【正文】 干擾信號經常會使系統(tǒng)不穩(wěn)定 , 有時問題很嚴重 。 第 4 章 周期矩形信號的諧波分解與疊加 25 （ a） (b) (c) 圖 410 信號 1 的 3 次（ a）、 7 次（ b）、 12 次（ c） 諧波分解與疊加前面板 第 4 章 周期矩形信號的諧波分解與疊加 26 為了證實本設計的一般性，對信號 2再次進行 實現(xiàn)： 矩形脈沖信號 2：幅度 ，頻率 ，占空比 80%。 圖 48 占空比為 20%（左圖）和 50%（右圖）偶函數(shù)矩形脈沖及諧波前面板 第 4 章 周期矩形信號的諧波分解與疊加 23 周期性矩形脈沖信號的諧波疊加編程及實現(xiàn) 各次諧波的疊加編程 諧波疊加部分使用的是一個條件循環(huán)，條件循環(huán)的分支選擇器連接諧波的分解次數(shù)N，在不同的分支下進行不同次數(shù)的諧波多路顯示和疊加。 諧波的相位問題在本設計中是重難點，從圖 43中可以看出，各次諧波的初相各不相同。 同樣，任一周期信號也可以由一系列單一的頻率分量按上式所定的頻率、幅度和相位進行疊加。這些正弦、余弦分量的頻率必定是基頻 ??1的整數(shù)倍。反之，信號周期不變而脈沖寬度減小時，頻譜的幅度也相應減小。 (4) 周期矩形脈沖信號包含無限多條譜線，它可分解為無限多個頻率分量，但其主要能量集中在第一個零分量頻率之內。 圖 35顯示的是周期矩形信號進行三角形式的單邊傅里葉變換后得出的頻譜和相位第 3 章 信號處理器 —— 虛擬示波器和頻譜儀 14 譜。這就是周期信號頻譜的諧波性。 虛擬示波器和頻譜儀的程序框圖設計 切換到程序框圖設計窗口下，在設計區(qū)放置一個“基本函數(shù)發(fā)生器 .vi”節(jié)點，一個“ While循環(huán)”節(jié)點，并根據(jù)各節(jié)點的端口創(chuàng)建相應的輸入 /輸出控件， 本設計 中 用到了 Real FFT . vi 模塊。 圖 31 虛擬示波器和頻譜儀前面板設計 傅里葉變換和 FFT 變換 使用計算機進行信號處理工作的要求導致了離散傅里葉變換的產生，因為 計算機 要第 3 章 信號處理器 —— 虛擬示波器和頻譜儀 11 處理數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)必須是 離散且有限長度 的 ,要用計算機完成頻譜分析和其他的工作 ,通常的處理 操作是 對模擬信號 進行 采樣得到離散序列。 NI Labview 中包含了定時結構，第 2 章 多功能雙路信號發(fā)生器 8 可以在系統(tǒng)中用它來同步您的程序。 右鍵“波形圖”，選擇【屬性】，調整 X軸， Y軸坐標使其合理。 設計一個虛擬信號發(fā)生器首先要 考慮的是 前面板的設計 方案 ,前面板的設計首先需要知道 到所設計的信號發(fā)生器實現(xiàn)什么功能 ,再根據(jù)這些功能 ,在控件選板中選擇相應的控件 ,放在前面板相應的位置上 , 為了 使前面板看起來比較協(xié)調。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。 第 1 章 緒論 4 與工具模板不同，控制和功能模板只顯示頂層子模板的圖標。還有兩個控制對象：控制開關—— 可以啟動和停止工作；循環(huán)延時 —— 能夠控制隨機信號發(fā)生的循環(huán)時間。 圖形化的程序語言，又稱為 “G” 語言。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。 與 C 和 BASIC 一樣， Labview 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫 。 要求教育工作者，開發(fā)能夠滿足現(xiàn)代實驗教學要求 、 物美價廉的實驗教學儀器，以提高實驗教學水平，培養(yǎng)高素質 、 高技能的創(chuàng)新型人才 。 （ 3）用虛擬儀器做實驗，理論實驗結合密切，形象直觀容易理解實踐證明，只要一臺計算機就可以借助 Labview編程平臺創(chuàng)建一個綜合的虛擬儀器測試分析系統(tǒng)，從而完成整個實驗室才能完成的教學實驗 。 虛擬儀器技術的提出與發(fā)展，標志著二十一世紀自動測試與電子測量儀器領域技術發(fā)展的一個重要方向 。 關鍵詞： Labview ； 虛擬儀器 ； 程序框圖 ；諧波； ABSTRACT Signals are described in two different ways。信號的時域和頻域之間存在著密不可分的關系，通常用數(shù)學公式及其平面圖形來表示。 同意學校保留并向有關管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 虛擬儀器是一種高效用于構建數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)圖形化編程語言。 但是，利用虛擬儀器來進行教學就使一切簡單很多。 同一類儀器也可針對不同的實驗要求，可以生成功能各異的前面板 。 傳統(tǒng)儀器具有 “ 技術更新周期長 ”、“ 儀器功能無法自定義 ”、“ 與其它設備連接困難 ”、“ 開發(fā)維護費用高 ” 等問題，所以在對信號處理要求越來越高的今天，用戶希望能在虛擬儀器平臺上來建立一信號分析系統(tǒng)以解決上述問題 。 Labview 的介紹 利用 Labview，可產生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的３２位編譯器。 VI 指虛擬儀 器，是Labview 的程序模塊。它還內置了便于應用 TCP/IP、 ActiveX 等軟件標準的庫函數(shù)。 Labview 應用程序的構成 所有的 Labview 應用程序，即虛擬儀器（ VI），它包括前面板（ front panel）、流程圖（ block diagram）以及圖標 /連結器 (icon/connector)三部分。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在【查看 (V)】菜單下選擇【工具選板（ T）】命令以顯示該模板。 每個圖標代表一個子模板。 這里研究的虛擬信號發(fā)生器可以接收輸入信號并產生多種輸出信號 ,信號輸出頻率、幅度等參數(shù)實時可調。 多功能雙路信號發(fā)生器的前面板設計 創(chuàng)建一個新的 VI，切換到前面板設計窗口。 圖 24 雙路信號發(fā)生器程序框圖 定時對于所有測試、控制和設計應用而言是至關重要的，在系統(tǒng)中必須作為重點進行考慮。信號處理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試儀器系統(tǒng)設計和分析的一個重要組成部分 ,信號的采集總是與信號處理 是分不開的 ， FFT頻譜 變換 （幅值 相位）節(jié)點用于對時域信號進行 FFT變換，然后在此基礎上求 信號 變換 后 的幅值和相位譜 ，并進行分析 。每次復數(shù)乘法需要做四次實數(shù)乘法 ,兩次實數(shù)加法。 第 3 章 信號處理器 —— 虛擬示波器和頻譜儀 12 圖 33 虛擬示波器和頻譜儀的運行前面板 周期信號幅度譜特性的分析研究 周期信號的離散性 由圖 33可以選看出，周期信號的 頻譜由不連續(xù)的線條組成，每一條線代表一個正弦量，故稱為離散頻譜。 周期信號的有效頻譜寬度 在周期信號的頻譜分析中，周期矩形脈沖信號的頻譜具有典型的意義，得到廣泛的應用。2,177。 圖 36給出了脈沖寬度 ??增大 而周期 T 不變 的周期矩形脈沖信號的頻譜。 第 3 章 信號處理器 —— 虛擬示波器和頻譜儀 16 圖 37 連續(xù)譜和離散譜的對比 分析 第 4 章 周期矩形信號的諧波分解與疊加 17 第 4 章 周期矩形信號的諧波分解與疊加 周期性矩形脈沖信號的分解與疊加的基本原理 周期信號的傅里葉級數(shù)分析 按照傅里葉級數(shù)的定義，周期函數(shù) f(t)可由三角函數(shù)的線性組合表示，若 f(t)的周期為 ??1，角頻率 ??1 = 2????1， 頻率 ??1 = 1??1 ,傅里葉級數(shù)展開表達式為： ??(??) = ??0 +∑[??????????????1??+ ???? ??????????1??]∞??=1 式中 n為正數(shù)，各次諧波成分的幅度值按以下各式計算： 直流分量： ??0 = 1??1∫ ??(??)??????0+??1??0 余弦分量的幅度： ???? = 2??1∫ ??(??)??????????1????????0+??1??0 正弦分量的幅度： ???? = 2??1∫ ??(??)??????????1????????0+??1??0 必須指出，并非任意周期信號都能進行傅里葉級數(shù)展開。 這樣，周期矩形信號的三角形式傅里葉級數(shù)為： ??(??) = ??????1+ 2??????1∑ ????(????????1)??????????1??∞??=1 (11) 從上式可得出直流分量、基波及各次諧波分量的幅度： ??0 = ??0 = ??????1 （ 12） ???? = ???? = 2???????????? ??????2 （ 13） 根據(jù)式（ 12）、（ 13）可以分別畫出周期矩形脈沖信號三角形式表示的單邊幅度譜和相位譜， 見前面第 3 章的分析中，圖 35 矩形脈沖信號的幅度譜和相位譜。 周期性矩形脈沖信號的諧波分解編程及實現(xiàn) 原始矩形脈沖信號發(fā)生的編程 在程序框圖的設計中，根據(jù) 中關于占空比與相位的關系分析，要使占空比能以百分數(shù)的形式對相位進行控制，使生成的周期矩形脈沖信號必須是偶函數(shù)，由于在“函數(shù)發(fā)生器 .VI”節(jié)點的占空比端口上，默認數(shù)值為 0100，占空比必須先除以 100 再納入計算，圖 44是周期矩形脈沖生成的程序框圖，函數(shù)類型選擇“ Square Wave”方波。 ，這是因為我們分析的是偶函數(shù)的矩形脈沖信號，所以所有諧波都比標準的正弦波信號的相位相差 90176。 根據(jù)占空比計算信號的各諧波的相位： { ?? ≤ [1??] = 4,???? = 0[1??] = 4 ?? ≤ [2??] = 8,???? = ??[2??]= 8 ?? ≤ [3??] = 12,???? = 0[3??] = 12 ?? ≤ [4??] = 16,???? = ??…… 所以， 14次諧波的相位為 0,48次諧波的相位為 180176。在驗證了傅里葉級數(shù)展開原理的同時利用虛擬儀器程序研究了有限項疊加過程中 , 只能近似得用疊加波形來表示被分解波形 , 但是隨著疊加諧波的項數(shù)增加 , 疊加波形越接近實際周期波形。在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以慮除干擾噪聲或 進行頻譜分析。擬濾數(shù)字濾波器相比模擬濾波器有處理靈活、精度高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。在不需要相位信息的情況下，例如簡單的信號監(jiān)控，那么 IIR 濾波器就符合需要。 （ 1） Butterworth 在所有頻率上提供平滑的響應，但過渡帶下降較為緩慢，陡峭程度同階數(shù)成正比。 在高級面板中，濾波器的設計部分和執(zhí)行部分是分開的。 如圖 51 所示為數(shù)字濾波器的程序框圖。 第 5 章 信號濾波器 33 圖 53 數(shù)字濾波器前面板 該設計可對任意頻率的信號進行濾波，只須濾波前弄清楚待濾波信號的各參數(shù)，然后選擇合適的濾波器并設置適當?shù)膮?shù)即可，經過驗證，該濾波器可以達到理想濾波效果。也可以達到理想的效果，如圖 46 所示。可見， Labview為設計數(shù)字濾波器提供了一個可靠而有效的途徑。 感謝論文中參考的參考文獻的作者，對于提供論文中隱含的上述提及的支持者以及研究思想和設想的支持者表示感謝。 致 謝 37 致 謝 本次畢業(yè)設計是在潘玉恒老師親切關懷和悉心指導下完成的，老師工作認真，犧牲了節(jié)假日甚至是中午寶貴的午休時間下堅持給我指導，給我們這一組的同學都留下了深刻的印象，也更加激勵我們必須把畢業(yè)設計做好。仍然選用 IIR 巴特沃斯濾波器拓撲結構， 先選擇 IIR 的巴特沃斯低通濾波器，其參數(shù)有低截止頻率設置為 70，階數(shù)設置為 14階，濾波效果如圖 58。 現(xiàn)將一路 20Hz的正弦波和一路 100Hz的正弦波進行疊加，然后濾除其中一路，并對低通和高通進行舉例驗證。配置框圖如圖 52。在含有循環(huán)結構的程序中，可以將濾波器的設計放在循環(huán)外，將設計好的濾波器參數(shù)傳遞到循環(huán)內，在循環(huán)內進行濾波，從而提高程序運行效率。 （ 3） Inverse Chebyshav 也稱 ChebyshevⅡ 型濾波器，與 Chebyshev 類似，不同時=是 ChebyshevⅡ 型濾波器將誤差分散到阻帶中，而且擁有最平穩(wěn)的通帶。但是， IIR 濾波器的遞歸性增大了它的設計與執(zhí)行的難度。 如果濾波器的沖激響應在一定時間之后衰減為 0，那么這個濾波器被稱為有限沖激響應（ FIR）濾波器。 現(xiàn)在我們首先對濾波器的基本概念作一了解，再詳細介紹 Labview中濾波器的應用。由此可見，本設計達到了設計要求 。 圖 410 是信號 1 的分解與疊加實現(xiàn)，本設計最高疊加次數(shù)為 12 次，在此僅對 3次、 7次及 12次諧波疊加前面板進行截圖。 第 4 章 周期矩形信號的諧波分解與疊加 22 圖 47 程序框圖諧波相位控制的一部分 如 圖 48 是矩形脈沖和諧波程