基于LABVIEW的虚拟滤波器设计

毕 业 设 计（论 文）

题 目 基于LabVIEW的虚拟滤波器设计

姓 名 学 号 所在学院 专业班级 指导教师 日 期 2013 年 5 月 24 日

摘 要

电子技术和计算机技术的快速发展促进了硬件软件化，使基于个人计算机的测控仪器——虚拟仪器得到了快速的发展。虚拟仪器利用计算机强大的处理能力，使得其在智能化程度、处理能力和可操作性等方面均具有明显的技术优势，其应用范围也越来越广泛。LabVIEW是一种基于图形化编程语言的开发环境，为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。

本文首先用LabVIEW设计一个信号发生器，信号类型(如正弦波、方波、锯齿波等）、幅值、相位、频率等参数均可调，其次，给信号发生器产生的信号加噪（如高斯白噪声、均匀白噪声、随机噪声等），要求噪声的幅值和采样信息等值均可调，然后，用LabVIEW设计一个虚拟数字滤波器要求滤波器的频带类型（如低通、高通、带通、带阻）、最佳特性逼近方式（巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔等）、阶数以及高截止频率和低截止频率等参数均可调，将加噪后的波形通过所设计的虚拟滤波器，将它用波形图显示出来，最后，将原始信号与滤波后的信号进行傅里叶变换，在频域显示幅值和相位。比较加噪后的波形与滤波后的波形，发现噪声很大程度地滤除。

关键词：虚拟仪器；滤波器；LabVIEW

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Abstract

With the rapid development of electronic technology and computer technology, the hardware is oriented to software. The control instruments --- the virtual instruments based on the personal computer are prompted rapidly. The virtual instruments have obvious advantages in the degree of intelligence, processing power and maneuverability because of the computer’s strong processing power. And their application is more wide. LabVIEW is a development environment based on the graphical programming. The convenient and relaxed design environment for virtual instrument designers is provided by using LabVIEW.

In this paper, a signal generator is designed by using the LabVIEW at first. The signal generator’s signal type(sine, square, sawtooth, etc.), amplitude, phase, frequency and other parameters can be adjusted. Secondly, a noise(Gaussian white noise, uniform white noiserandom noise, etc.) is added into the signal. The amplitude of the noise and the type of the noise and sampling the information equivalents can be adjusted. Then a digital filter is designed by using the LabVIEW. The frequency band(low pass, high pass, band pass, band stop, etc.), the best characteristics of approximation way(Butterworth, Chebyshev, Bessel, etc.), the number of order as well as the frequency of the high cut-off and low cut-off frequencyand other parameters can be adjusted. The wave into which the noise is added is tranferred to the virtual filter and then it’s displayed in the waveform. Finally, the original signal and the filtered signal are had the Fourier transform and displayed in the frequency domain concluding amplitude and phase. Comparing the original wave and the wave with the noise, we find that the noise is filtered at a large extent. Keywords: Virtual instrument; Wave filter; Labview

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目录

摘 要............................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................... II 第一章 绪 论................................................................................................................ 1

1.1 虚拟仪器的发展趋势..................................................................................... 1 1.2 课题的目的及意义......................................................................................... 1 1.3 课题内容......................................................................................................... 2 第二章 LabVIEW与虚拟仪器 .................................................................................. 3

2.1 虚拟仪器技术概述......................................................................................... 3

2.1.1 虚拟仪器的定义.................................................................................. 3 2.1.2 虚拟仪器的分类.................................................................................. 3 2.1.3 虚拟仪器与传统仪器比较的优势...................................................... 5 2.2 虚拟仪器开发平台......................................................................................... 7 2.3 LabVIEW中的基本概念 ................................................................................ 8 2.4 本章小结......................................................................................................... 9 第三章 信号发生器.................................................................................................... 10

3.1 测试信号的基本类型................................................................................... 10 3.2 测试信号的分析处理................................................................................... 10 3.3 在LabVIEW中设计信号发生器 ................................................................ 11 3.4 本章小结....................................................................................................... 13 第四章 滤波器 .......................................................................................................... 14

4.1 滤波器的概念 ....................................................................................... 14 4.2 滤波器的分类............................................................................................... 14 4.3 理想滤波器................................................................................................... 17 4.4 实际滤波器的主要参数............................................................................... 18 4.5 在LabVIEW中设计滤波器 ........................................................................ 20 4.6 本章小结....................................................................................................... 22 第五章 测试信号的频域分析与处理...................................................................... 22

5.1 离散时间傅里叶变换及其LabVIEW实现 ................................................ 22

5.1.1 数字信号处理中存在的误差及其解决办法.................................... 22 5.1.2 DFT的快速计算工具FFT ............................................................. 24 5.1.3 时域分析与频域分析的功能比较.................................................... 24 5.2 测试信号频谱分析及LabVIEW实现 ........................................................ 25

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5.3 本章小结....................................................................................................... 27 第六章 设计实现...................................................................................................... 28

6.1 设计的基本步骤........................................................................................... 28 6.2 在LabVIEW中实现设计总功能 ................................................................ 32 致谢.............................................................................................................................. 34 参考文献...................................................................................................................... 35

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第一章 绪 论

1.1 虚拟仪器的发展趋势

虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术[1]。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。由于现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，犹如滚滚长江东流水，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器技术的出现又使得测量仪器进步入了高科技的殿堂。

与传统的仪器不同，虚拟仪器(Virtual Instrument)是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它是由控制模块、仪器模块和软件组成，在虚拟仪器中软件是至关重要的，仪器的功能都要通过它来实现，因此软件是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”，从本质上反映了虚拟仪器的特征。

虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种。一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有Lab Windows/CVI、Visual Basic、VC++等。另一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有LabVIEW和Hp Vee。其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。

1.2 课题的目的及意义

近年来，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统得到越来越多的应用，尤其是在航空航天等国防科技领域。网络化的测控系统大体上由两部分组成：测控终端与传输介质，随着个人计算机的高速发展，测控终端的位置越来越多的被个人计算机所占据，其中，软件系统是计算机系统的核心，甚至是整个测控系统的灵魂，应用于测控领域的软件系统称为监控软件。传输介质组成的通信网络主要完成数据的通信与采集，这种数据采集系统是整个测控系统的主体，是完成测控任务的主力。因此，这种“监控软件——数据采集系统”构架的测控系统结构在很多领域都得到了广泛的应用，并形成了一套完整的理论。现阶段，在雷达、地震、通讯、控制系统等越来越广泛的科学技术领域中都对实际所观察的信号提出了滤波和频谱分析的要求，然而，从测试现场采集到的信号中包含有对数据处理有用的信号同时也包含各种频率的噪声，噪声的能量

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有时候甚至会超过信号的能量，因此我们迫切地需要一种软件，它可以代替硬件完成所需要的功能，提供一种虚拟滤波器，采集的信号通过滤波器，使特定频率范围的信号（有用信号）通过，而极大地衰减或抑制其他频率的信号（一般为噪声信号），提高信号分析的真实程度，然后才能对信号进行进一步处理。

虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，以透明的方式把计算机资源和硬件测试能力结合起来，用户可以灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模，我们可以通过它轻松地配置、创建、维护、修改各种解决方案，它满足了用户多种多样的需求，同时提高了工作效率、节省了硬件资源。

随着计算机软硬件技术、通信技术以及网络技术的飞速发展，为虚拟仪器技术的发展提供了广阔的前景。在世界范围内，汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各领域均通过LabVIEW提高了应用开发的效率，其应用涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段[2]。虚拟数字滤波器的设计在电子测量领域中将会发挥极大的作用。

1.3 课题内容

1.用LabVIEW设计一个多功能信号发生器，产生正弦波（或者方波、锯齿波等基本波形），保存并显示波形。

要求：信号的类型、幅值、频率、相位和采样信息均可调。 2.对信号加噪后显示其波形。

要求：噪声的幅值和采样信息均可调。

3.用Labview设计一个虚拟数字滤波器，将加噪后的信号输出到滤波器的输入端，对信号进行滤波，并显示滤波后的波形。

要求：滤波器的最佳特性逼近方式（巴特沃斯、）、通过的频带类型、低截止频率、高截止频率、阶数等参数均可调。

4.将滤波后的波形与基本波形分别在时域和频域比较，分析误差。

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第二章 LabVIEW与虚拟仪器

虚拟仪器系统是不断革新的计算机技术与仪器技术相结合的产物。它利用目前计算机系统的强大功能，结合专用的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展和升级。

2.1 虚拟仪器技术概述

2.1.1 虚拟仪器的定义

一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件(例如插入式板卡)及驱动软件，他们在一起共同完成传统仪器的功能。以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台的计算、显示和互联网等诸多用提高工作效率的强大功能。软件是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。有了虚拟仪器，用户就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定(完全由厂家提供)的传统仪器的限制。 2.1.2 虚拟仪器的分类

虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：

1. PC总线——插卡型虚拟仪器

这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合（注：美国NI公司的Labview是图形化编程工具，它可以通过各种控件自已组建各种仪器。Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi构成测试系统[3]，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。

2. 并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成

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在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。 3. GBIB总线方式的虚拟仪器 GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。

4. VXI总线方式虚拟仪器 VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

5. PXI总线方式虚拟仪器 PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3~4个扩展槽，通过使用PCI—PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。

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2.1.3 虚拟仪器与传统仪器比较的优势

所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台。它可代替传统的测量仪器。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律每半年提高一倍飞速发展已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。比起传统仪器,虚拟仪器有以下优势： 1. 灵敏性

虚拟仪器概念的提出是针对于传统仪器而言的，它们之间的最大区别是由虚拟仪器提供的，是完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件设备，而功能是由用户定义。而传统仪器则功能固定且由厂商定义，把所有软件和测量电路封装在一起利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器则非常灵活，使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。每一个虚拟仪器系统都由两部分组成——软件和硬件。对于当前的测量任务。虚拟仪器系统的价格可能与具有相似功能的传统仪器相差无几，也可能比它少很多倍。但由于虚拟仪器在测量任务需要改变时具有更大的灵活性，因而随着时间的流逝，节省的成本也不断累计。 虚拟仪器的灵活性体现在： ⑴不同的设备实现同一应用

一个测试项目（一个直流（DC）电压和温度测量应用）根据不同的应用场合可以采用不同的设备，却可以采用相同的程序代码。若是实验室验证，就可以应用台式计算机上PCI总线，使用LabVIEW 和DAQ 设备开发一个应用程序。若要应用于生产线，则可以采用PXI系统上配置应用程序。若是需要具有便携性，就可以选择USB 总线的DAQ 产品来完成任务。 ⑵一个设备实现不同应用

假设有两个不同的应用，一个是利用DAQ 设备和积分编码器来测量电机位置的项目",，另外一个是监视和记录这个电机的功率。即使这两个任务完全不同也可以重复利用同一块DAQ 设备，所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发出新的应用程序。此外，如果需要的话项目既可以与一个单一的应用程序结合也可以运行在一个单一的DAQ 设备。 2. 兼容性

许多工程师和科学家都在实验室里将虚拟仪器和传统仪器结合使用。除此之外，一些传统仪器提供了特定的测量，工程师和科学家宁愿厂商定义也不愿自己

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定义。这就引出了一个问题：“虚拟仪器和传统仪器能够兼容吗？”虚拟仪器和传统仪器要并存一段时间，一些测试系统必然要将两者结合使用，虚拟仪器和传统仪器之间的兼容性问题成为关注的焦点，虚拟仪器可与传统仪器完全兼容，无一例外，虚拟仪器软件通常提供了与常用普通仪器总线，如GPIB、串行总线和以太网相连接的函数库。除了提供库之外，200多家仪器厂商也为NI 仪器驱动库提供了4000余种仪器驱动。仪器驱动提供了一套高层且可读的函数以及仪器接口。每一个仪器驱动都专为仪器某一特定的模型而设计，从而为它独特的性能提供接口。 3. 测量方法

对于传统测量仪器而言",，根据测量需求选择满足测量功能的仪器型号或通过产品手册来查询确定合适的测量仪器购买即可。对于虚拟仪器而言，根据测量需求选择满足测量功能的数据采集卡型号（确定总线类型后），自定义测量、分析功能。然后自行设计满足测量需求的虚拟仪器。当然设计工作也可以委托系统集成商来完成。基于计算机的数字化测量导致改变了一些传统的测量模式，这是一个很本质的变化。 ",4.硬件性能

虚拟仪器的重要概念就是驱使实际虚拟仪器软件和硬件设备加速的策略。虚拟仪器技术致力于适应或使用诸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx 以及其他公司的高投入技术。例如，使用Microsoft 在操作系统（OS）和开发工具方面的巨大投资。在硬件方面，应用基于Analog Devices 在A/D 转换器方面的投资。

虚拟仪器系统是基于软件的，所以只要是可以数字化的东西，就可以对它进行测量。因此，测量硬件可在通过两根坐标轴进行评估，即分辨率（位）和频率。 虚拟仪器的硬、软件具有开发性、模块化、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便的加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不用购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展。 ",5. 简便性

虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。 它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、 信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数， 如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据，它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训既可迅速掌握操作规程，它集成方便，

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不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。

不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件，工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件设备，功能完全由用户自定义。此外，利用虚拟仪器计数，工程师和科学家们还可以使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。 6. 测量输入信号特性

测量输入信号特性(如电压、频率、上升时间等)只需要一个量化的数据模块，要测量的信号特性能被数据处理器计算出来，这种将多种测试集于一体的方法缩短了测试的时间，从而提高了测试速度。

在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常感到捉襟见肘，手足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面、条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理，其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。

2.2 虚拟仪器开发平台

从虚拟仪器的概念出发，不难发现，软件——虚拟仪器的开发平台是虚拟仪器的精髓，而LabVIEW正是一款优秀的虚拟仪器软件开发平台。作为美国国家仪器公司推出的虚拟仪器开发平台，LabVIEW以其直观、简便的编程方式[4]，众多的源码级的设备驱动程序，多种多样的对分析和表达功能的支持，为用户快捷地构建自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。

由于采用了图形化编程语言——G语言，LabVIEW产生的程序是框图的形式[5]，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可以在很短的时间内掌握并应用到实践中去。

LabVIEW程序又称为虚拟仪器 ，它的表现形式和功能类似于实际的仪器，但是LabVIEW程序很容易改变设置和功能。因此，LabVIEW特别适用于实验室、

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多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，以及对信号进行分析、研究、传输等场合。

2.3 LabVIEW中的基本概念

在LabVIEW开发出的应用程序被称为VI（Virtual Instrument的英文所写，即虚拟仪器）。VI是由图标、连线以及框图构成的应用程序[6],由Front Panel(前面板)和Block Diagram(后面板)两部分构成。

前面板是应用程序的界面，是人机交互的窗口，主要由Controls(控制量)和Indicators(显示量)构成[7,8]。当程序运行时，用户通过控制量（例如用户输入数据的文本框以及一些按钮、开关等）输入数据和控制程序运行[9]，而显示量（例如显示波形的示波器控件等）则主要用于显示程序运行的结果[10]。如果将一个VI程序比作一台仪器的话，那么，控制量就是仪器的数据输入端口和控制开关，用于给程序提供输入数据和控制信号，而显示量则是仪器的显示窗口，用于显示经过程序分析、处理后的结果[11]。图2.1展示了用LabVIEW编写程序的前面板，其中有一个显示量和四个控制量。

图2.1 LabVIEW程序的前面板

这个程序用一个锯齿波发生器产生信号，信号的相位、频率、幅值可控制，然后用“示波器窗口”显示出来。简单地说，控制量和显示量构成了一个VI的基本输入和输出组件。

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图2.2 LabVIEW的后面板

图2.2展示了上述程序的后面板，后面板是VI的代码部分，也是VI的核心，从图2.2中可以看出VI的后面板主要由图标、连线和框图构成，这些图标、连线和框图实际上是一些常量、变量、函数、VIs、Express VIs，正是它们构成了VI的主体[12]。

如果把VI的前面被比作一个仪器的操作面板，用于信号的输入、结果的显示以及控制仪器的运行，那么后面板就是仪器中的电路板和电路元件，主要用来进行信号的分析和处理。

2.4 本章小结

这一章概述了LabVIEW的相关背景知识，介绍了LabVIEW作为一种图形化编程语言——G语言的基本特征及其相对于传统编程语言的优势、LabVIEW与虚拟仪器技术的关系，以及LabVIEW在虚拟仪器技术中所担当的重要角色。

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第三章 信号发生器

本章首先简要介绍测试信号的基本知识，测试信号的基本类型、描述和基本分析处理方法，以及在LabVIEW中设计信号发生器。

3.1 测试信号的基本类型

测试信号有两种最常用的分类方式：根据信号在时域的描述方式分为确定性信号和非确定性信号[13,14]；按描述信号的数学关系式的自变量（通常是时间）取值是否连续，可将信号分为连续信号和离散信号，但在测试系统设计和测试信号分析处理中，我们讨论更多的是模拟信号和数字信号两种形式，这种分类方式对测试系统中信号的概念的描述更为实用。另外，还有根据信号能量或功率的时间有限性分为能量有限信号和功率有限信号[15]。

3.2 测试信号的分析处理

测试技术作为一门学科，不仅要将各种物理量转换为信号，更要运用数学工具对信号加以分析研究，从中得到一些具有普遍意义的理论，这些理论称为信号的分析处理，测试信号的分析处理要达到信噪分离和提高信噪比、特征提取与状态识别、修正系统误差的目的[16,17]。

和信号的描述类似，信号的分析处理也主要从时域和频域两方面进行[18,19]。时域分析包括时域波形分析，例如对时域信号波形的时间、幅值、周期和时间相关性等进行分析[20]，时域处理包括对波形的修正、单个波形或多个波形间的数学运算、信号重新采样等[21,22]。频域分析包括对信号的频谱分析，对随机信号的功率谱分析，以及对系统频率响应的分析和相干函数分析[23,24]。表3.1列出了测试信号常用的时域分析处理和频域处理方法

表3.1 测试信号常用时域分析处理和频域处理 信号特征值求取 信号运算 频域分析和处理 频谱分析 功率谱分析 希尔伯特变换 谐波分析 联合时频分析 时域分析和处滤波处理 理 相关分析和卷积运算 信号重组和波形修正

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3.3 在LabVIEW中设计信号发生器

Basic Function Generator.vi是LabVIEW中一种最常用的用以产生波形数据的VI，它可以产生四种基本波形：正弦波、方波、三角波和锯齿波。可以控制四种信号的频率、幅值、相位等信息。

首先，如图3.1所示，在前面板中，由控件--图形显示控件--波形图，得到一个波形图，用来显示信号发生器产生的波形。

图3.1 前面板控件

然后，如图3.2所示，由后面板的函数——信号处理——波形生成，得到一个基本函数发生器

用以产生波形，其波形的类型、幅值、频率均可调，将产

生的波形连接到波形图显示波形。

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图3.2 后面板函数

最后，在前面板中控件中添加两个个数值输入控件和一个枚举类型控件，分别用来输入幅值、频率和信号类型。

如图3.3和3.4所示为设计的信号发生器的前面板和后面板。

图3.3 信号发生器前面板

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图3.4信号发生器后面板

在该程序中以Basic Function Generator.vi为核心，产生一个频率、幅值、相位均可调的信号发生器，将信号用波形图显示，并使用时序循环使程序能够循环运行。

3.4 本章小结

本章详细地介绍了信号的类型以及对于信号的分析处理，同时介绍了LabVIEW中产生仿真信号的VI，并对LabVIEW中实现信号分析处理功能的VI进行了归纳，本章是LabVIEW在测试技术和仪器中应用的基础。

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第四章 滤波器

本章首先介绍滤波器的基本概念，再详细介绍LabVIEW中各类滤波器的应用。

4.1 滤波器的概念

在无线电通信、非电量及微弱信号检测、电视接收机、自动控制等电路中，所能接收到的信号通常都是很微弱的，且其中还湿杂有无用或有害的信号，这对电路的正常工作将会造成影响。为了消除这种影响，就需要用滤波器，便有用信号频率能比较顺利地通过，而将无用及有害的信号滤掉，或让它们受到较大的衰减。滤波器可广义地理解为一个信号选择系统。它让某些信号成分通过又阻止或衰减另一些成分。在更多地情况下，被窄义地理解为选频系统，如低通、高通、带通、带阻。频域与时域均衡器也是一种滤波器，通信系统的传输媒介如明线、电缆等从特性看也是滤波器。

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。同时，在测试VI，也可以利用LabVIEW提供的滤波器VI对信号进行去噪或提取特定频率信号[25]。

滤波器技术在测试技术与仪器科学中是很重要的，是测试工程人员的基本功。滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器，分别处理模拟信号和数字信号，在测试VI中当然是使用数字滤波器。由于滤波器的分类方法很多，其参数类型也比较多，所以，在LabVIEW中应用数字滤波器VI时参数设置会比较复杂，使用中需要注意的也比较多，要求对滤波器的基本概念有一个比较清晰的理解。

4.2 滤波器的分类

滤波器如系统一样可分为三类：模拟滤波器、采样滤波器和数字滤波器[26]。 模拟滤波器（AF）可以是由RLC构成的无源滤波器，也可以是加上运放的有源滤波器，它们是连续时间系统。

采样滤波器（SF）由电阻、电容、电荷转移器件、运放等组成，属于离散时间系统，其幅度是连续的。开关电容滤波器、电荷耦合滤波器军属这类滤波器。 数字滤波器（DF）由加法器、乘法器、存储延迟单元、时钟脉冲滤波器及逻辑单元等数字电路构成。它精度高，稳定性好，不存在阻抗匹配问题，可以时分复用，能够完成一些模拟滤波器完成不了的滤波任务。其缺点是需要抽样、量化、编码，以及手时钟频率所限，所能处理的信号最高频率还不够高。另外，由

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于有限字长效应会造成域设计值的频率偏差、量化和运算噪声及极限环振荡。 1. 根据滤波器的选频作用分类 ：

⑴ 低通滤波器

如图4.1所示， 从0-f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。 ⑵ 高通滤波器

如图4.2所示，与低通滤波相反，从频率f1-∞其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。

⑶ 带通滤波器

如图4.3所示，它的通频带在f1-f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。

⑷ 带阻滤波器

如图4.4所示，与带通滤波相反，阻带在频率f1-f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。

0 f2 0 f1 图4.1 低通滤波器 图4.2 高通滤波器

0 f1 f2 0 f1 f2 图4.3 带通滤波器 图4.4带阻滤波器

低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器，例如，低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤

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波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。

2. 根据“最佳逼近特性”标准分类 ：

⑴ 巴特沃斯滤波器

如图4.5所示为巴特沃斯滤波器幅频特性曲线，巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性，其幅频响应表达式为：

|H(?)|?11?(?/?n)2n

图4.5 巴特沃斯滤波器幅频特性曲线 ⑵切比雪夫滤波器

切比雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的，如图4.6所示为切比雪夫滤波器幅频特性曲线，其幅频响应表达式为：

?1? |H(?)|??

22??1??Tn(?/?n)

图4.6 切比雪夫滤波器幅频特性曲线

ε是决定通带波纹大小的系数，波纹的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件；Tn是第一类切比雪夫多项式。

与巴特沃斯逼近特性相比较，这种特性虽然在通带内有起伏，但对同样的n值在进入阻带以后衰减更陡峭，更接近理想情况。ε值越小，通带起伏越小，截止频率点衰减的分贝值也越小，但进入阻带后衰减特性变化缓慢。切比雪夫滤波

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器与巴特沃斯滤波器进行比较，切比雪夫滤波器的通带有波纹，过渡带轻陡直，因此，在不允许通带内有纹波的情况下，巴特沃斯型更可取；从相频响应来看，巴特沃斯型要优于切比雪夫型，通过上面二图比较可以看出，前者的相频响应更接近于直线。 ⑶贝塞尔滤波器

只满足相频特性而不关心幅频特性。贝塞尔滤波器又称最平时延或恒时延滤波器。其相移和频率成正比，即为一线性关系，如图4.7所示为贝塞尔滤波器幅频特性曲线，由于它的幅频特性欠佳，而往往限制了它的应用。

图4.7 贝塞尔滤波器幅频特性曲线

4.3 理想滤波器

理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线[27]。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。

理想低通滤波器的频率响应函数为:

?A0fc?f?fc? |H(f)|?? (4.1)

?0其它???2?ft0 (4.2) ?（f） 如图4.8所示，理想滤波器幅频及相频特性曲线为：

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图4.8 理想滤波器幅频特性曲线

分析上式所表示的频率特性可知，该滤波器在时域内的脉冲响应函数h（t）为sinc函数，图形如下图4.9所示。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸，从图中可以看出，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，即在t<0时，滤波器就已经有响应了。显然，这是一种非因果关系，在物理上是不能实现的。这说明在截止频率处呈现直角锐变的幅频特性，或者说在频域内用矩形窗函数描述的理想滤波器是不可能存在的。实际滤波器的频域图形不会在某个频率上完全截止，而会逐渐衰减并延伸到∞。

图4.9 理想滤波器在时域内的脉冲响应

4.4 实际滤波器的主要参数

1.实际滤波器的基本参数

理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。

如图4.10所示为理想带通（虚线）和实际带通（实线）滤波器的幅频特性。

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图4.10 理想带通（虚线)与实际带通（实线）幅频曲线比较

由图中可见，理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，两截止频率之间的幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述。

(1) 纹波幅度d

在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比，越小越好，一般应远小于-3dB。 (2)截止频率fc

幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率。以A0为参考值，0.707A0对应于-3dB点，即相对于A0衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。

(3)带宽B和品质因数Q值

上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力——频率分辨力。在电工学中，通常用Q代表谐振回路的品质因数。在二阶振荡环节中，Q值相当于谐振点的幅值增益系数，Q=1/2ξ(ξ——阻尼率)。对于带通滤波器，通常把中心频率f0(f0?fc1?fc2)和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。例如一个中心频率为

500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50。Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。

(4)倍频程选择性W

在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性，是指在上截止频率fc2与2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量

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W??20lgA(2fc2) A(fc2) 倍频程衰减量以dB/oct表示（octave，倍频程）。显然，衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可用10倍频程衰减数表示之。即［dB／10oct］。 (5)滤波器因数（或矩形系数)?

滤波器因数是滤波器选择性的另一种表示方式，它是利用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值来衡量滤波器选择性，记作?，即

B?60dB??

B?3dB理想滤波器?=1，常用滤波器?为1到5，显然，?越接近1，滤波选择性越好。

4.5 在LabVIEW中设计滤波器

下面详细介绍一下在LabVIEW中设计巴特沃斯滤波器。

首先，利用第三章介绍的方法设计一个信号发生器，要求其频率、幅值和信号类型均可调，用一个波形图显示产生的波形。

其次，在产生的波形上加一个噪声，如图4.11所示，由后面板函数——信号处理——波形生成得到一个均匀白噪声

，噪声的幅值可调，我们将信号

发生器产生的波形与噪声叠加后用一个波形图显示出来。

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图4.11 后面板函数

最后，继续由图4.11所示，由函数——信号处理——波形调理，得到一个数字IIR滤波器

（或者FIR滤波器

），使加噪后的波形经过滤波器，并

将滤波以后得信号用一个波形图显示出来，与原信号的波形比较。

由图4.12为一个完整滤波器的程序框图，图4.13所示的左边的图显示基本信号，中间的图显示加了均匀白噪声的信号，右边的图形是滤波以后得信号，可以发现，将加噪后的信号通过滤波器以后，噪声得到了很大程度的抑制。

图4.12 滤波器演示程序的后面板

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图 4.13 滤波器演示程序的前面板

4.6 本章小结

滤波器是信号分析处理中非常重要的组成部分，本章非常详细地介绍了滤波器的种类、实际滤波器的各种参数，同时还介绍了在LabVIEW实现各类滤波器的方法。

第五章 测试信号的频域分析与处理

5.1 离散时间傅里叶变换及其LabVIEW实现

离散时间傅里叶变换是利用计算机进行数字信号处理的最基本也是最重要的计算。它和连续模拟信号的傅里叶变换和傅里叶级数既有联系又有区别，深刻理解它们之间的关系有助于更好地利用数字信号处理手段进行测试信号的频域分析和处理。

5.1.1 数字信号处理中存在的误差及其解决办法 1.量化误差

模拟信号幅值是连续变化的，而数字信号的幅值是跳跃式的，模拟信号在数字化过程中采样点的幅值若落在两相邻量化值之间，就要舍入到相近的一个量化值上，这就造成了量化误差[28]。量化误差的最大值为数字编码最后位所代表值得1/2。

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减少量化误差，提高量化精度的方法有两个：

①一个是选用量化位数多的模数转换集成芯片。当前适应计算机最普遍应用的二进制编码的模数转换集成电路片，有8位的、12位或16位的。

②另外一个方法是在信号进行模数转换之前先经过程控放大器进行放大，这样小电压经过放大后再进行模数转换，量化误差的值相对于原始信号值就小了。 2.混叠

模拟信号x(t)在时域按时间间隔Ts离散化（即采样）引起频域按1/Ts周期化，在时域采样间隔不够密，造成频域周期化间隔不够大时，在重复频域交界处就会局部互相重叠，这就是混叠。

为了符合采样定理，使信号作数字处理时不发生混叠，可采取两种措施： ①提高采样频率fs，采用转换速度较高的A/D转换器。但是fs的提高随之会带来新的矛盾。对于其计算机来说，根据其容量，可处理数据点数是一个定值。如果采样间隔很密，那么可处理的信号长度就很短。从被处理信号总体上看，这一很短信号可能不具有代表性，处理后的结果不能反映信号中感兴趣的本质部分。所以在选取fs时要与采样长度相互兼顾。

②降低信号中的最高频率fmax。因为信号中的高频成分特别是噪声干扰的高频成分在信号频域分析时往往并不需要，而它们在信号中作数字处理时容易引起混叠，所以可以将所分析信号中感兴趣的频率成分以上的部分滤除，来满足采样定理的要求，这种技术措施称为抗混滤波[29]。 3.泄漏

计算机可处理的长度总是有限的，而信号的长度可以是无限长的,这样子处理信号时必然就进行了长度上的截断。截断相当于对被处理信号加窗处理[30]。如果不作特殊要求，通常阶段时就自然加了一个矩形窗，其时域表达为:

??1|t|?T/2 W(t)?? (5.1)

??0|t|?T/2 在频域，其频谱函数是一个sinc函数：

W(f)= Tsinc(πfT)

(5.2)

信号在加了窗处理后就产生了泄漏，从而造成了频谱函数的皱折效应，使频谱失真。严格地说，信号在时域只要加了窗，在频域就会不可避免地产生泄漏，造成失真。

为了抑制这种后果，在处理时可采取下列两种措施。

①增长截断效应。这样可使sinc函数的主瓣变窄，旁瓣向主瓣密集，可减小泄漏，但截断长度的增加将会与提高采样频率相矛盾，需作妥善处理。

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②采用不同的窗函数。为抑制矩形窗函数所引起的泄漏。可以采用其他类型的窗函数，如三角窗、Hanning窗、Hamming窗和指数窗等。这些窗的频谱函数与矩形窗相比可有两方面的改进：一是使频谱主瓣突出；二是使旁瓣尽快衰减，实际上这二者往往不可兼得，要视具体需要选用。 4.栅栏效应

在进行DFT的过程中，最后需要对信号的频谱进行采样。经过这种采样所显示出来的频谱仅在各采样点上，而不在此类点上的频谱都显示不出来，即使在其他点上有重要的峰值也会被忽略，这就是栅栏效应[31]。这一效应对于周期信号尤为严重，因其频谱是离散的，如处理不当这些离散谱线可能不被显示。

在对周期信号DFT处理时解决栅栏效应以至解决泄漏效应的一个极为有效的措施是所谓“整周期截取”。对于非周期信号，如果希望减小栅栏效应的影响，尽可能多观察到谱线，则需要提高频谱的分辨率。频谱的分辨率等于处理信号的时间长度的倒数，即Δf=1/T。 5.1.2 DFT的快速计算工具FFT

FFT是功率谱、互谱、频率响应函数、相干函数等经典频域分析和许多相关分析方法的基础[32]，利用它可以直接对长度为N的离散数据序列进行DFT变换。由于FFT在频域分析中的广泛应用，因此，在计算机程序中，往往只有FFT子程序或函数，而没有DFT子程序或函数。

对一个连续信号作FFT,一般按以下步骤选取参数：

1.估计x(t)的截止频率fmax或按所需要的最高频率对x(t)作低通滤波。 2.估计所需的频率分辨率Δf1。由于FFT得到的都是离散频谱，相邻两谱线间的频率间隔Δf必须小于Δf1，才能分辨出x(t)中相邻的两频率峰值。

3.确定采样间隔Δ或采样频率fs(Δ≤1/2fmax或fs≥2fmax）。 4.确定x（t）的一个样本的最小采样长度Nmin(Nmin=1/(Δf1Δ))。

5.对以

2为基的FFT，按2的整数次幂及N≥Nmin圆整采样点数N。

由以上各步确定的采样间隔Δ和采样长度N将无混叠误差产生，且保证FFT后的谱线间隔Δf=1/(NΔ)<Δf1。

6.选取适当的窗函数减小泄露误差。 5.1.3 时域分析与频域分析的功能比较

1.信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的特征值，这些特征值以一个数值的方式来表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。

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将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信号特征值处理，并在测试VI前面板上直观地表示出信号的特征值，可以给测试VI的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值。

2.信号的频域分析就是根据信号的频域描述来估计和分析信号的组成和特征量。测量时采集到的是时域波形，但是由于时域分析工具较少，往往把问题转换到频域来处理。

频域分析包括频谱分析、功率谱分析、相干函数分析以及频率响应函数分析。通过信号的频域分析，可以确定信号中含有的频率组成成分和频率分布范围；还可以确定信号中的各频率成分的幅值和能量；同时还能分析各信号之间的相互关系。

5.2 测试信号频谱分析及LabVIEW实现

在LabVIEW中实现频谱分析计算的3个层次的VI分别为Express VI中的Spectral Measurements.vi、波形VI中的FFT Spectrum(Mag-Phase).vi和FFT Spectrum(Real-Im).vi和基本函数VI的Amplitude and Phase Spectrum。

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图5.1 配置频谱测量参数选择

由图5.1可以看到，在其参数设置框中首先需要根据频域分析目的的选择不同的谱分析种类。其中，Magnitude(peak)计算信号的频谱，其幅度是信号峰值点的幅度，这是通常意义上的频谱，也最为常用；Magnitude(RMS)计算信号的频谱，但其幅值是以信号的均方值来计量的；Power spectrum计算的是信号的功率谱；而Power spectrum density计算的是信号的功率谱密度。

在LabVIEW的后面板中，Spectral Measurements.vi除了输入信号被分析的信号，还可以设置重新开始平均的控制指令，Spectral Measurements.vi 的输出包括谱分析结果(幅值和相位)以及平均计算结束的信息。如图5.2和5.3分别为频域显示波形的前面板和程序框图。

图5.2 频域显示信号的前面板

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图5.3 频域显示信号的后面板 5.3 本章小结

本章介绍了测试信号的频域分析方法及其在LabVIEW中实现，尤其重点阐述了离散傅里叶变换以及DFT的快速计算工具FFT，分析了在数字信号处理过程中可能出现的误差，还提出了处理误差的措施，因此，在LabVIEW中使用相应的分析处理VI或自己编制测试VI时，首先要明确测试频域分析和处理方法的基本概念，合理选择处理参数，避免或减小误差，同时还将时域分析和频域分析的功能进行了比较。

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第六章 设计实现

本设计的主要内容是， 用LabVIEW设计一个多功能信号发生器并显示波形，信号的类型、幅值、相位、频率等均可调，再对基本信号加上一个噪声，要求噪声的幅值、采样点数等参数均可调，用LabVIEW设计一个数字滤波器，要求滤波器的类型、最佳特性逼近方式以及阶数等参数均可调，将加噪以后的信号通过数字滤波器，即可得到处理后的信号，最后，再将原始信号与处理后的信号进行傅里叶变换，分析比较。 本章将分步介绍其实现过程。

6.1 设计的基本步骤

课程设计具体流程图如图6.1所示：

用LabVIEW设计一个多功能信号发生器，产生一个基本波形（如正弦波、方波、锯齿波等）保存并显示波形。 ?

对信号加噪后显示波形，噪声的类型、幅值和采样信息等均可调。 ?

用LabVIEW设计一个数字滤波器，它的频带类型、最佳特性逼近方式和阶数均可调。 ?

将加噪后的信号输入到滤波器，对信号进行滤波并显示滤波以后得波形，将滤波以后的波形和基本波形分别在时域和频域比较。

图6.1 设计流程图

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1.用LabVIEW设计一个多功能信号发生器

采用第三章介绍的方法设计一个多功能信号发生器，该信号发生器可以产生正弦波、方波、锯齿波等基本波形，其幅值、频率均可调。

图6.2可控基本信号发生器后面板

图6.3可控基本信号发生器后面板

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如图6.2和6.3分别为所设计的信号发生器的程序框图和前面板。 2.在基本波形上叠加噪声信号并显示波形

采用第四章的方法对基本信号加一个均匀白噪声

，要求噪声的幅值，

采样信息均可调，图6.4即为正弦信号加均匀白噪声以后的波形，图形下方的输入控件表示噪声的采样信息和幅值均可调。

图6.4 对基本信号加噪以后显示波形 3.用LabVIEW设计虚拟滤波器

用第四章介绍的方法使用IIR滤波器

设计一个滤波器，要求最佳特性逼

近方式、滤波类型、阶数等参数均可选择，将加噪以后得波形通过设计的滤波器并显示滤波以后得波形，如图6.5所示为滤波后的波形。 重点：在设计滤波器的过程中，要注意以下几个问题： ①滤波器类型的选择：

首先要选择滤波器的通过频带类型，即低通，高通，带通或带阻；其次要选择是有限冲击响应滤波器还是无限冲击响应滤波器；最后要选择用哪种最佳特性逼近方式实现滤波性能，比如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器。 ②截止频率确定：

对低通滤波器只需要确定上截止频率，高通滤波器只需要确定下截止频率，

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对带通及带阻滤波器，需要确定上限频率和下限频率。 ③采样频率设定：

一般软件中的滤波器都是归一化的频率，对各种类型的滤波器，采样频率均应设置成滤波器输入信号的采样频率。

④滤波器的阶数：滤波器的阶数越高，其幅频特性曲线过渡带衰减越快。

⑤纹波幅度：巴特沃斯滤波器通带段幅频特性曲线较平坦，不需此参数，切比雪夫滤波器通带段幅频特性曲线呈波纹状，需此参数控制波纹幅度。

图6.5 经滤波后的波形

4.将滤波后得到波形与未加噪声的信号在时域和频域分别比较，分析误差。由第五章可知，要想在频域显示波形，必须将时域内的波形进行傅里叶变换，用到函数

，在频域中用两个波形图显示，一个显示幅值，一个显示相位。

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6.2 在LabVIEW中实现设计总功能

1.时域显示功能

时域模块的前面板和后面板分别如图6.6和图6.7所示。

图6.6 基于LabVIEW的虚拟滤波器前面板

图6.7 基于LabVIEW的虚拟滤波器后面板

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2.频域显示功能

频域模块的前面板显示如图6.8所示。

图 6.8 基于LabVIEW的虚拟滤波器前面板

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致谢

本课题在研究过程中得到陈慧老师的悉心指导。陈老师多次询问研究进程，她不厌其烦的帮助我进行论文的修改，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，同时还给予了我热忱的鼓励，给了我很大的帮助，使我在这一段宝贵的时间里，增长了知识、开阔了视野、锻炼了心态。陈老师一丝不苟的作风、严谨求实的态度、踏踏实实的精神值得我们学习。

另外，我还要感谢给了我的同学，我的论文可以顺利的完成，离不开他们的帮助，他们在论文的撰写和排版的过程中给我提供了许多中肯的建议，而且在写论文的过程中也给我提供了很多素材。

最后，我还要感谢这篇论文中所涉及到的各位学者，本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者研究成果的帮助和启发，我将很难完成论文的写作。

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