【文章內(nèi)容簡介】 再根據(jù)這些功能 ,在控件選板中選擇相應(yīng)的控件 ,放在前面板相應(yīng)的位置上 , 為了 使前面板看起來比較協(xié)調(diào)。擺放 空間的位置 也有一定的講究 。 再者是程序框圖 的設(shè)計。 程序框圖 的設(shè)計要用到函數(shù)模板 ,根據(jù)本程序?qū)崿F(xiàn)的功能不同 ,在函數(shù)選板中選擇 的 函數(shù) 也不同 ,由于程序 要執(zhí)行很多次才能達(dá)到設(shè)計要求 ,所以要用 到循環(huán)結(jié)構(gòu) ,本章節(jié)的程序要用到 While循環(huán)結(jié)構(gòu)。 程序調(diào)試成功后就產(chǎn)生一個多功能雙路信號發(fā)生器，為了便于本設(shè)計后面對信號波形的研究對比，對信號發(fā)生器模塊進(jìn)行了改進(jìn)，使之能在一個波形顯示窗口中顯示雙路波形。 多功能雙路信號發(fā)生器的前面板設(shè)計 創(chuàng)建一個新的 VI，切換到前面板設(shè)計窗口。打開【控件】【新式】【波形圖表】控件選項(xiàng)板 。 選擇“波形圖表”控件，并放置在前面板適當(dāng)位置，調(diào)整大小。 右鍵“波形圖”，選擇【屬性】，調(diào)整 X軸， Y軸坐標(biāo)使其合理。 利用 VIs 設(shè)計的一個數(shù)字信號發(fā)生器， 前面板設(shè)計 圖如圖 22 所示 第 2 章 多功能雙路信號發(fā)生器 6 圖 22 虛擬信號發(fā)生器前面板 多功能雙路信號發(fā)生器的程序框圖設(shè)計 打開【函數(shù)】【編程】【波形】【模擬波形】【波形生成】選項(xiàng)板，從【波形生成】選項(xiàng)板中選擇“基本函數(shù)發(fā)生器 .vi”節(jié)點(diǎn)，放置到程序設(shè)計區(qū)適當(dāng)位置。 移動光標(biāo)到“ Frequency”（頻率）端口上，單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出快捷菜單中，執(zhí)行【創(chuàng)建】【輸入控件】菜單命令，創(chuàng)建一個與“ Frequency”端口相連接的輸入控件節(jié)點(diǎn)，并自動連線，同時在前面板上創(chuàng)建了一個與該節(jié)點(diǎn)相對應(yīng)的數(shù)值輸入控件對象 。 用同樣的方法，分別通過“ Amplitude”（幅值），“ Phase” （相位），“ Signal Type”（信號類型），“ Reset Signal”（重置信號），“ Offset”（偏移量），“ Sampling Info”（采樣信息）端口創(chuàng)建數(shù)值輸入控件，調(diào)整這些數(shù)值 輸入控件節(jié)點(diǎn)在程序框圖中的位置，并按圖 23 所示進(jìn)行連線。 第 2 章 多功能雙路信號發(fā)生器 7 圖 23 信號發(fā)生器程序框圖 重復(fù)上述設(shè)計步驟再設(shè)計一個基本信號發(fā)生器如圖 24所示 在前面板中添加“波形圖 3”，再在程序框圖中添加函數(shù)【編程】【數(shù)組】【創(chuàng)建數(shù)組】，將兩個信號“信號輸出端”組疊加數(shù)組，并將數(shù)組輸出和“波形圖表 3”接線端連接起來，運(yùn)行程序，并調(diào)整時間軸使其合理以適應(yīng)波形，達(dá)到研究效果。 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(shè)計應(yīng)用而言是至關(guān)重要的，在系統(tǒng)中必須作為重點(diǎn)進(jìn)行考慮。當(dāng)需要完成協(xié)同動作時，定時和同步技術(shù)將事件以時間進(jìn)行關(guān)聯(lián)。要讓軟件完成這些協(xié)同動作，程序必須以時間為基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)同步。 NI Labview 中包含了定時結(jié)構(gòu)，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。 打開【函數(shù)】【編程】【結(jié)構(gòu)】函數(shù)選項(xiàng)板，從中選擇“ While循環(huán)”節(jié)點(diǎn)，放置到程序框圖設(shè)計區(qū)，并調(diào)整大小，使其包含所有的節(jié)點(diǎn)，這樣 框圖最外層是一個 while循環(huán)，保證輸出波形的連續(xù)。 打開【函數(shù)】【編程】【定時】函數(shù)選項(xiàng)板，選擇“等待（ ms）” 函數(shù)節(jié)點(diǎn)，放置在“ While 循環(huán)”結(jié)構(gòu)框圖中，移動光標(biāo)到“等待（ ms）”節(jié)點(diǎn)的“等待時間”端口上，單擊鼠標(biāo)右鍵，執(zhí)行【創(chuàng)建】【常量】菜單命令，創(chuàng)建一個數(shù)值常量并修改常量值為“ 50”，如圖 25 所示。 圖 25 雙路示波器程序框圖 運(yùn)行程序后結(jié)果如圖 26，設(shè)計可以通過分別設(shè)置不同的信號參數(shù)，使兩路信號的時域波形同時顯示在一個波形圖表中，所以能夠更直觀的觀察信號的聯(lián)系和區(qū)別，也為后續(xù)的設(shè)計做了前期準(zhǔn)備工作。 第 2 章 多功能雙路信號發(fā)生器 9 圖 26 雙路示波器前面板 第 3 章 信號處理器 —— 虛擬示波器和頻譜儀 10 第 3 章 信號處理器 —— 虛擬示波器和頻譜儀 虛擬示波器和頻譜儀的設(shè)計思路 本 章節(jié)的設(shè)計主要是 對信號進(jìn)行分析處理 ，設(shè)計目的是在同一個前面板中對比顯示信號的頻譜與相位譜，以驗(yàn)證課本上時域和頻域中信號波形的一般特點(diǎn) 。信號處理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試儀器系統(tǒng)設(shè)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(diǎn)用于對時域信號進(jìn)行 FFT變換，然后在此基礎(chǔ)上求 信號 變換 后 的幅值和相位譜 ，并進(jìn)行分析 。 虛擬示波器和頻譜儀的前面板設(shè)計 創(chuàng)建一個新的 VI，切換到前面板設(shè)計窗口下，在設(shè)計區(qū)放置 5 個“波形圖表”控件，分別編輯它們的標(biāo)簽為“時間信號”、“ FFT 幅值譜 1” 、“ FFT 相位譜 1” 、“ FFT 幅值譜 2”和 “ FFT 相位譜 2” 。切換到前面板設(shè)計窗口下，適當(dāng)調(diào)整各控件的大小和位置，并設(shè)置各個輸入控件的輸入?yún)?shù)，然后單擊工具欄上程序運(yùn)行按鈕，開始運(yùn)行程序，其中的一個運(yùn)行界面如圖 31 所示。 圖 31 虛擬示波器和頻譜儀前面板設(shè)計 傅里葉變換和 FFT 變換 使用計算機(jī)進(jìn)行信號處理工作的要求導(dǎo)致了離散傅里葉變換的產(chǎn)生，因?yàn)?計算機(jī) 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(jī)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(jìn)行 采樣得到離散序列。實(shí)際信號可能是有限長的 ,也可能是無限長的。若 x (n) 為有限長序列 ,則令長度為 N 。若 x (n) 是無限長的 ,可用矩形窗將其截成 N 點(diǎn) ,然后將這 N 點(diǎn)序列視為周期序列的一個周期。對于離散傅里葉變換 ,求出N 點(diǎn) X( k) 需要 N2 次復(fù)數(shù)乘法 ,N(N 1) 次復(fù)數(shù)加法。每次復(fù)數(shù)乘法需要做四次實(shí)數(shù)乘法 ,兩次實(shí)數(shù)加法。因此計算 N 點(diǎn) X(k) 總共需要做 4N2次實(shí)數(shù)乘法和 4N(N 0. 5) 次實(shí)數(shù)加法。 DFT 運(yùn)算中包含大量重復(fù)運(yùn)算 ,充分利用這一性質(zhì)可以簡化 DFT 運(yùn)算。 虛擬示波器和頻譜儀的程序框圖設(shè)計 切換到程序框圖設(shè)計窗口下，在設(shè)計區(qū)放置一個“基本函數(shù)發(fā)生器 .vi”節(jié)點(diǎn)，一個“ While循環(huán)”節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的端口創(chuàng)建相應(yīng)的輸入 /輸出控件， 本設(shè)計 中 用到了 Real FFT . vi 模塊。該模塊 位于【編程】【波形】【模擬波形】【波形測量】【 FFT頻譜（幅度 相位）】， 具有實(shí)數(shù)快速傅里葉變換功能 ,即輸入為實(shí)數(shù)數(shù)組 ,輸出結(jié)果為復(fù)數(shù)數(shù)組。 圖 32 是 完成 的 程序框圖的設(shè)計。 圖 32 虛擬示波器和頻譜儀的程序框圖 從程序框圖可以看出，整個程序處于一個大的 While循環(huán)中，這樣在各時刻，當(dāng)調(diào)整參數(shù)時，程序也會立即更新，當(dāng)按下停止按鈕時，虛擬示波器和頻譜儀會停止工作。 在前面板 FFT幅值譜譜和 FFT相位譜的【 X標(biāo)尺】【屬性】中調(diào)整最大值使運(yùn)行程序是可以顯示出合理的可供研究的波形，運(yùn)行程序后結(jié)果如圖 33所示。 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(yùn)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。如圖 34當(dāng)使用方波作為信號源時，調(diào)整 X 軸坐標(biāo)使其足夠大，可以看到周期矩形脈沖的頻譜中的包絡(luò)線是很明顯的抽樣函數(shù)。 第 3 章 信號處理器 —— 虛擬示波器和頻譜儀 13 圖 34 雙路示波器和頻譜儀方波顯示 周期信號的諧波性 由圖 33可以看出， 信號一中，諧波幅度譜線出現(xiàn)在頻率為 1 1 24??；信號二的諧波幅度譜線出現(xiàn)在頻率為 1 20??，者分別對應(yīng)了兩種信號各自頻率的整數(shù)倍數(shù)，所以得以驗(yàn)證 周期信號頻譜的每條譜 線只能出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍頻率上。這就是周期信號頻譜的諧波性。 周期信號的收斂性 由圖 33及圖 34 可以看出，各次諧波的振幅，總的趨勢是隨著諧波次數(shù)的增高而逐漸減小。所以，周期信號的頻譜具有收斂性。 以上就是周期信號頻譜的三個特點(diǎn)： 離散性、諧波性、收斂性。通過設(shè)計的虛擬示波器和頻譜儀可以得到驗(yàn)證。 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(yīng)用。下面周期矩形脈沖信號為例，進(jìn)一步研究其頻 譜寬度與脈沖寬度之間的 關(guān)系。 對周期矩形信號進(jìn)行傅里葉變換，設(shè) 信 號 f(t)的脈沖寬度為 ??，脈沖幅度 為 E，重復(fù)周期 為 T，重復(fù)角頻率為 ?? = 2???? 。 圖 35顯示的是周期矩形信號進(jìn)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。 （ a） （ b） 圖 35 周期矩形脈沖信號的頻譜和相位譜 由圖 35可以得出以下結(jié)論： (1) 周期矩形脈沖信號的頻譜是離散的，兩譜線間隔為 ?? = 2???? 。 (2) 直流分量、基波及各次諧波分量的大小正比于脈幅 E 和脈寬 ??，反比于周期 T,其變化受包絡(luò)線 ?????????? 的牽制。 (3) 當(dāng) ?? = 2?????? (?? = 177。1,177。2,177。3……)時，譜線的包絡(luò)線過零點(diǎn)。因此?? = 2?????? 稱為零分量頻率。 (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(nèi)。因此通常把 ?? ∈ [0,2???? ]這段頻率范圍稱為矩形信號的有效頻譜寬度或信號的占有頻帶。 顯然，有效頻譜寬度 B 只與脈沖寬度 ??有關(guān)，而且成反比關(guān)系。 有效頻譜寬度是研究信號與系統(tǒng)頻率特性的重要內(nèi)容，要使信號通過線性系統(tǒng)不失真，就要求系統(tǒng)本身所具有的頻率特性必須與信號的頻寬相適應(yīng)。 離散頻譜與連續(xù)頻譜的關(guān)系 在軟件操作中，由于占空比 ?? = ???? = ????，要使 脈沖寬度 ??增大 而周期 T 不變，以第 3 章 信號處理器 —— 虛擬示波器和頻譜儀 15 觀察譜線的密集度的變化情況，則 ??增大的倍數(shù)應(yīng)該等于占空比 m 增大的倍數(shù)。 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。 由圖可見 ，由于周期相同，因而相鄰譜線的間隔相同，脈沖寬度愈窄，其頻譜包絡(luò)線的第一個零點(diǎn)的頻率越高，及信號帶寬越寬，頻帶內(nèi)所含的分量越多。 可見，信號的頻帶寬度與脈沖寬度成反比。反之，信號周期不變而脈沖寬度減小時，頻譜的幅度也相應(yīng)減小。 圖 36 周期相同脈沖寬度不同時的幅度譜對比 當(dāng)周期無限增大時， f(t)變?yōu)榉侵芷谛盘?，相鄰譜線間隔趨近于零。相應(yīng)振幅趨于無窮小量，從而周期信號的離散頻譜過渡到非周期信號的連續(xù)頻譜 。當(dāng) ?? → ∞時，即?? = 1?? → 0,頻譜線無限密集，頻譜幅度無限趨小。 如圖 37，當(dāng)信號曲線的頻率從 7 降到 1的過程中，譜線越來越密集，逐漸變成連續(xù)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(dá)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(jìn)行傅里葉級數(shù)展開。被展開的函數(shù) f(t)需要滿足如下的一組充分條件，這組條件成為“狄利克雷（ Dirichlet）條件” : (1)在一周期內(nèi)，如果有間斷點(diǎn)存在，則間斷點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)是有限個； (2)在一周期內(nèi)，極大值和極小值的數(shù)目應(yīng)是有限個； (3)在一周期內(nèi)，信號是絕對可積的，即 ∫ |??(??)|??????0+??1??0等于有限值（ T1為周期）。 任何周期信號只要滿足狄利克雷條件就可以分解成直流分量及許多正弦、余弦分量。這