近于正態(tài)分布

36、。當(dāng)然，正態(tài)分布的頻率曲線從負(fù)無(wú)限大到正無(wú)限大，但是強(qiáng)度不可能是負(fù)值的，從這一點(diǎn)來(lái)看，強(qiáng)度不可能真正的正態(tài)分布，而可能是截尾正態(tài)分布。當(dāng)變異系數(shù)u0.30時(shí)，正態(tài)分布負(fù)值區(qū)的概率是很小的，可以略而不計(jì)，由于正態(tài)分布研究得很多，所以機(jī)械零件某些功能參數(shù)的分布規(guī)律，常用正態(tài)分布。圖所示輸入三個(gè)頻率不同的正弦波,采樣頻率均為128。運(yùn)行程序后,可以得到圖所示顯示結(jié)果,在波形圖上分別顯示出加窗前和加窗后的時(shí)域信號(hào)圖，從圖上可以看出兩信號(hào)疊加后的信號(hào)波形圖不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的畸變，但是仍然具有一定的周期性。由表1中得到加窗前與加窗后的諧波總的畸變率%THD的測(cè)量結(jié)果,并在表2中給出了兩種測(cè)

37、量方法的誤差比較。表1 THD測(cè)量結(jié)果所含諧波次數(shù)理論%THD實(shí)際測(cè)量%THD加海寧窗測(cè)量%THD10001 25000004997335000891 2 3634567363461216346032表2 兩種方法的誤差比較實(shí)際測(cè)量%THD誤差加海寧窗實(shí)際測(cè)量%THD誤差00000267000089000448000359000014000006誤差分析：由表2可以看出，加了窗函數(shù)實(shí)際測(cè)量%THD的誤差比沒(méi)有加窗函數(shù)測(cè)量%THD的誤差小的多。結(jié)論：在這篇論文中我主要是通過(guò)labview這種圖形化的編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了虛擬示波器的界面設(shè)計(jì)，包括波形的簡(jiǎn)單處理，例如波形的放大等功能以及基于FFT的頻譜分

38、析功能，并且能夠采用第三方板卡PCL-812PG來(lái)實(shí)現(xiàn)從外部采樣模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在示波器上顯示。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)也在迅速發(fā)展，我認(rèn)為還可以把虛擬示波器應(yīng)用在遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)上。 尤其是labview等專(zhuān)業(yè)測(cè)控軟件的推出，用戶可以組建一個(gè)性能優(yōu)越的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控技術(shù)。但是，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)必須有人干預(yù)，在許多條件惡劣、有毒、危險(xiǎn)以及過(guò)于偏僻的環(huán)境中無(wú)法很好的解決測(cè)控問(wèn)題。在這方面急需一種更好的方法來(lái)實(shí)施測(cè)量和控制。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起與發(fā)展，使用特定的協(xié)議，操作者可以在遠(yuǎn)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的情況，接受測(cè)量數(shù)據(jù)和進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。考慮是不是可以利用局域網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合labview實(shí)現(xiàn)的虛擬示波器，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越而體系開(kāi)放的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)。 Harmonic distortion analysis functionality is implemented