第3章虚拟仪器的测试信号分析
虚拟仪器技术分析与设计
STOP
Conditioning A/D
TI/O Timing
ROM
DISPLAY
AND C ONTR OL
礟
PROCESSOR BUS 礟Math
Hale Waihona Puke MEMORYD/A488 PORT
DI/O
虚拟仪器 用户定义功能
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1.2 虚拟仪器的组成
• 虚拟仪器的组成包括 ： 硬件 软件
两个基本要素
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这些报告是由下而上内容不断浓缩的(见图18-3)。
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图18-2
多
决策委员会 业主
项目 报告
项目领导
项目报告
子项目领导 分包商
按子项目、承包商
工程小组
按单位工程、技术
部门、专业领域、工程种类
详细资料、按工作包、成本项目
图18-2
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图18-3
子项1报告 概 况 进成质 度 本 量…
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1.1 虚拟仪器的基本概念
Virtual Instrument，VI 什么是虚拟仪器?
虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件 平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作 面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机 仪器系统。
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虚拟仪器概念的理解
插入
仪器卡
软面板
计算机
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1．信息载体通常有： (l)纸张，如各种图纸、各种说明书、合同、信件、表格等； (2)磁盘、磁带，以及其他电子文件； (3)照片，微型胶片， X光片； (4)其它，如录相带、电视唱片、光盘等；
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2020年智慧树知道网课《机械工程测试技术基础(黑龙江联盟)》课后章节测试满分答案12
绪论单元测试【单选题】（2 分）仪器结构不完善所引起的误差属于（）A.过失误差过失误差过失误差引用误差引用误差引用误差引用误差C. 系统误差D. 随机误差2【单选题】（2 分）判断下列语句正确的是（）A.精度就是指精密度B.准确度高则正确度不一定高C.精确度高则正确度一定高D.正确度高而精密度不一定高3【单选题】（2 分）现有0~300°C、0.5 级和0 ～120°C 、1 级的两支温度计，预测两量精度高的是（）A.A 、B 均可A 、B 都不对C. 用0~300° C、 0.5 级D.用 0～120°C、 1 级4【单选题】（2 分）通常用来表征仪器本身精度、而不是测量的精度。
（）A.相对误差B.量化误差C.引用误差绝对误差100°C 左右的温度，测D.【单选题】（2 分）系统误差具有的性质是（）A.偶然性B.不可消除或减弱性C.规律性D.随机性【判断题】（2 分）测量结果不可避免地存在误差，任何观测值都存在误差（）错B.【判断题】（2 分）观测条件好，则成果精度就高；观测条件差，则成果精度就低（）A.错B.对8【判断题】（2 分）观测误差与观测成果精度成反比（）A.错B.对9【判断题】（2 分）产生系统误差的主要原因是测量仪器和工具构造不完善或校正不完全准确（）A.对B.错10【判断题】（2 分）系统误差和偶然误差通常是同时产生的，是偶然误差（）当系统误差消除或减弱后，决定观测精度的主要A.错B.对第一章测试1【单选题】（2 分）周期信号的频谱是（）A.离散的，个频率成分的频率比不是有理数B. 离散的，只发生在基频整数倍的频率C.连续的，只在有限区间有非零值D.连续的，随着频率的增大而减小2【单选题】（2 分）瞬变信号的频谱是（）A.离散的，个频率成分的频率比不是有理数B.连续的，随着频率的增大而减小C.离散的，只发生在基频整数倍的频率D.连续的，只在有限区间有非零值3【单选题】（2 分）对于x （t）=2sin （2πt+0.5 ）+cos （πt+0.2 ）和y（t）= sin（πt+0.5）两个信号，下面描述正确的是（）A.都是瞬变信号B.x（t）是周期信号， y（t）是瞬变信号C.y（t）是周期信号， x（t）是瞬变信号D.都是周期信号4【单选题】（2 分）若F[x（t）]=X（f）,k 为大于零的常数，则有A.1/kx （ kf）B.x（f/k）1/kx ( f/k )5【单选题】（2 分）描述周期信号的数学工具是（）A.傅氏变换相关函数C.傅氏级数拉氏级数kx（kf）D.F[x(kt)]=B.6【判断题】（2 分）非周期变化的信号就是随机信号（）A.错B.对7【判断题】（2 分）脉冲信号的频谱等于常数（）A.对B.错8【判断题】（2 分）单边频谱和双边频谱是信号等价的描述方法（）A.对B.9【判断题】（2 分）非周期信号的幅值谱表示的是其幅值谱密度与时间的函数关系（）A.错B.对10 【判断题】（2 分）周期单位脉冲序列的频谱仍为周期单位脉冲（）A.对B.错第二章测试1【单选题】（2 分）在一测试系统中，被测信号的频率为1000HZ ，幅值为5V ，另有两干扰信号分别为2000 HZ ，7V 和800HZ ，4V ，则利用（）提取有用信息A.比例性B.频率保持性C.幅值保持性D.叠加性2【单选题】（2 分）信噪比越大，则（）A.有用信号成分越大，噪声的影响越大B.有用信号成分越小，噪声影响越小C.有用信号成分越大，噪声的影响越小D.有用信号成分越小，噪声影响越大3【单选题】（2 分）传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称为传感器的（A.静态B.幅频4【单选题】（2 分）传感器的静态特性中，输出量的变化量与引起此变化的输入量的变化量之比为（A.稳定性C.线性度回程误差5【单选题】（2 分）下列哪个参数反映测试系统的随机误差的大小？（C.输入输出相频）特性D.灵敏度A.灵敏度B. 线性度C. 滞后量D. 重复性判断题】 （2 分 ）用一阶系统做测试系统，为了获得较佳的工作性能，其时间常数 A.7【判断题】 （2 分 ）用二阶系统作测量装置时，为获得较宽的工作频率范围，系统的阻尼比应接近于A.错对B. τ应尽量大（）0.707 对错8【判断题】(2 分)二阶系统中，当降频特性中φ(ω)=90°所对应的频率ω 作为系统固有频率该值与系统阻尼比的大小略有关系。
第3章Multisim8的虚拟仪器4字信号发生器逻辑分析仪
3.8 字信号发生器 字信号发生器（Word Generator）是一个
可以产生32位同步逻辑信号的仪器，用于对数 字逻辑电路进行测试。
字信号发生器的图标左侧有0~15共16个输 出端，右侧有16~31也是16个输出端，任何一 个都可以用作数字电路的输入信号。另外，R 为备用信号端，T为外触发输入端。
3.9 逻辑分析仪 逻辑分析仪（Logic Analyzer）可以同步显
示和记录16路逻辑信号，用于对数字逻辑信 号的高速采集和时序分析 。
逻辑分析仪的图标左侧有1~F共16个输入端， 使用时接到被测电路的相关节点。图标下部 也有3个端子，C是外时钟输入端，Q是时钟 控制输入端，T是触发控制输入端。
虚拟仪器第3章-构建程序框图要点
些部分能划分为一个逻辑上的单元，就创建一个子VI。 整齐清晰的排列连线，以免造成读程序的困难。 按住<Ctrl>键用选择工具在程序框图中划出一块面积，
可以解决部分程序框图过于拥挤的问题。 为了节省程序框图空间，不必为函数和子VI显示标签，
包括算术运算符、数值类型转换函数、三角函数、对数函数、 数值 复数函数、数值常数、数据操作函数、与信号调理有关的量值
转换VI等。
文件I/O
包括对各种格式文件读写的函数和VI,对文件及路径进行操作 的各种函数和VI。
布尔 包括逻辑运算符、布尔型常数、布尔量与数值的转换函数等。
3-2 函数选板
图标
名称 字符串
第3章 构建程序框图
程序框图里的对象 函数选板 基本数据类型 程序的层次结构 Express VI 多态 程序框图设计原则 修复程序创建中的错误 程序调试
唐山学院测控中心 (C) 2008
3-1 程序框图里的对象
3-1-1 节点 3-1-2 接线端 3-1-3 常量 3-1-4 连线
3-1-1 节点
函数 函数是完成LabVIEW程序功能的最基本成员，它相当于文
本编程语言对较少。
子VI 用于另一个VI中的VI叫子VI，这实际就是供其它程序调用
的子程序。
Express VI Express VI是一类特殊子VI，可以通过对话框配
。
3-4 程序的层次结构
3-4-1 层次结构窗口
帮助我们了解软件 层次结构的一个图形工 具是LabVIEW的层次结 构窗口，层次结构窗口 通过显示VI的调用与被 调用来表达VI的从属关 系。
第3章虚拟仪器的软件开发平台
2. 信号的频域分析
频域分析是采用傅立叶变换将时域信号X(t)变换为 频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解 信号的特征；
信号的频域描述：应用傅里叶变换，对信号进行变 换(分解)，以频率为独立变量，建立信号幅值、相 位与频率的关系;
特点：频域描述抽取信号内在的频率组成，信息 丰富，应用广泛。
2.利用NI USB-6009数据采集卡实现数据采集
主要技术指标： 8个模拟通道（14位、48 位kS/s采样速度）； 2路14位模拟输出通道； 12个I/O通道； 1个32位计数器/定时器。
产品通过USB接口供电，不需要任何外接电源。它们均包括用于直接信号 连接可拆卸螺孔端子、用于支持外部设备以及传感器1个参考电压、低噪音高精 度的4层电路板，以及高达±35v的模拟输入过电压保护。
优点:形象、直观 缺点:不能明显揭示信号的内在结构
信号的时域分析举例一相关分析
所谓“相关”是指变量之间的线性关系； 相关性是指信号的相似和关联程度，相关分析不
仅可用于确定性信号，也可用于随机信号的检测、 识别和提取等； 相关分析常用相关函数（自相关函数和互相关函 数）或相关系数来描述； 相关函数和功率谱(密度)是一对傅立叶变换。
1.前面板
前面板是VI的用户界面。创建VI时，通常应 先设计前面板，然后设计程序框图执行在前 面板上创建的输入、输出任务。
2. 程序框图
程序框图是图形化源代码的集合，图形化源 代码又称G代码或程序框图代码。
程序框图由接线 端、节点、连线 和结构等构成。
程序框图对象
程序框图由接线端、节点、连线和结构等构 成:
内容包括:
① 频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱； ② 功率谱分析：包括自谱和互谱； ③ 频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱之比； ④ 相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱的相关 程度。
虚拟仪器 LABVIEW 第3章3-1
第2页
《虚拟仪器设计》
在同一硬件平台上，调用不同的测试软件就可构 成不同功能的虚拟仪器。例如：
对采集的数据通过测试软件进行标定，并在时间轴上 把对应的数据点显示出来，就构成了一台数字示波器； 对采集的数据利用软件进行FFT变换，并把各频率分 量幅值在频率轴上显示出来，则构成一台频谱分析仪 等。 通过信号分析与处理可求取信号的各种特征值，如峰 值、真有效值、均值、均方值、方差、标准差及频谱 函数、相关函数、概率密度函数等，可构成各种测试 仪器。
信号名称
图3-9 Simulate Signal．vi的参数设定对话框
第23页
《虚拟仪器设计》
（1）信号特性
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3-10和图3-11，然后设定信号的频率、幅值、 初始相角和直流偏置，噪声的均值、标准偏差等。
第24页
《虚拟仪器设计》
（2）采样时间特性和时间戳 采样时间特性选择：
《虚拟仪器设计》
虚拟仪器测试功能软件的主要内容
① 时域分析：测量时采集到的信号是一个时域波形。 ② 频域分析：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。基本方法是FFT。 ③ 相关分析：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。 ④ 幅值域分析：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 率密度函数等。
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。
仿真信号发生器Simulate Signal．vi不能产生多个周期信 号叠加的波形，如果要实现这一功能，需要在每个单一 周期信号产生以后再进行叠加运算。
基于虚拟仪器的信号采集与分析系统
处理 、时域 分 析 、频 域 分 析 和 幅 值 域 分 析 的可 视 化 软 件
系统 的 总体 设 计 框 图 如 图 ｌ所 示 。 主 要 包 括 硬 件 和分 析 软 件 两 部 分 。 由传 感 器 将 被 测 信 号 转 换 成 电
压 或 电 流 信 号 ，经 数 据 采 集 卡 处 理 后 ，送 到计 算 机 总线 ，应 用 Ｌ ｂ ｎ ｏ ｓＣ ｌ虚 拟 仪 器 开 发 工 具 ，通 过 ａＷｉ ｗ ／ Ｖ ｄ 软 件 编 程 ，对 信 号 进 行 时 域 、频 域 、幅值 域 中 的各 种 分 析 ，并对 信 号 进 行 存 储 、显 示 和 打 印 。
析 仪 器 大 多是 模 拟 式 和 数 字 式 仪 表 ，且 功 能 单 一 。 随 着 电 子 技 术 的 发 展 和 Ｐ ｃ技 术 的 ， 泛 应 用 ， 虚 拟 仪
器 应 用 于 测 试与 分 析 领域 已成 为发 展 趋 势 。 与 普 通 的 分 析 仪 器 相 比 ．虚 拟 仪 器 具 有 分 析 功 能 强 大 ， 图形 化界 面 ，操 作 直 观 方 便 ，开放 性 能好 ，价 格 便 宜 ，即插 即 用 的 优 点 。 昕 以 ，结 合 目前 教 学 实 验 与 科 研 的 需 要 ，笔 者采 用 先 进 的 虚 拟 仪 器 技 术 ，在 Ｌ ｂ ｎ ｏ ｓＣ Ｉ 境 下 ，开 发 了 可 进 行 多 路 信 号 采 样 、数 据 预 ａＷｉｄｗ ／ Ｖ 环
维普资讯
第２ ５卷 第 ３ 期
２ ００２年 ７月
＝＝＝— — —＝ ＝ ＝＝
河 北 农 业 大 学 学 报
Ｊ ＲＮＡ Ｆ ＡＧＲ Ｃ Ｌ Ｕ ０Ｕ ＬＯ Ｉ Ｕ Ｔ ｋ＆ Ｌ ＵＮＩ ＲＳ Ｔ ＢＥ ＶＥ Ｉ Ｙ ０Ｆ ＨＥ １
基于LabVIEW的数据处理和信号分析
基于LabVIEW的数据处理和信号分析Liu Y anY ancheng Institute of Technology, Y ancheng, 224003, ChinaE-mail: yanchengliu@·【摘要】虚拟仪器技术是一种数据采集和信号分析的方法，它包括有关硬件，软件和它的函数库。
用虚拟仪器技术进行数据采集和信号分析包括数据采集，仪器控制，以及数据处理和网络服务器。
本文介绍了关于它的原则，并给出了一个采集数据和信号分析的例子。
结果表明，它在远程数据交流方面有很好的表现。
【关键词】虚拟仪器，信号处理，数据采集。
·Ⅰ.引言虚拟仪器是一种基于测试软硬件的计算机工作系统。
它的功能是由用户设计的，因为它灵活性和较低的硬件冗余，被广泛应用于测试及控制仪器领域，。
与传统仪器相比，LabVIEW 广泛应用于虚拟仪器与图形编程平台，并且是数据收集和控制领域的开发平台。
它主要应用于仪器控制，数据采集，数据分析和数据显示。
不同于传统的编程，它是一种图形化编程类程序，具有操作方便，界面友好，强大的数据分析可视化和工具控制等优点。
用户在LabVIEW 中可以创建32位编译程序，所以运行速度比以前更快。
执行文件与LabVIEW编译是独立分开的，并且可以独立于开发环境而单独运行。
虚拟仪器有以下优点：A：虚拟仪表板布局使用方便且设计灵活。
B：硬件功能由软件实现。
C：仪器的扩展功能是通过软件来更新，无需购买硬件设备。
D：大大缩短研究周期。
E：随着计算机技术的发展，设备可以连接并网络监控。
这里讨论的是该系统与计算机，数据采集卡和LabVIEW组成。
它可以分析的时间收集信号，频率范围：时域分析包括显示实时波形，测量电压，频率和期刊。
频域分析包括幅值谱，相位谱，功率谱，FFT变换和过滤器。
另外，自相关工艺和参数提取是实现信号的采集。
·II.系统的设计步骤软件是使用LabVIEW的AC6010Shared.dll。
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第3章虚拟仪器的测试信号分析
3. A/D前的抗混滤波器
Ø A/D转换获得数字信号时，若采样频率未满足采样定 理，会产生频域混叠，这时信号中频率大于1/2采样频 率的高频成分已经混进数字信号的低频段。
Ø 数字滤波器是不可能将这些混在一起的频率成分再分 离的，因此数字滤波并不能完全取代A/D转换之前的 模拟抗混滤波。
第3章虚拟仪器的测试信 号分析
2020/11/26
第3章虚拟仪器的测试信号分析
3.5 数字滤波器在虚拟仪器中 的应用及其软件实现
第3章虚拟仪器的测试信号分析
• 滤波器分类
按滤波器电路中是否 带有有源器件分
按能通过的频 率范围分
安处理信号 的性质分
无源滤波器
有源滤波器
低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 其他类型通带的滤波器
处理。
第3章虚拟仪器的测试信号分析
• 例：应用波形滤波器VI进行多通道信号多种参 数滤波。Waveform Filter .vi。
两路输入信号是频率为20Hz的三角波和频率为10Hz的方 波，幅值都为1，初始相位都为0。
第3章虚拟仪器的测试信号分析
图3-39 b) Waveform Filter．vi的前面板
u 原始三角波信号和检测出来的基波信号相位不一 致，是因为信号经过滤波器有一个时间延迟。
第3章虚拟仪器的测试信号分析
2. 波形Ⅵ中的滤波器VI
u 波形VI中的滤波器VI处于All Functions →Analyze →
Waveform Conditioning中，共有数字IIR滤波器和数字
FIR滤波器两个VI (Digital IIR filter .vi和Digital FIR
第3章虚拟仪器的测试信号分析
图3-39 b) Waveform Filter．vi的后面板
图3-38 检测三角波基频信号的测试VI后面板
• 由仿真信号发生器产生频率为20Hz、幅值为1、
初始相位为0的三角波信号，经过截止频率为
40Hz的4阶低通巴特沃兹滤波器进行时域处理，
就能提取出其基波。
第3章虚拟仪器的测试信号分析
u 根据信号的基本知识，三角波由奇次倍频的谐波 组成，经过上面滤波器后，只有基波(20Hz)的信 号成分保留下来。
第3章虚拟仪器的测试信号分析
1．Express VI中的滤波器VI
u Express VI中的滤波器VI (Filter. Vi )处于Functions →Signal Analysis子模板中，其参数设置框图如图3-36所示。
滤波器参 数设置
预览窗口
预览模式 设定
图3-36 Filter．vi带通IIR滤波器参数第设3章置虚框拟仪图器的测试信号分析
第3章虚拟仪器的测试信号分析
u 例：在LabVIEW中用Filter．vi进行滤波。
Ø 如图3-38所示为一个检测三角波基频信号的测试VI (Express Filter．vi)的前后面板。
原始三角波信号
检测出来的基波信号 图3-38 检测三角波基频信号的测试VI前面板
第3章虚拟仪器的测试信号分析
第3章虚拟仪器的测试信号分析
3.5.2在LabVIEW中应用滤波器
u LabVIEW中提供了许多现成的滤波器VI，分成了Express VI、波形VI和基本功能VI 3个层次。 1. Express VI中的滤波器针对所有类型的滤波器的选项； 2. 波形VI分成了IIR滤波器和FIR滤波器两个VI； 3. 在基本功能VI的子模板中，根据滤波器的最佳逼近特 性提供了多个比较丰富的滤波器VI。
模拟滤波器 有限冲击响应滤波器
波器
(IIR)
第3章虚拟仪器的测试信号分析
3.5.1调用数字滤波器子程序的几个问题 u 在调用数字滤波器程序时，需要注意以下几个问
题：
1. 调用时的参数设置 2．滤波过程的响应时间 3. A/D前的抗混滤波器
第3章虚拟仪器的测试信号分析
u Filter的参数设置
（1）滤波器参数设置 首先选择滤波器类型，有低通、高通、带通、带阻和 平滑滤波器(Smoothing)的选项5种，
Ø 选择前面4种时，需设置滤波器的上和(或)下截止频率，有限冲 击响应滤波器的序列长度，无限冲击响应滤波器的最佳逼近函数 和阶次, 最佳逼近函数有巴特沃兹、切比雪夫、反切比雪夫、贝 塞尔和椭圆滤波器5个选项。
filter .vi
)。
u 参数设定方式：
Ø Express滤波器VI使用对话框；
Ø 波形VI使用传统的端口方式
第3章虚拟仪器的测试信号分析
表3-10 Digital IIR Filter．vi的端口含义及设置
第3章虚拟仪器的测试信号分析
u 波形滤波器Ⅵ和Express滤波器VI的重要区别：
Ø Express滤波器VI只能是一个滤波器对一个输入信号进行滤波处理， Ø 波形滤波器VI可以扩展至多个不同特性的滤波器对多个不同的信号进行
图3-37 Filter．vi平滑滤波器参数设置框图
第3章虚拟仪器的测试信号分析
（2）预览模式设定和预览窗口显示
u 当预览模式选定为观察信号时，两个预览窗口分别显示滤 波输入和输出信号的时域波形；
u 当预览模式选定为观察频谱时，两个预览窗口分别显示滤 波输入和输出信号的频谱图；
u 当预览模式选定为观察频率响应函数时，两个预览窗口分 别显示滤波器频率响应函数的幅值特性和相位特性曲线。
1. 调用时的参数设置
1) 滤波器类型选择 2) 截止频率确定 3) 采样频率设定 4) 滤波器的阶数 5) 纹波幅度
第3章虚拟仪器的测试信号分析
2．滤波过程的响应时间
Ø 输入信号经过数字滤波器，相当于输入信号和数字滤 波器的单位抽样响应进行卷积运算，从运算的时间零 点到获得正确的滤波结果，中间会有一个过渡过程， 需要一定的响应时间。
Ø 若滤波器类型选择平滑滤波器，需要设置的参数则是移动平均的 窗函数选择和移动平均的半长度设定、指数窗平均的时间常数。 平滑滤波器主要作用：对信号进行局部平均，消除周期性噪 声或白噪声。
第3章虚拟仪器的测试信号分析
u 3-37中的输入信号预览窗口和输出信号预览窗口显示了 利用三角窗进行白噪声移动平均的效果。