2.1.3 2.1.3 虚拟仪器测试信号分析处理程序的虚拟仪器测试信号分析处理程序的基本内容基本内容

通常，对作为时间函数的动态信号来说，要完整通常，对作为时间函数的动态信号来说，要完整地描述其特征至少要从地描述其特征至少要从幅值域、时（间）域、频幅值域、时（间）域、频（率）域、时延域（率）域、时延域 44 个域进行分析。 个域进行分析。

电量电量（含电压、电流、相位差、功率、频率）与（含电压、电流、相位差、功率、频率）与电路参量电路参量（含电阻、电容、电感）的测量是一切（含电阻、电容、电感）的测量是一切测量的基础。为获取这些电量参数所设计的信号测量的基础。为获取这些电量参数所设计的信号分析处理软件，是虚拟仪器测试功能软件的基本分析处理软件，是虚拟仪器测试功能软件的基本内容。内容。

① ① 时域分析时域分析：测量时采集到的信号是一个时域波形。：测量时采集到的信号是一个时域波形。 ② ② 频域分析频域分析：测量时直接采集到的信号是时域波形，由：测量时直接采集到的信号是时域波形，由

于时域分析的局限性，所以往往把问题转换到频域来处理。于时域分析的局限性，所以往往把问题转换到频域来处理。基本方法是基本方法是 FFTFFT 。。

③ ③ 相关分析相关分析：信号的相关分析是时（延）域中进行的一：信号的相关分析是时（延）域中进行的一种信号分析处理方法。种信号分析处理方法。

④ ④ 幅值域分析幅值域分析：信号的幅值域分析首先是对随机信号进：信号的幅值域分析首先是对随机信号进行统计分析，可以求得信号的均值、均方值、方差、概率行统计分析，可以求得信号的均值、均方值、方差、概率密度函数等。 密度函数等。

⑤ ⑤ 测量数据处理测量数据处理：利用统计分析技术求测量结果的平均：利用统计分析技术求测量结果的平均值、方差，进行不确定度评定，实现最小二乘法的数据拟值、方差，进行不确定度评定，实现最小二乘法的数据拟合算法等。合算法等。

⑥ ⑥ 数字滤波数字滤波：滤波（即选频）是将一部分频率范围内的：滤波（即选频）是将一部分频率范围内的信号滤除掉，而允许另一部分频率范围内的信号通过。信号滤除掉，而允许另一部分频率范围内的信号通过。

虚拟仪器测试功能软件的主要内容

2.1.4 LabVIEW2.1.4 LabVIEW 中的测试信号中的测试信号分析处理函数库简介分析处理函数库简介

LabVIEW LabVIEW 除了它的除了它的图形化编程方式图形化编程方式适应工程师的适应工程师的思维习惯以外，还提供了非常丰富的测试工程师思维习惯以外，还提供了非常丰富的测试工程师所需的所需的分析处理函数和Ⅵ分析处理函数和Ⅵ，即所谓的“，即所谓的“工程师的工程师的工作间工作间”，在这个“工作间”中，”，在这个“工作间”中， LabVIEWLabVIEW 提供提供了进行测试信号分析处理所需要的各种类型的数了进行测试信号分析处理所需要的各种类型的数据分析和处理工具。据分析和处理工具。

实现信号分析处理功能的Ⅵ分为实现信号分析处理功能的Ⅵ分为 33 个层次：个层次： ExprExpress VIess VI 、、波形Ⅵ波形Ⅵ和和基本功能Ⅵ基本功能Ⅵ，并分别对动态数，并分别对动态数据类型、波形数据类型和数组这样据类型、波形数据类型和数组这样 33 种数据进行种数据进行操作。下面我们分层次来介绍这些操作。下面我们分层次来介绍这些 VIVI 。。

1.1. 用用 Express VIExpress VI 实现的信号分析和处实现的信号分析和处理理 VIVI

图 2-2 信号分析子模板(Signal Analysis) 图 2-3 信号操作子模板

（ signal Manipulation ）

2. 2. 对应于波形数据的信号分析和处理Ⅵ对应于波形数据的信号分析和处理Ⅵ

到达路径为到达路径为 functions functions →→ Signal Pr Signal Processingocessing 。。

根据不同的分析和处理目的又分为根据不同的分析和处理目的又分为 33个子模板：波形测量子模板个子模板：波形测量子模板 (Wavefor(Waveform Measurements)m Measurements) 、波形调理子模板、波形调理子模板(Waveform Conditioning)(Waveform Conditioning) 和波形产和波形产生子模板生子模板 (Waveform Generation)(Waveform Generation) 。。

3. 3. 基本函数基本函数 VIVI

其Ⅵ子模板根据信号分析处理的手段其Ⅵ子模板根据信号分析处理的手段进行分类，分别是滤波器子模板进行分类，分别是滤波器子模板 (Fi(Filter)lter) 和窗函数子模板和窗函数子模板 (Windows)(Windows) 等。等。

其到达路径是其到达路径是 Functions—Signal PFunctions—Signal Processing rocessing

2.22.2 测试信号产生测试信号产生2.2.12.2.1 测试信号产生途径和波形数据表测试信号产生途径和波形数据表示示

11 ．测试信号产生途径．测试信号产生途径 虚拟仪器软件处理的测试信号的波形数据，虚拟仪器软件处理的测试信号的波形数据，主要通过以下主要通过以下 33 个途径获得：个途径获得：（（ 11 ）对被测的模拟信号，使用数据采集卡或其他硬件）对被测的模拟信号，使用数据采集卡或其他硬件电路，进行采样和电路，进行采样和 A/DA/D 变换，送入计算机。 变换，送入计算机。

（（ 22 ）在）在 LabVIEWLabVIEW 中的波形产生函数得到的仿真信号波中的波形产生函数得到的仿真信号波形数据。 形数据。

（（ 33 ）从文件读入以前存储的波形数据，或由其他仪器）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。采集的波形数据。

22 ．测试信号在．测试信号在 LabVIEWLabVIEW 中的表示中的表示 在在 LabVIEWLabVIEW 中测试信号已经是离散化的时域中测试信号已经是离散化的时域

波形数据，信号表示的数据类型有波形数据，信号表示的数据类型有数组、波数组、波形数据形数据和和动态数据动态数据 33 种。 种。

波形数据波形数据是专门用来表示测试信号的，它是是专门用来表示测试信号的，它是由时间起始值由时间起始值 t0t0 、、 dtdt 值（两个采样点的时值（两个采样点的时间间隔）以及一维数组间间隔）以及一维数组 YY 组合成的一个簇。组合成的一个簇。

波形数据的波形数据的物理意义：物理意义：– 对一个模拟信号对一个模拟信号 x(t)x(t) 从时间从时间 t0t0 开始进行采样和开始进行采样和A/DA/D 转换，采样率为转换，采样率为 fs,fs, 对应采样时间间隔对应采样时间间隔 dt=1dt=1/fs/fs ，数组，数组 YY 为各个时刻的采样值。为各个时刻的采样值。

可以用数值型数组可以用数值型数组 YY 表示波形，相当于默认表示波形，相当于默认t0=0, Δt=1t0=0, Δt=1 秒秒

图中表示了对频率为 20Hz 、幅度为 1V的正弦信号进行采样，采样频率为 1kHz ，得到的波形数据（ t0=0,dt=0.001s ）进行图形显示和数据显示 ,Y数组实际有 50个数，图中只显示了前 9个。采样 50点刚好 1个周期，因为对周期信号，1个周期的采样点数等于采样频率除以信号频率。

33 ．． ExpressExpress 技术和动态数据技术和动态数据 程序框图中的程序框图中的 Functions PaletteFunctions Palette 上的上的 Express Express

VIVI 面板包含了大量的面板包含了大量的 Express VIExpress VI 函数，主要分函数，主要分为为 66 大类： 大类： – 信号输入信号输入 Express VIsExpress VIs 用来从仪器采集信号或产生用来从仪器采集信号或产生仿真信号。仿真信号。

– 信号分析信号分析 Express VIsExpress VIs 用来对信号进行分析处理。用来对信号进行分析处理。– 输出输出 Express VIsExpress VIs 用于数据存入文件，产生报表以用于数据存入文件，产生报表以及与仪器连接，输出真实信号等。及与仪器连接，输出真实信号等。

– 信号操作信号操作 Express VIsExpress VIs 主要用于对信号数据进行操主要用于对信号数据进行操作，比如类型转换、信号合并等。作，比如类型转换、信号合并等。

– 执行控制执行控制 Express VIsExpress VIs 和程序结构体和程序结构体 包含了一些基 包含了一些基本的程序结构以及时间函数。本的程序结构以及时间函数。

– 算术与比较算术与比较 Express VIsExpress VIs 包含一些基本的数学函数、包含一些基本的数学函数、比较操作符、数字和字符串。比较操作符、数字和字符串。

针对针对 Express VIExpress VI 的灵活性，的灵活性， LabVIEWLabVIEW 提供了动态提供了动态数据类型（数据类型（ Dynamic Data TypeDynamic Data Type ，， DDTDDT ）来携带）来携带Express VIExpress VI 的输入输出信号。它在框图中的连线的输入输出信号。它在框图中的连线和控件显示为深蓝色 。和控件显示为深蓝色 。

用户可以将数值、波形或布尔数据与动态类型数用户可以将数值、波形或布尔数据与动态类型数据输入端相连，也可以将动态数据类型显示为图据输入端相连，也可以将动态数据类型显示为图形或数值。具体显示为图形还是数值可以右击形或数值。具体显示为图形还是数值可以右击 DDDDTT 数据端子，选择数据端子，选择 CreateCreate ︱︱ Graph IndicatorGraph Indicator 或或Numeric IndicatorNumeric Indicator 选项。 选项。

动态数据类型的特点：动态数据类型的特点：–能够携带单点、单通道（一维数组）或多通道能够携带单点、单通道（一维数组）或多通道（二维数组）的数据或波形数据类型的数据。（二维数组）的数据或波形数据类型的数据。

–包含了一些信号的属性信息，如信号的名称、包含了一些信号的属性信息，如信号的名称、采集日期时间等。采集日期时间等。

普通普通 VIVI不能直接输入动态数据类型，因此需要进不能直接输入动态数据类型，因此需要进行数据转换。转换行数据转换。转换 VIVI 在在 Functions Palette Functions Palette 的的位置为位置为 ExpressExpress ︱︱ Signal ManipulationSignal Manipulation ︱︱ ConvConvert From Dynamic Data ert From Dynamic Data 和和 Convert to DConvert to Dynamic Data ynamic Data 。。

由于动态数据类型能够包含单个或多个信号，因由于动态数据类型能够包含单个或多个信号，因此还可以将多个此还可以将多个 DDTDDT 数据合并或者将合并后的数数据合并或者将合并后的数据再拆开。据再拆开。

实现方法：实现方法： ExpressExpress ︱︱ Signal ManipulationSignal Manipulation 面面板下的板下的 Merge SignalsMerge Signals 和和 Split SignalsSplit Signals 函数，函数，如下图所示。如下图所示。

3.2.2 3.2.2 仿真信号产生函数仿真信号产生函数

在在 LabVIEWLabVIEW 中产生一个仿真信号，相当于通过软件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。实现了一个信号发生器的功能。

针对不同的数据形式，针对不同的数据形式， LabVIEWLabVIEW 中有中有 33 个不同层次个不同层次的信号发生器。的信号发生器。

数据形式数据形式 信号发生器信号发生器动态数据类型动态数据类型 Express VIExpress VI仿真信号发生器仿真信号发生器

波形数据波形数据 波形发生器波形发生器 VIVI数组数组 普通信号发生器普通信号发生器 VIVI

功能相同：都能产生基本信号；功能相同：都能产生基本信号； 主要区别：使用的难易程度和灵活性主要区别：使用的难易程度和灵活性不同。不同。– ExpressⅥExpressⅥ 仿真信号发生器产生动态数据仿真信号发生器产生动态数据类型的信号，使用起来最简单；类型的信号，使用起来最简单；

–普通信号发生器普通信号发生器 VIVI 产生数组类型的信号，产生数组类型的信号，使用起来比较复杂；使用起来比较复杂；

–波形发生器波形发生器 VIVI 产生波形数据，使用的复产生波形数据，使用的复杂程度介于两者之间。 杂程度介于两者之间。

3 种信号发生器比较

3.2.3 3.2.3 仿真信号发生器仿真信号发生器

仿真信号发生器仿真信号发生器 Simulate Signal.viSimulate Signal.vi能够产生单一的周期信号和单一的随机能够产生单一的周期信号和单一的随机信号信号 (( 噪声噪声 )) 信号相加的波形。信号相加的波形。

图 2-9 Simulate Signal ． vi 的参数设定对话框

信号特性

采样时间特性 信号重置

信号名称

预览窗口

（（ 11 ）信号特性）信号特性 首先选择周期信号类型和能够附加噪声信号首先选择周期信号类型和能够附加噪声信号的类型，分别见图的类型，分别见图 2-102-10 和图和图 2-112-11 ，然后设定信，然后设定信号的频率、幅值、初始相角和直流偏置，噪声的号的频率、幅值、初始相角和直流偏置，噪声的均值、标准偏差等。均值、标准偏差等。

（（ 22 ）采样时间特性和时间戳）采样时间特性和时间戳 采样时间特性选择：采样时间特性选择：

–以以 HzHz 为单位的采样频率 → 自动采样时间或指为单位的采样频率 → 自动采样时间或指定采样点数 → 采样周期数。定采样点数 → 采样周期数。

采样频率至少是最高信号频率的两倍，一采样频率至少是最高信号频率的两倍，一般取般取 33 到到 55 倍。倍。

时间戳的设置主要调节输出的动态数据类时间戳的设置主要调节输出的动态数据类型的时间信息，型的时间信息，–时间戳有两个选项：时间戳有两个选项：

从测量始点计算的时间 从测量始点计算的时间 (( 程序开始运行的时间程序开始运行的时间 ))绝对时间 绝对时间 (( 计算机时间计算机时间 ))

–一般选择默认值一般选择默认值 (( 起始时间起始时间 )) 。。

（（ 33 ）信号重置）信号重置 信号重置的改变在预览窗口看不到效果，这个选信号重置的改变在预览窗口看不到效果，这个选项在该Ⅵ被放在循环等结构中重复运行时起作用。项在该Ⅵ被放在循环等结构中重复运行时起作用。 它决定了该它决定了该 VIVI每次运行的起点是从对话框的设每次运行的起点是从对话框的设定值开始，还是从该定值开始，还是从该 VIVI 上一次运行结束点的状态上一次运行结束点的状态开始。开始。

在实际应用中用其默认值在实际应用中用其默认值 (( 连续产生信号连续产生信号 )) 的机的机会还是比较多，在这种情况下，我们利用循环就会还是比较多，在这种情况下，我们利用循环就能够产生一个连续的波形，而不至于在每次循环能够产生一个连续的波形，而不至于在每次循环的开始时间点上出现一个波形跳变。的开始时间点上出现一个波形跳变。

除了在参数设置对话框中设置参数，也允许通过除了在参数设置对话框中设置参数，也允许通过传统的端口方式设置参数，这给在前面板上放置传统的端口方式设置参数，这给在前面板上放置控件提供了机会。其端口图如图所示。控件提供了机会。其端口图如图所示。

图 2-12 仿真信号发生器 Simulate Signal .vi端口图

仿真信号发生器仿真信号发生器 Simulate SignalSimulate Signal ．． vivi 的的使用还需要注意的是：使用还需要注意的是：

a. a. 由于其本身只产生有限长度的信由于其本身只产生有限长度的信号号 (( 数据量不大，持续时间很短数据量不大，持续时间很短 )) ，所以，所以在应用中一般都是将其放置在循环中来产在应用中一般都是将其放置在循环中来产生比较长时间的信号。生比较长时间的信号。

b. b. 用仿真信号发生器用仿真信号发生器 Simulate SigSimulate Signalnal ．． vivi 也可以产生单纯的随机噪声。也可以产生单纯的随机噪声。

2.2.4 2.2.4 多谐信号附加噪声的波形发生多谐信号附加噪声的波形发生器器 Tones and Noise Waveform .Tones and Noise Waveform .vivi

在测试工程应用中还有这样一种情形：测在测试工程应用中还有这样一种情形：测量的信号是若干个正弦信号或余弦信号的量的信号是若干个正弦信号或余弦信号的叠加，每个正弦信号或余弦信号具有不同叠加，每个正弦信号或余弦信号具有不同的频率、幅值和相位。 的频率、幅值和相位。

仿真信号发生器仿真信号发生器 Simulate SignalSimulate Signal ．． vivi 不不能产生多个周期信号叠加的波形，如果要能产生多个周期信号叠加的波形，如果要实现这一功能，需要在每个单一周期信号实现这一功能，需要在每个单一周期信号产生以后再进行叠加运算。 产生以后再进行叠加运算。

对于一般的多谐信号，可以用多谐信号附对于一般的多谐信号，可以用多谐信号附加噪声的波形发生器加噪声的波形发生器 Tones and Noise WavTones and Noise Waveformeform ．． vivi 来产生，这是一个产生波形数来产生，这是一个产生波形数据的据的 VIVI 。。

各端口的含义、设置和仿真信号发生器各端口的含义、设置和仿真信号发生器 SimSimulate Signalulate Signal ．． vivi 基本类似，只是设置的基本类似，只是设置的途径略有不同。需要指出的是本途径略有不同。需要指出的是本 VIVI 能够附能够附加的噪声信号只有加的噪声信号只有高斯白噪声高斯白噪声一种。 一种。

例：例：用多谐信号附加噪声的波形发生器用多谐信号附加噪声的波形发生器 Tones aTones and Noise Waveform. vind Noise Waveform. vi 产生下面表达式的信号。产生下面表达式的信号。

式中， 为均方值为 0.2 的高斯白噪声。

)(tN

图 2-13 a) 多谐信号附加噪声的波形发生器前面板

图 2-13 b) 多谐信号附加噪声的波形发生器后面板

3.2.5 3.2.5 公式节点产生仿真信号公式节点产生仿真信号 用公式节点可以产生用公式节点可以产生

–能够用公式进行描述的信号能够用公式进行描述的信号，也就是，也就是确定性信号确定性信号，，包括周期信号和非周期信号，但不推荐用它来产包括周期信号和非周期信号，但不推荐用它来产生随机信号。 生随机信号。

–经过复杂运算生成的信号经过复杂运算生成的信号，这样可以避免繁琐的，这样可以避免繁琐的图标摆放和连线。 图标摆放和连线。

本节下面要介绍本节下面要介绍 Formula WaveformFormula Waveform ．． ViVi 。找到这。找到这个Ⅵ的途径是个Ⅵ的途径是 Functions Functions →→ Signal Processing Signal Processing →→ Waveform Generation Waveform Generation →→ Formula Waveform . vi Formula Waveform . vi

Formula WaveformFormula Waveform ．． ViVi给出了给出了 66 个自变量，用于描个自变量，用于描述公式。这述公式。这 66 个自变量含义及其设定方法如表所示。个自变量含义及其设定方法如表所示。

例：例：利用利用 Formula WaveformFormula Waveform ．． vivi 产生测试信号产生测试信号分析处理中常见的分析处理中常见的 sincsinc 函数。如图函数。如图 2-142-14

图 2-14 a) sinc 函数发生器的前面板

图 2-14 b) sinc 函数发生器的后面板

习题 1 ：参照下图设计信号发生

习题 2 ：参照下图测量波形的直流分量和有效值

习题 2 ：

13.2.3 13.2.3 波形测量波形测量

波形测量面板提供的波形测量面板提供的 VIVI 函数用于对波形的各种信息函数用于对波形的各种信息进行测量，譬如直流交流分析、振幅测量、脉冲测量、进行测量，譬如直流交流分析、振幅测量、脉冲测量、傅立叶变换、功率谱测量、谐波畸变分析、过渡分析、傅立叶变换、功率谱测量、谐波畸变分析、过渡分析、频率响应等。 频率响应等。

13.2.3 13.2.3 波形测量波形测量

例例 13.9 13.9 测量波形的直流分量和有效值测量波形的直流分量和有效值

13.2.3 13.2.3 波形测量波形测量

13.2.5 13.2.5 频域分析频域分析

频域分析函数被划分为两个面板：频域分析函数被划分为两个面板：– TransformsTransforms 面板实现的函数功能主要有面板实现的函数功能主要有

傅立叶变换、傅立叶变换、 HilbertHilbert 变换、小波变换、变换、小波变换、拉普拉斯变换等。拉普拉斯变换等。

– Spectral AnalysisSpectral Analysis 面板包含的函数主要面板包含的函数主要包括功率谱分析、联合时频分析等。 包括功率谱分析、联合时频分析等。

13.2.5 13.2.5 频域分析频域分析

13.2.5 13.2.5 频域分析频域分析

例例 13.11 13.11 信号的傅立叶变换信号的傅立叶变换

13.2.5 13.2.5 频域分析频域分析

13.2.5 13.2.5 频域分析频域分析

转变为单边傅立叶变换转变为单边傅立叶变换

13.2.5 13.2.5 频域分析频域分析

13.2.5 13.2.5 频域分析频域分析

例例 13.12 13.12 非均匀采样数据的功率谱计非均匀采样数据的功率谱计算算

13.2.5 13.2.5 频域分析频域分析

13.2.7 13.2.7 数字滤波器数字滤波器

滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器。传统滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器。传统模拟滤波器的输入与输出都是连续的。而数模拟滤波器的输入与输出都是连续的。而数字滤波器的输入与输出都是离散时间信号。字滤波器的输入与输出都是离散时间信号。

数字滤波器具有如下好处：数字滤波器具有如下好处：– 软件可编程，因此易于搭建和测试软件可编程，因此易于搭建和测试– 只需要加减乘三种基本数学操作只需要加减乘三种基本数学操作– 不随外界环境条件变化而漂移，也不会老化不随外界环境条件变化而漂移，也不会老化– 有非常高的性价比有非常高的性价比

13.2.7 13.2.7 数字滤波器数字滤波器

LabVIEWLabVIEW 提供的提供的 IIRIIR 滤波器类型有滤波器类型有ButterworthButterworth 、、 ChebyshevChebyshev 、、 InveInverse Chebyshevrse Chebyshev 、、 EllipticElliptic 和和 BesseBessell 滤波器。它们都有各自的特点，用滤波器。它们都有各自的特点，用途也不尽相同。途也不尽相同。

13.2.7 13.2.7 数字滤波器数字滤波器

LabVIEWLabVIEW 还提供了高级还提供了高级 IIRIIR 和和 FIRFIR 滤波滤波器子面板。在高级面板中，滤波器的设器子面板。在高级面板中，滤波器的设计部分和执行部分是分开的。由于滤波计部分和执行部分是分开的。由于滤波器的设计很费时间，而滤波过程则很快。器的设计很费时间，而滤波过程则很快。在含有循环结构的程序中，可以将滤波在含有循环结构的程序中，可以将滤波器的设计放在循环外，将设计好的滤波器的设计放在循环外，将设计好的滤波器参数传递到循环内，在循环内进行滤器参数传递到循环内，在循环内进行滤波，从而提高程序的运行效率。 波，从而提高程序的运行效率。

13.2.7 13.2.7 数字滤波器数字滤波器

滤波器选择向导滤波器选择向导

13.2.7 13.2.7 数字滤波器数字滤波器

滤波器函数面板滤波器函数面板

13.2.7 13.2.7 数字滤波器数字滤波器

例例 13.15 13.15 低通滤波举例低通滤波举例

13.2.7 13.2.7 数字滤波器数字滤波器