【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(jì)。 程序框圖 的設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)多功能雙路信號(hào)發(fā)生器，為了便于本設(shè)計(jì)后面對(duì)信號(hào)波形的研究對(duì)比，對(duì)信號(hào)發(fā)生器模塊進(jìn)行了改進(jìn)，使之能在一個(gè)波形顯示窗口中顯示雙路波形。 多功能雙路信號(hào)發(fā)生器的前面板設(shè)計(jì) 創(chuàng)建一個(gè)新的 VI，切換到前面板設(shè)計(jì)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(jì)的一個(gè)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器， 前面板設(shè)計(jì) 圖如圖 22 所示 第 2 章 多功能雙路信號(hào)發(fā)生器 6 圖 22 虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板 多功能雙路信號(hào)發(fā)生器的程序框圖設(shè)計(jì) 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(jì)區(qū)適當(dāng)位置。 移動(dòng)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(gè)與“ Frequency”端口相連接的輸入控件節(jié)點(diǎn)，并自動(dòng)連線，同時(shí)在前面板上創(chuàng)建了一個(gè)與該節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值輸入控件對(duì)象 。 用同樣的方法，分別通過“ Amplitude”（幅值），“ Phase” （相位），“ Signal Type”（信號(hào)類型），“ Reset Signal”（重置信號(hào)），“ 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(hào)發(fā)生器 7 圖 23 信號(hào)發(fā)生器程序框圖 重復(fù)上述設(shè)計(jì)步驟再設(shè)計(jì)一個(gè)基本信號(hào)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(gè)信號(hào)“信號(hào)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(shí)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(hào)發(fā)生器程序框圖 定時(shí)對(duì)于所有測(cè)試、控制和設(shè)計(jì)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(dòng)作時(shí)，定時(shí)和同步技術(shù)將事件以時(shí)間進(jìn)行關(guān)聯(lián)。要讓軟件完成這些協(xié)同動(dòng)作，程序必須以時(shí)間為基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)同步。 NI Labview 中包含了定時(shí)結(jié)構(gòu)，第 2 章 多功能雙路信號(hào)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(jì)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(gè) while循環(huán)，保證輸出波形的連續(xù)。 打開【函數(shù)】【編程】【定時(shí)】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(dòng)光標(biāo)到“等待（ ms）”節(jié)點(diǎn)的“等待時(shí)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(gè)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(jì)可以通過分別設(shè)置不同的信號(hào)參數(shù)，使兩路信號(hào)的時(shí)域波形同時(shí)顯示在一個(gè)波形圖表中，所以能夠更直觀的觀察信號(hào)的聯(lián)系和區(qū)別，也為后續(xù)的設(shè)計(jì)做了前期準(zhǔn)備工作。 第 2 章 多功能雙路信號(hào)發(fā)生器 9 圖 26 雙路示波器前面板 第 3 章 信號(hào)處理器 —— 虛擬示波器和頻譜儀 10 第 3 章 信號(hào)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(jì)思路 本 章節(jié)的設(shè)計(jì)主要是 對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理 ，設(shè)計(jì)目的是在同一個(gè)前面板中對(duì)比顯示信號(hào)的頻譜與相位譜，以驗(yàn)證課本上時(shí)域和頻域中信號(hào)波形的一般特點(diǎn) 。信號(hào)處理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測(cè)試儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的一個(gè)重要組成部分 ,信號(hào)的采集總是與信號(hào)處理 是分不開的 ， FFT頻譜 變換 （幅值 相位）節(jié)點(diǎn)用于對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行 FFT變換，然后在此基礎(chǔ)上求 信號(hào) 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(jì) 創(chuàng)建一個(gè)新的 VI，切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，在設(shè)計(jì)區(qū)放置 5 個(gè)“波形圖表”控件，分別編輯它們的標(biāo)簽為“時(shí)間信號(hào)”、“ 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(jì)窗口下，適當(dāng)調(diào)整各控件的大小和位置，并設(shè)置各個(gè)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(gè)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(jì) 傅里葉變換和 FFT 變換 使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)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(jì)算機(jī) 要第 3 章 信號(hào)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(jì)算機(jī)完成頻譜分析和其他的工作 ,通常的處理 操作是 對(duì)模擬信號(hào) 進(jìn)行 采樣得到離散序列。實(shí)際信號(hào)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(gè)周期。對(duì)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(jì)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(jì) 切換到程序框圖設(shè)計(jì)窗口下，在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“基本函數(shù)發(fā)生器 .vi”節(jié)點(diǎn)，一個(gè)“ 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(jì) 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(cè)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(jì)。 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(gè)程序處于一個(gè)大的 While循環(huán)中，這樣在各時(shí)刻，當(dāng)調(diào)整參數(shù)時(shí)，程序也會(huì)立即更新，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，虛擬示波器和頻譜儀會(huì)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(hào)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(hào)幅度譜特性的分析研究 周期信號(hào)的離散性 由圖 33可以選看出，周期信號(hào)的 頻譜由不連續(xù)的線條組成，每一條線代表一個(gè)正弦量，故稱為離散頻譜。如圖 34當(dāng)使用方波作為信號(hào)源時(shí)，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(hào)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(hào)的諧波性 由圖 33可以看出， 信號(hào)一中，諧波幅度譜線出現(xiàn)在頻率為 1 1 24??；信號(hào)二的諧波幅度譜線出現(xiàn)在頻率為 1 20??，者分別對(duì)應(yīng)了兩種信號(hào)各自頻率的整數(shù)倍數(shù)，所以得以驗(yàn)證 周期信號(hào)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(hào)頻譜的諧波性。 周期信號(hào)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(shì)是隨著諧波次數(shù)的增高而逐漸減小。所以，周期信號(hào)的頻譜具有收斂性。 以上就是周期信號(hào)頻譜的三個(gè)特點(diǎn)： 離散性、諧波性、收斂性。通過設(shè)計(jì)的虛擬示波器和頻譜儀可以得到驗(yàn)證。 周期信號(hào)的有效頻譜寬度 在周期信號(hào)的頻譜分析中，周期矩形脈沖信號(hào)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(hào)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(duì)周期矩形信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，設(shè) 信 號(hào) 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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(shí)，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(hào)包含無限多條譜線，它可分解為無限多個(gè)頻率分量，但其主要能量集中在第一個(gè)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(hào)的有效頻譜寬度或信號(hào)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(hào)與系統(tǒng)頻率特性的重要內(nèi)容，要使信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(gè)零點(diǎn)的頻率越高，及信號(hào)帶寬越寬，頻帶內(nèi)所含的分量越多。 可見，信號(hào)的頻帶寬度與脈沖寬度成反比。反之，信號(hào)周期不變而脈沖寬度減小時(shí)，頻譜的幅度也相應(yīng)減小。 圖 36 周期相同脈沖寬度不同時(shí)的幅度譜對(duì)比 當(dāng)周期無限增大時(shí)， f(t)變?yōu)榉侵芷谛盘?hào)，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(hào)的離散頻譜過渡到非周期信號(hào)的連續(xù)頻譜 。當(dāng) ?? → ∞時(shí)，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(hào)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(hào)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(duì)比 分析 第 4 章 周期矩形信號(hào)的諧波分解與疊加 17 第 4 章 周期矩形信號(hào)的諧波分解與疊加 周期性矩形脈沖信號(hào)的分解與疊加的基本原理 周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)分析 按照傅里葉級(jí)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(jí)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(jì)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(hào)都能進(jìn)行傅里葉級(jí)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(gè)； (2)在一周期內(nèi)，極大值和極小值的數(shù)目應(yīng)是有限個(gè)； (3)在一周期內(nèi)，信號(hào)是絕對(duì)可積的，即 ∫ |??(??)|??????0+??1??0等于有限值（ T1為周期）。 任何周期信號(hào)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