labview实验报告

仿真信号产生实验

学号：201022020613 姓名：林杨

一、实验目的：

1．熟悉LabVIEW中仿真信号的多种产生函数及参数设置。 2．掌握常用测试仿真信号的产生。 3．学会产生复杂的函数波形和任意波形。

二、实验内容：

1．采用Express VI仿真信号发生器，产生规定的附有噪声的正弦信号，并显示波形。 2. 采用波形发生器VI，产生规定的附有噪声的多波形信号，并显示波形。 3. 产生任意波形信号，并显示和存盘。

4. 采用公式节点，产生规定的复杂函数信号。

三、实验器材：

安装有LabVIEW软件的计算机1台

四、实验原理：

1．虚拟仪器中获得信号数据的3个途径：

（1）对被测的模拟信号，使用数据采集卡或其他硬件电路，进行采样和A/D变换，送入计算机。

（2）从文件读入以前存储的波形数据，或由其他仪器采集的波形数据。 （3）在LabVIEW中的波形产生函数得到的仿真信号波形数据。 2．测试信号在LabVIEW中的表示

在LabVIEW中测试信号已经是离散化的时域波形数据，表示信号的数据类型有数组、波形数据和动态数据3种。

波形数据是一种特殊的簇结构，它由时间起始值t0、两个采样点的时间间隔值dt以及采样数据一维数组Y组合成的一个簇。它的物理意义是对一个模拟信号x(t)从时间t0开始进行采样和A/D转换，采样率为fs,对应采样时间间隔dt=1/fs ，数组Y为各个时刻的采样值。对周期信号，1个周期的采样点数等于采样频率除以信号频率。

3．仿真信号产生函数

在LabVIEW中产生一个仿真信号，相当于通过软件实现了一个信号发生器的功能。LabVIEW提供了丰富的仿真信号，包括正弦、方波、三角波、多频信号、调制信号、随机噪声信号、任意波形等。针对不同的数据形式(动态数据类型、波形数据和数组)，LabVIEW中有3个不同层次的信号发生器(Express VI仿真信号发生器、波形发生器VI和普通信号发生器VI)。

4．公式节点产生仿真信号

用公式节点可以产生能够用公式进行描述的信号，用公式节点可产生经过复杂运算生成的信号。公式波形．Vi产生的信号是波形数据，它的途径是：模板函数?信号处理?波形生成?公式波形．vi。

五、实验步骤：

1．设计一个简易的正弦波发生器，频率、幅值和直流偏值在面板上可调，还可叠加噪声

信号，并显示波形。

（1）前面板设计：应包括的控件有波形频率、幅度和直流偏值输入设置，噪声的标准偏差设置，显示波形的图形控件，还可用一个选择开关控制程序启动和停止。见图 （2）框图程序设计：

由于只需要一种波形，直接采用Express VI仿真信号发生器

（3）运行程序：改变以上参数，注意观察信号波形的变化。

图 正弦波加噪声发生器程序

2．设计一个简易的仿真多波形发生器，可产生频率、幅值和直流偏值可调的正弦、方波、三角波、锯齿波信号，还可叠加高斯噪声信号，并且采样率和采样点可选，显示波形。

（1）前面板设计：由于需要多种波形可调，不宜采用Express VI仿真信号发生器，而

要使用基本信号产生单元。对控件的文本列表属性进行设置，正弦波、三角波、方波、锯

齿波对应数值分别为0～3。再选用一些面板装饰控件，调整各控件的位置、大小和显示层数，把前面板设计成较美观、实用的虚拟仪器面板，参考界面如图 所示。

（2）框图程序设计：选用波形发生器VI中的Basic Function Generator函数产生要求的4种周期信号，它的输入参数见图 （a）。连接波形选择knob旋钮到signal type端口，连接频率、幅度、采样参数簇端口。选用波形发生器VI中的Gaussian White Noise Waveform函数产生标准偏差可调的高斯白噪声，用2次加法运算完成信号的直流偏值设置和叠加高斯白噪声，因为Labview中的许多运算具有多态性（即不同类型的数据可参与运算）。然后全部放入1个While循环中，用开关控制循环的结束。见图 。

(a) Basic Function Generator函数 (b) Gaussian White Noise Waveform函数

（3）运行程序：①分别改变信号的类型、频率、幅值和直流偏值，观察输出信号的变化。②改变噪声的大小，观察输出信号的变化。

（4）在程序中添加1个指示型波形数据簇，连接到输出波形上。让噪声等于0，分别改变波形和改变采样频率和采样点数，观察输出信号波形变化，记录波形数据。注意信号的频率与采样频率的关系。

图 仿真多波形发生器程序

3．产生如下图所示的任意波形信号，显示波形，并且把波形数据存盘，存放格式为2维的电子表格文件。

图 需产生的任意波形

图 Simulate Arbitrary Signal函数的信号定义对话框

此外，也可以不采用Express VI 中的Simulate Arbitrary Signal，使用数组或表格输入，

产生任意波形，只是需要自己做的事更多。

4．采用公式节点，产生信号：y(t)=sin(wt)+0.6sin(3wt)+0.2sin(5wt)+t，信号的频率和幅值面板上可调。

程序图：

参考波形如图 所示。

六、思考题

1．在实验题目2中，如何实现通过面板选择叠加不同类型的噪声信号？

提示：Labview提供了9种仿真的随机信号产生函数，但1个函数只能产生1种噪声，可采用包括9帧的CASE结构，每帧调用1个噪声函数，用面板上的噪声类型选择控件来控制。

2．在实验题目4中，信号的公式改为从面板输入，输入什么公式可产生三角波、指数波和对数波。

交流电压表仿真实验 一、实验目的：

1．理解交流电压的基本参量定义。 2．了解交流电压的模拟测量方法。

3．掌握交流电压的采样计算测量方法和计算公式，并且编程实现。 4．学会使用LabVIEW提供的周期信号幅值计算函数。

二、实验内容：

1．设计1个交流电压表的仿真软件（包括前面板和框图程序），设计要求如下： ? ? ?

可以测量周期信号（正弦、方波、三角波、锯齿波）的有效值、峰值、直流分量（均值）和平均值。

被测信号来源于LabVIEW仿真信号发生器。

分别采用LabVIEW提供的时域处理函数和仅使用基本数学运算函数的方法。

2．使用设计的交流电压表分别测量正弦、方波、三角波、锯齿波信号，验证不同波

形时有效值、峰值和平均值之间的关系。

3．研究信号频率与采样频率、采样点数和测量误差之间关系。 4．被测信号叠加噪声后，再进行测量和分析误差。

三、实验器材：

安装有LabVIEW软件的计算机1台

四、实验原理：

1．交流电压基本参量定义

表征交流电压的三个基本参量是有效值、峰值和平均值，其定义和计算公式如下表所示，

表

名 称 峰值xp 意 义 峰值xp是指在一个周期内信号x(t)可能出现的最大绝对瞬时值。 峰-峰值xp?p指在一个周期内信号峰-峰值xp?p 均值?x （直流分量） 平均值xa 均方值 最大瞬时值xmax计算公式 xp?x(t)max 最小瞬时值xmin之xp?p?xmax?xmin 差的绝对值。 均值?x是周期信号一个周期的平均幅值，是信号的常值分量。 交流电压测量中，平均值通常指经过全波整流后的波形的平均值 均方值pav?x?xa?pav?1T1T1T??T0x(t)dt T0x(t)dt 2pav反映了信号的功率大小，是信号的平均功率。 ?T0x(t)dt 有效值xRMS 有效值xRMS就是均方值的平方根。 xRMS?1T?T02x(t)dt

2．测量方法：

（1）基于AC－DC转换的模拟测量方法

通过检波电路将交流电压变换为峰值、平均值或有效值的直流电压，再对直流电压进行测量。峰值检波的基本原理是通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值，而二极管反向截止时“保持”该峰值。其原理电路图及波形图如图 所示。

DCu(t)CRLVpu(t)DRLVpau(t)VPbtc

图 峰值检波原理图（a. 串联式，b. 并联式，c. 波形图）

（2）模拟运算集成电路

直接根据有效值的定义式，采用模拟运算的集成电路来实现，如图所示。首先是由

模拟乘法器实现平方运算，再是积分和开方运算，最后通过运算放大器的比例运算，得到有效值输出。随着集成电路技术的发展，计算式有效值电压表得到更多应用。

u(t)u(t)2?T0AVrms 图5-5 计算式有效值变换实现框图

（3）热电偶有效值检波

通过被测交流电压u(t)对加热丝加热，热偶的热端感应加热丝的温度，维持冷端温度T0不变，并通过连接导线连接直流微安表。由于热端与冷端有温差，从而产生热电动势，并使热偶回路中产生直流电流I，并由该直流电流驱动微安表头，如图所示 。电流I正比于热电动势，而热电动势正比于热端与冷端的温差，而热端温度与加热功率成正比，即u(t)的有效值的平方成正比。即表头电流I正比于有效值V的平方。热电偶有效值电压表的缺点是，受外界环境温度的影响较大，结构复杂，价格较贵。

R加热丝热端T热偶M冷端T0IuAu(t)

图 热电偶有效值测量原理

（4）采样-计算法

直接采用高速A/D转换器，将被测交流电压波形以奈奎斯特采样频率实时采样，然后，

对采样数据进行处理，根据定义计算出被测交流电压的有效值、峰值和平均值。对模拟信号x(t)的一个周期进行采样和A/D转换，得到有限长数字序列x(n),其中n=0，1，2?N-1，离散计算公式如表3-5所示。

表3-5 周期信号的幅值特征值离散计算公式 名 称 峰值xp 峰-峰值xp?p 均值?x 平均值xa 离散计算公式 xp?x(n)max xp?p?xmax?xmin ?x?1N1NN?1?x(n) n?0N?1?x??n?0x(n) 有效值xRMS xRMS?1NN?1?xn?02(n)

在虚拟仪器中，计算机只能对离散信号进行处理，所以采用第4种方法测量交流电压，本实验正是采用此方法。

3．波峰因数和波形因数

规则周期信号的有效值和平均值与峰值之间有一定的数学关系，用波峰因数和波形因数表示，不同波形有不同的因数，见表 。

表5-1 常见波形的波峰因数和波形因数(表中Vp为峰值)

波形名称 Vpt波形图 有效值V 平均值U 2Vp波峰因数Kp 波形因数KF 正弦波 Vp2 ?Vp2Vp21．414 1．11 三角波 VptVptVp3 1．73 1．15 锯齿波 Vp 1．73 1．15 3Vp方波 tVp Vp 1 1

需要注意的是，当这些交流信号含有直流分量时，上述信号有效值和平均值与峰值之间

的波峰因数和波形因数不成立。并且有效值不等于直流分量加交流分量的有效值，从有效值的计算公式很容易理解，即xRMS?1NN?1?n?0(x(n)??x)?21NN?1?x(n)n?02??x。但有时在采集信号时，

波形数据附加了直流分量，或需要单独计算不含直流的交流有效值，这时需要先减去直流分

?RMS?x1NN?1量再计算，公式为：

?(x(n)??n?0x)2。同理，交流分量的平均值计算也如此。

4．在LabVIEW中有关信号幅值特征值计算函数

在LabVIEW中实现信号幅值特征值的求取，最简单有效的方式是用Express VI中的幅值和电平测量．VI。它的到达路径是函数模板?信号分析?幅值和电平测量．VI。它可以求取的幅值特征值项目及其对应参数含义列于表3-7中。

表3-7 Amplitude And Level Measurements．vi幅值特征值求取项目

参数 DC RMS Maximum peak Minimum peak 参数含义 信号均值 信号有效值 信号最大值 信号最小值 参数 Peak to peak Cycle average Cycle RMS 参数含义 峰-峰值 一个周期的平均值 一个周期的均方根值

对信号均值和有效值（RMS）的求取还可以用波形测量子模板中的，

还有3个专门针对多谐信号进行幅值和频率测量的VI，它们是径是All Functions?Analyze?Waveform Measurements。

。其到达路

五、实验步骤：

1．设计1个交流电压表的仿真软件（包括仿真信号发生器、前面板和框图程序），设

计要求如下：

? 可以测量周期信号（正弦、方波、三角波、锯齿波）的有效值、峰值、直流分量

? ?

（均值）和交流平均值。

被测信号来源于LabVIEW仿真信号发生器。可采用前面3.5节第2个实验内容的程序。

分别采用LabVIEW提供的2种时域处理函数和仅使用基本数学运算函数共3种计算方法。

（1）打开3.5节第2个实验内容的程序，它能够产生频率、幅值和直流偏值可调的正弦、方波、三角波、锯齿波信号，还可叠加高斯噪声信号，并且采样率和采样点可选。为了便于观察产生的采样后的信号，可以修改wave graph控件的plots属性中点的类型为“。”，在右击弹出的下拉菜单的scale中，不选Auto scale Y项，并且修改Y的下限为-20，上限为+20。另外在输出波形上连接1个波形数据指示控件，显示波形数据。

（2）采用Express VI中的Amplitude and Level Measurements．VI，求取有效值、峰峰值、直流分量（均值）。打开Amplitude and Level Measurements．VI的参数设置对话框，如图3-17所示。函数输出的峰峰值除以2得峰值。该函数当采样的波形数据少于1.5～

2个周期时，会提示出错，不能计算出结果。放置3个指示型数值控件显示计算结果。 注意：指示性数值控件的数据格式，不能用自动格式，当数值很大或接近与0时，显

示格式会变为科学计数指数型显示，如0.00000564578显示为5.64578E－6，而显示窗口常常比较小，可能会遮住后部分数字，误认为是“5.645”而产生错误。解决方法是选择数据格式为“floating point”，根据需要固定显示小数位数，如4等。

图3-17 参数设置对话框

（3）采用波形测量子模板中的Basic Averaged DC-RMS函数，求取有效值和直流分量

（均值），放置2个指示型数值控件显示计算结果。

（4）利用Numeric之模板中的数学运算函数，根据公式计算有效值、峰值、直流分量（均值），去直流后的交流有效值和平均值。峰值＝（最大值－最小值）/2，最大值和最小值采用数组之模板中的Array Max & Min函数，但该函数的输入只能是数组，所以先使用wave之模板中的Get Waveform Components函数得到数组Y。采样点数N的获得有两种方法，一是通过波形wave之模板中的Array Size函数求取数组Y的长度，二是直接从仿真波形产生函数的采样信息簇得到，使用簇cluster子模板中的Unbundle函数实现。放置5个指示型数值控件显示计算结果。

（5）把以上程序都放入循环框中。为了方便观察实验的计算结果，再放置1个定时器控件，延时时间设500ms，该控件在Time & Dialog子模板中。适当调整和装饰前面板及框图程序。设计好的程序的前面板和框图程序如图 所示。

以下都是包含高斯噪声的波形：

图 仿真交流电压表程序

2．使用设计的交流电压表分别测量正弦、方波、三角波、锯齿波信号，验证不同波

形时有效值、峰值和平均值之间的关系。先不加直流测量，然后再加入直流进行比较。 3．选择被测信号为正弦波，改变被测信号频率、采样频率和采样点数，进行测量并

作误差分析。当采样频率不为信号频率的整数倍时，误差如何？

4．被测信号叠加噪声后，再进行测量和分析误差。改变噪声的大小（即标准偏差），

记录测得的信号有效值、均值、峰值。

六、思考题

1．采样时，对采样频率有什么要求？

答：采样频率至少要大于信号频率的两倍 才能不失真地输出信号波形。

2．本实验的计算结果表明测量误差与采样频率和采样点有什么关系？

答：采样频率越大，采样点越多，测量误差越小，因为减小了混叠误差。增加采样点数的显示，则可以更大范围覆盖所测量的电平值。

3．被测信号叠加噪声引入的误差，对峰值和有效值那个影响大？为什么？

答：对峰值影响大，对有效值影响小。噪声对峰值是直接的叠加，而有效值的计算方式大大消弱了噪声信号的影响。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dpbp.html