虚拟仪器8教材课件

2.频谱分析中注意问题p频谱分析中应注意的问题（1）频谱混叠:当采样频率满足采样定理是可避免频谱混叠。（2）泄漏效应和栅栏效应所以，如何选取采样频率fs(或采样时间间隔Ts)，取多少个采样点N，截取长度tp应为多大，以保证频率分析的精度。三、窗函数计算机只能处理有限长度的信号，原信号x(t)要以T(采样时间或采样长度)截断，即有限化。有限化也称为加“矩形窗”或“不加窗”。矩形窗将信号突然截断，这在频域造成很宽的附加频率成分，这些附加频率成分在原信号x(t)中其实是不存在的泄漏问题。泄漏使得原来集中在f0上的能量分散到全部频率轴上。泄漏带来许多问题：使频率曲线产生许多“皱纹”（Ripple），较大的皱纹可能与小的共振峰值混淆；如信号为两幅值一大一小频率很接近的正弦波合成，幅值较小的一个信号可能被淹没；f0附近曲线过于平缓，无法准确确定f0的值。为了减少泄露，尝试用过渡较为缓慢的、非矩形的窗口函数。常用的窗函数如下表所示。常用窗函数及其频域图矩形窗的特点是旁瓣较大，所以泄漏很大。优点是容易获得，而且主瓣宽度小，其等效带宽为1/T。海宁窗的旁瓣峰值较小，衰减较快，主瓣宽度为1.5/T，比矩形窗的主瓣宽，但总泄漏比矩形窗小得多。汉明窗的主瓣略优于海宁窗，为1.4/T。汉明窗泄漏很小，而且也不难获得，因此汉明窗也是常用的一种时间窗。矩形窗海宁窗汉明窗钟形窗1/10余弦坡度窗只有主瓣，没有旁瓣主瓣呈三角形，旁瓣很小，泄漏很小p泄漏的产生主要是矩形窗边界的突变特性造成的，它的急剧变化将在频域内引入许多高频分量，对应到矩形窗谱中的表现就是旁瓣的最大电平较大且衰减速率较小。p而为了获得较好的频谱分析精度，希望窗函数频谱的旁瓣幅值小而主瓣宽度窄。因为旁瓣小可减小泄漏误差，而主瓣窄可提高频率分辨率。因此泄漏的降低是以分辨率的下降为代价的。海宁窗汉明窗三角窗1、Window.vi子模板 2、Hamming Window.vi（汉明窗）输入端口：X：欲做加窗处理的信号。输出端口：HammingX：信号加汉明窗处理后的结果。error：错误代码。p范例信号分析与处理FFT和频率分析WindowComparison.vi两信号频率相近，幅值相差1000倍红线为不加窗，黑线为加了hanning窗后的幅值谱。栅栏效应频率测量p用频域方法：幅频特性最大处所在的频率频率分辨率Fs/#s=5Hz四、数字滤波器p就一般概念而言，滤波器是一种选频装置，即将一部分频率范围内的信号滤掉，而允许另一部分频率范围内的信号通过。p数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改变信号的质量，达到滤波或加工信号的目的。p特点：可以软件编程；稳定性好稳定性好、灵活性强；不会因温度、湿度的影响而产生误差，不需要高精度元件；很高的性价比。p在Filter子模板上提供了13种滤波器的图标，如切比雪夫滤波器，巴特沃斯滤波器，贝塞尔滤波器等图标。1.Filter子模板子模板数字滤波器一种分类：无限冲激响应（IIR）（或递归）数字滤波器：有较平坦的幅频特性有限冲激响应（FIR）（或非递归）数字滤波器：相位不失真Filter子模板子模板四类滤波器的频谱上述四种滤波器都有占据一部分频率区间的过渡带。这正是实际滤波器与理想滤波器的区别所在。p理想滤波器没有过渡带，然而理想滤波器是不可能实现的。p实际滤波器的设计过程就是寻找逼近理想滤波器的过程，即寻求一个可实现的衰减或上升特性来逼近理想特性，使衰减或上升变化处在所规定的限度内。调用数字滤波器子程序应注意的问题p滤波器类型选择:在低通、高通、带通或带阻滤波器中选择一个类型。p截止频率确定:对低通、高通只需确定低截止频率，；对带通及带阻滤波器应确定高、低限截止频率。p采样频率设定：滤波器节点要求输入，通常设置成滤波器输入信号的采样频率。p滤波器的阶数:滤波器阶数越高，其幅频特性曲线过渡带衰减越快 p纹波幅度：切比雪夫滤波器的一个参数 巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器Butterworth Filters.vi低通、高通、带通高截止频率：带通滤波器的高截止频率。对于低通和高通滤波器，此参数无效。低截止频率：高、低通滤波器的特征频率。数字滤波器应用举例例例6.22 使用巴特沃斯使用巴特沃斯滤波器提出正弦信号滤波器提出正弦信号前面板前面板程序框图程序框图 使用ExpressVI滤波器p信号的调制和解调五、曲线拟合p在很多情况下需要确定两个量甚至多个量之间的关系，不仅科研需要，对于测量系统本身也需要。p如输入量x在一定数值范围变化时，需要精确测定测量系统输出y变化，并进一步确定它们之间的关系式y=f(x)，为此先要进行标定试验：用标准信号在测量系统满量程范围内，产生不同的输入量x，用标准测量仪器测出相应的输出量y。在标准条件下无系差、等精度进行多次测量，即可获得一组实验标定数据1.曲线拟合概述p曲线拟合的目的：是找出一系列参数的最佳估值，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。p曲线拟合一般基于最小二乘法，设y(n)是一组测量值，f(n)是相应的拟合值，mse为均方差，则拟合的目标可以表达为期望mse最小。LabVIEW中曲线拟合类型pLabVIEW的分析软件库提供了多种线性和非线性的曲线拟合算法，如：p线性拟合把实验数据拟合为y=mx+c直线形式：yi=a0+a1*xip指数拟合把数据拟合为y=aexp(bx)指数曲线:yi=a0*exp(a1*Xi)p多项式拟合把数据拟合为y=a+bx+cx2+多项式曲线：yi=a0+a1*Xi+a2*xi2p通用线性拟合将数据拟合为下述形式：yi=a0+a1*f1(Xi)+a2*f2(Xi)p非线性LevMar拟合将数据拟合为yi=f(Xi,a0,a1,a2)2.曲线拟合的实际应用p消除测量噪声p填充丢失的采样点（例如，如果一个或者多个采样点丢失或者记录不正确）p插值（对采样点之间的数据的估计）p外推（对采样范围之外的数据进行估计）p求解某个基于离散数据的对象的速度轨迹（一阶导数）和加速度轨迹（二阶导数）3.LabVIEW8.2曲线拟合子选板pLabVIEW8.2曲线拟合子选板位于函数选板的【数学】子选板中4.曲线拟合应用实例例6.24线性拟合线性拟合算法公式线性拟合算法公式 a0a0是截距，是截距，a1a1是斜率是斜率 例6.25多项式拟合p要求使用General Polynomial Fit.vi对热电偶测温系统测得的一组实验数据进行多项式拟合，计算出多项式拟合曲线的系数和对应于输入温度值的拟合值。p热电偶测温系统的实验数据如下：n输入温度（C）：0，50，100，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750，800。n热电势（mV）：0.00，3.35，6.96，10.69，14.66，18.76，22.90，27.15，31.48，35.81，40.15，44.05，49.01，53.39，57.74，62.06，66.36。多项式拟合VI的前面板和程序框图选选择择拟拟合合阶阶数数为为2 2，多项式关系为多项式关系为作业1.设计VI，用三种不同的方式产生正弦波信号；2.设计VI，计算一个正弦信号的周期均值和均方差；3.设计VI，实现信号的频率测量；4.设计VI，计算一个方波信号的功率谱；5.对一个混有高频噪声的正弦信号实现低通滤波；6.设计巴特沃斯滤波器，观察不同频率正弦信号通过该滤波器的波形，并进而获得它的幅频特性；7.设有一压力测量系统的测量值如下：压力值Mpa0.00.51.01.52.02.5电压值mV-0.49020.31640.73661.42582.181103.123设计VI，实现输入压力和输出电压之间的最佳线性拟合曲线。本章结束本章结束ThankYou!第第3 3章章 信号分析处理与信号分析处理与Signal ProcessingSignal Processing、MathematicsMathematics子模板子模板 第四章数据采集l数据采集基础知识l采集模拟信号l输出模拟信号l数字信号输入输出l计数器输入输出l串行通信4.1数据采集DAQ（DataAcQuisition)数据采集是计算机与外部物理世界连接的桥梁，是数据采集是计算机与外部物理世界连接的桥梁，是LabVIEWLabVIEW的核心技术之一。的核心技术之一。DAQDAQ仪器是指基于仪器是指基于PCPC计算机标准总线（如计算机标准总线（如ISAISA、PCIPCI、USBUSB等）的数据采集功能模块等）的数据采集功能模块 一、DAQ仪器的组成方式内插式：即将仪器卡插入微机的内部总线上而构成内插式：即将仪器卡插入微机的内部总线上而构成DAQDAQ仪器。仪器。外挂式：即将微机总线引到扩展箱，在扩展箱里插入仪器卡，外挂式：即将微机总线引到扩展箱，在扩展箱里插入仪器卡，构成构成DAQDAQ仪器。仪器。直接外挂式：即在微机外总线接口（如并行口、直接外挂式：即在微机外总线接口（如并行口、USBUSB端口）上端口）上接入仪器卡。接入仪器卡。DAQ仪器的优越性利用PC技术设计手段灵活性价比高性能选择范围大大量的软件工具可用二、DAQ仪器与总线DAQDAQ仪器设计都是基于某一种总线进行的，故总线的标准仪器设计都是基于某一种总线进行的，故总线的标准和规范将对所设计的仪器系统的性能，包括结构上的先进和规范将对所设计的仪器系统的性能，包括结构上的先进性、可靠性、兼容性、互换标准性及扩充与升级等方面起性、可靠性、兼容性、互换标准性及扩充与升级等方面起到关键。到关键。与与DAQDAQ仪器相关的总线类型主要是内总线和外总线仪器相关的总线类型主要是内总线和外总线：内总线内总线：微型计算机底板上模块与模块（即插件板与插件：微型计算机底板上模块与模块（即插件板与插件板）之间连接的并行总线，如板）之间连接的并行总线，如ISAISA总线、总线、PCIPCI总线。总线。外总线外总线：计算机系统与系统之间，计算机与外部设备之间：计算机系统与系统之间，计算机与外部设备之间通信的一类总线，典型外总线包括通信的一类总线，典型外总线包括IEEE488IEEE488（GPIBGPIB）、）、RS232CRS232C、USBUSB总线等。总线等。1.PCI总线PCIPCI总线是一种先进的高性能的总线是一种先进的高性能的局部总线，针对整个系统。它以局部总线，针对整个系统。它以33MHz33MHz的时钟频率工作，带宽为的时钟频率工作，带宽为32Bit32Bit，最高数据传输率可达，最高数据传输率可达132MB/s132MB/s，比，比ISAISA总线快总线快7 78 8倍，倍，并且总线时钟频率最高可达并且总线时钟频率最高可达50MHz50MHz。PCIPCI总线有严格的规范来保证高总线有严格的规范来保证高度的可靠性和兼容性，完全兼容度的可靠性和兼容性，完全兼容ISAISA、EISAEISA、MACMAC总线；总线；2.RS232p串行接口p最简单、最普遍的连接方法p只能一对一传输p20k位/s,最大传输距离15米;降低速率时，最大传输距离可达60米p电气特性：-5-15V1+5+15V03.通用串行总线USB（UniversalSerialBus)p支持多设备连接，一台上可同时连接127种设备（USB设备）；p四芯电缆：2条电源线，2条信号线；p有足够的带宽和连接距离:全速传送时，结点连接距离5m,也可以更长；USB1.11.5Mb/s、12Mb/sUSB2.0250Mb/sp四种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、批量传输；p易于使用n真正的即插即用-可热拨插n可总线供电-最大5V、500mA连接引脚信号名称颜色注释1Vbus红电源2D-白信号线3D+绿信号线4GND黑地USB用于DAQUSBUSB端口已成为如今端口已成为如今PCPC机上的标准配置机上的标准配置USBUSB为数据采集设备为数据采集设备/仪器与仪器与PCPC机之间的连接提供了一个费机之间的连接提供了一个费用低廉且简单易用的方案。用低廉且简单易用的方案。较传统的串口技术，其特色较传统的串口技术，其特色主要包括更快的速率、热拔插功能、内嵌式操作系统配置，主要包括更快的速率、热拔插功能、内嵌式操作系统配置，还有多点布线技术，还有多点布线技术，这一技术使同一个端口可以连接多个这一技术使同一个端口可以连接多个设备。设备。USBUSB总线包含的几个特色让它比一些传统的内部总线包含的几个特色让它比一些传统的内部PCPC总线总线（如（如PCIPCI和和ISAISA）更加易于使用。）更加易于使用。4.1394总线AppleApple公司称公司称13941394总线为总线为FireWireFireWire（火线）（火线）SonySony公司称公司称13941394总线为总线为i.Linki.Link，实质都是一项技术实质都是一项技术IEEE-1394IEEE-1394-高速、可不间断连接、高速、可不间断连接、串行总线串行总线1394p两种连接器和线缆：六针、四针（无电源针）p最近完成的IEEE1394b规范的传输速度则可以达到最大800Mbps的传输速度，可以同时连接多达63种的设备。现普遍用于数字相机和摄像机。pIEEE-1394具有以下特点：廉价、占用空间小、速度快、开放式标准、支持热插拔、可扩展的数据传输速率、拓扑结构灵活多样、完全数字兼容、可建立对等网络、同时支持同步和异步两种数据传输模式。1394用于便携式DAQ仪器如：如：DAQPad-6052EDAQPad-6052E同时集成同时集成NI 6052ENI 6052E设备的设备的1616位测量位测量功能和功能和IEEE 1394IEEE 1394通信总线的高带宽性能，将通信总线的高带宽性能，将DAQDAQ扩充扩充到到IEEE1394IEEE1394领域。领域。