采样频率、采样点数

正弦波信号： u (t) = Asin(ωt+θ0)
ΔT为采样间隔，T为信号周期，设一个周期内的采样点数为
n ，则
T = n ΔT
采样频率： fs = 1/ΔT
信号频率： fx = 1/T = 1/ (n ΔT) = fS / n
u(iΔT) = Asin(2πi/n +θ0 ) 设 f = fx / fS = 1/n ,将2π 弧度用360º表示，并省略 ， 则得T
均匀白噪声的生成
例6.6 利用Unifom White Noise.vi产生均匀 分布的白噪声。
前面板
程序框图
简单函数发生器
例6.7 创建一个可以产生正弦波、三角波、方波和锯 齿波的函数发生器。
6.2.3 波形生成
在波形生成子选板中的 所有函数不仅输出包含 指定波形图形的数字型 数组，而且包含时间参 数，这种数据类型在 LabVIEW中称为波形数据
例6.16 使用Auto Power Spectrum.vi进行自功率谱 分析
前面板
程序框图
6.4.3 频率响应分析
频率响应表述了一个测试系统输入和输出的 频域关系，它是描述测试系统频域动态特性 的重要关系。 H ( j) Y ( j) X ( j)
H( j) 常常用其模 A( j) 和相位角( j) 来表示，称为测试系统 的幅频特性和相频特性。
例6.19 求频率响应的幅频特性与相频特性
前面板
程序框图
频率响应
例6.20使用Frequence Response Function(RealIm).vi求频率响应的实部和虚部
前面板
程序框图
6.4.4 谐波分析
谐波和基波是一个相对的概念，它是一个周期电气 量中的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍， 由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称为高 次谐波。在频域分析中以电压为例，将畸变的周期 性电压分解成傅里叶级数
例6.9 多频信号发生器
前面板
程序框图
例6.10 信号合成
信号合成的 前面板和程 序框图
6.3 信号的时域分析
时域分析是指在时间域内研究系统在一 定输入信号的作用下，其输出信号随时 间的变化情况。由于时域分析是直接在 时间域中对系统进行分析的方法，所以 时域分析具有直观和准确的优点。
6.3.1 卷积运算
前面板
程序框图
6.4.2 频谱分析
频谱分析是指把时间域的各种动态信号通过 傅里叶变换转换到频率域进行分析。
频谱分析中应注意的问题 （1）频谱混叠 （2）泄漏效应和栅栏效应
频谱分析
例6.17 使用Amplitude and Phase Spectrum.vi进 行频谱分析
前面板
程序框图
功率谱
（3）调用动态连接库的方式
动态链接库通常由数据采集卡生产厂商提供，通过 LabVIEW的Call Library Function Node来调用。
2．数据采集卡驱动程序设计举例
例6.3 用端口读/写函数驱动数据采集卡。 要求通过端口读/写函数实现数据采集卡PC-6310
的数据采集 PC-6310简介
卷积是电路分析的一个重要概念。它可以求 线性系统对任何激励信号的零状态响应。
对离散时间信号的卷积称为卷积和，定义为

f (k) f1 (k) * f2 (k) f1 (i) * f2 (k i) i
Convolution.vi
例6.11 求卷积运算
卷积运算的 前面板和程 序框图
LabVIEW提供了积分和微分函数
例6.13 对方波信号进行微积分运算
前面板
程序框图
6.4 信号的频域分析
信号的频谱代表了信号在不同频率分量处 信号成分的大小，它能够提供比时域信号 波形更直观、更丰富的信息。
LabVIEW8.2提供了丰富的频域分析函数， 包括傅里叶变换、hilbert变换、功率谱分 析、谐波分析等。
第6章
虚拟仪器数据采集与 信号处理
第6章 虚拟仪器数据采集与信号处理
教学重点
数据采集 信号产生 信号的时域分析 信号的频域分析 数字滤波器 曲线拟合
6.1 数据采集
组建一个基于LabVIEW的虚拟仪器系统，传 感器、信号调理和数据采集模块是最基本的 硬件。其中，传感器是将被测试的物理量转 换为电量的基本环节，数据采集则将模拟信 号转换成数据信号供计算机进行分析处理， 信号调理是两者之间的桥梁，负责将传感器 的输出信号和数据采集模块可以接受的信号 类型联系起来。
6.1.1 数据采集系统结构
数据采集（Data Acquisition，DAQ），就是将被 测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等） 通过各种传感器作适当转换后，再经信号调理、采 样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据 处理或记录的过程。
被 测 非电量 物 理 量
传 电信号
感 器
信 模拟 号 信号
滤波器类型选择:在低通、高通、带通或带阻滤波 器中选择一个类型。
截止频率确定:对低通 只需确定上截止频率，高通 滤波器只需确定下截止频率，对带通及带阻滤波器 应确定上、下限截止频率。
采样频率设定 滤波器的阶数:滤波器阶数越高，其幅频特性曲线
过渡带衰减越快 纹波幅度
窗函数
LabVIEW8.2在【窗】 子选板中提供了20 种窗函数，包括矩 形窗、汉宁窗、海 明窗等
集函数实现
单通道数据采集VI设计
前面板
程序框图
构建多通道数据采集
例6.2 多通道数据采集
分 析 ： 利 用 LabVIEW8.2 的 DAQmx-Data Acquisition子选板中的数据采集函数构建一 个多通道的数据采集系统。
硬件-选用NI USB-6009采集卡 软件-选用DAQmx-Data Acquisition子选板中的
8模拟通道（14位、48KS/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
USB-6009的外型
NI USB-6009的接线端子分配
模拟输入：AI0~AI7 模拟输出：AO0,AO1 数字I/O：P0.0~P0.7,P1.0~P1.3 定时/计数器：PFI0
波形生成函数的应用举例
例6.8 使用基本函数发生器创建函数发生器
前面板
程序框图
多频信号的产生与应用
多频信号是指一个离散频率的正弦波集合， 其模拟信号数学表达式为：
X (t) Ai sin(hiit i )
hi
式中，Ai：第i个正弦波的幅值 ωi：基频角频率 hi：第i个正弦波的角频倍数 θi：第i个正弦波的初相角
（1）数据分辨率和精度 （2）最高采样速度 （3）通道数 （4）数据总线接口类型 （5）是否有隔离 （6）支持的软件驱动程序及其软件平台
采集卡类型
PCI总线的通用数据采集卡
NI的数据采集卡
6.1.2 LabVIEW中的数据采集VI及应用
数据采集系统结构
基于NI的USB-6009数据采集卡的数据采集 USB-6009的主要特性：
Sine Wave .vi应用举例
例6.5 利用Sine Wave.vi产生正弦波
前面板
程序框图
数字频率的认识
调节信号频率、采样频率、采样点数，观察 这些参数的变化对显示正弦波结果的影响。
若以Hz作为频率单位，则 数字频率单位（Hz） = fx/fs = 信号频率/采样频率
若以周期作为频率单位，则 数字频率单位 (T) = 周期数/采样点数
数据采集函数实现
多通道数据采集系统的前面板
多通道数据采集系统的程序框图
6.1.3 通用数据采集卡的LabVIEW控制实现
1．数据采集卡驱动程序的开发方式
直接端口读写方式（I/O方式） 调用C语言源代码的方式（CIN方式） 调用动态连接库的方式（CLF方式）
（1）直接端口读写方式（I/O方式）
I/O端口子选板
In Port.vi Out Port.vi
（2）调用C语言源代码的方式
LabVIEW8.2函数选板的【互连接口】→【库 可 执 行 程 序 】 子 选 板 中 有 一 个 Code Interface Node节点，用来在LabVIEW程序框 图中直接调用其他编程语言（如VC）写的代 码。这样就可以通过使用CIN图标来调用由C 语言编写的采集卡驱动程序方法实现虚拟仪 器的数据采集。
6.3.2 相关分析
所谓“相关”是指变量之间的线性关系。 相关分析利用相关系数或相关函数来描述两个信号
间的相互关系或其相似程度，还可以用来描述同一 信号的现在值与过去值的关系，或者根据过去值、 现在值来估计未来值。
相关函数定义为

Rxy (m) x(n) y(n m) n
6.4.1 快速傅立叶变换（FFT）
傅里叶变换是信号处理与数据处理中一个重 要分析工具，其意义在于将时域与频域信号 联系起来，通过频域分析将复杂的信号分解 为各个单一的频率成分。
FFT.vi
例6.15 双边傅里叶变换
前面板
程序框图
频率间隔与采 样频率和采样 点数的关系
f f s N
例6.16 单边傅里叶变换
数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对 离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用 信号中所占的比例，从而改变信号的质量， 达到滤波或加工信号的目的。
数字滤波器分为 无限冲激响应滤波器IIR 有限冲激响应滤波器FIR
特点：精度高、稳定性好、灵活性强、处理功 能强
调用数字滤波器子程序应注意的问题
NI数据采集卡的应用
例6.1 利用USB-6009数据采集卡实现单通道 数据采集
分 析 ： 利 用 LabVIEW8.2 的 DAQmx-Data Acquisition子选板中的数据采集函数构建一个单通 道的数据采集系统。
硬件-选用NI USB-6009采集卡 软件- 选用DAQmx-Data Acquisition子选板中的数据采
LabVIEW中的相关分析函数
Auto Correlation.vi
Cross Correlation.vi
N 1
Rxx j X k X jk k 0
N 1
Rxyj X kY jk k 0
例6.12 互相关运算
前面板
程序框图
6.3.3 微积分运算
在工程应用领域，经常要对整个 过程进行测量和控制，往往涉及到信号 的采集，而采样获得是离散的数据，若 要考虑整个过程的动态情况或者获得多 个参数，就要用到数值积分和数值微分 运算。
调 理
数 数字 据 信号 采
计 算
集
机
卡
数据采集卡
一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输 出、数字I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由 相应的电路来实现。
模拟输入/输出
ADC
DAQ Board
digital cntr/ timer
数字输入/输出 On Off
时钟输入/输出 1-
0
选用数据采集卡的基本原则
数据采集VI的程序框图
数据采集VI的程序框图
6.2 信号产生
信号产生是仪器系统的重要组成部分，要评 价任意一个网络或系统的特性，必须外加一 定Fra Baidu bibliotek测试信号，其性能方能显示出来。最常 用的测试信号有正弦波、三角波、方波、锯 齿波、噪声波及多频波（由不同频率的正弦 波叠加而形成的波形）等。
6.2.1数字信号的产生与数字化频率的概念
PC-6310适用于具有ISA 总线的PC系列微机 卡上的A/D转换器ADS774为12位分辨率 转换速率为10μ S 模拟输入信号范围为0V～10V或-5V～+5V 模拟输入通道为32个通道的单端或16个通道的双 端
控制端口的地址与功能
A/D转换状态数据格式 A／D转换结果数据格式
数据采集VI的前面板
u(i) Asin(360 0 i / n 0 )
数字化频率f = 模拟频率/采样频率
6.2.2 信号产生函数及应用
信号生成子选板
1. 正弦波生成
Sine Wave.vi
正弦波函数的等效数学运算式如下： Sine Wave[i]=amplitude×sin（360×f×i+ phase0）
M
u(t) 2U n sin(nt n ) n1
畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度用总谐波畸变量THD 表示
100 THD
A22 ( f 2 ) A32 ( f3 ) An2 ( f n )
A1 ( f1 )
例6.21 谐波分析
前面板
程序框图
6.5 数字滤波器