第3章虚拟仪器的测试信号分析

《虚拟仪器设计》第1页《虚拟仪器》－3第3章虚拟仪器的测试信号分析与处理技术《虚拟仪器设计》第2页3.5数字滤波器在虚拟仪器中的应用及其软件实现《虚拟仪器设计》第3页•滤波器分类按滤波器电路中是否带有有源器件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按能通过的频率范围分安处理信号的性质分模拟滤波器数字滤波器有限冲击响应滤波器(FIR)无限冲击响应滤波器(IIR)《虚拟仪器设计》第4页3.5.1调用数字滤波器子程序的几个问题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《虚拟仪器设计》第5页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《虚拟仪器设计》第6页2．滤波过程的响应时间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。在后续处理时应该忽略这一段开始的滤波结果。《虚拟仪器设计》第7页3.A/D前的抗混滤波器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。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。《虚拟仪器设计》第8页3.5.2在LabVIEW中应用滤波器LabVIEW中提供了许多现成的滤波器VI，分成了ExpressVI、波形VI和基本功能VI3个层次。1.ExpressVI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。《虚拟仪器设计》第9页1．ExpressVI中的滤波器VIExpressVI中的滤波器VI(Filter.Vi)处于Functions→SignalAnalysis子模板中，其参数设置框图如图3-36所示。图3-36Filter．vi带通IIR滤波器参数设置框图滤波器参数设置预览窗口预览模式设定《虚拟仪器设计》第10页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，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。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。《虚拟仪器设计》第11页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。图3-37Filter．vi平滑滤波器参数设置框图《虚拟仪器设计》第12页（2）预览模式设定和预览窗口显示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；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；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。《虚拟仪器设计》第13页例：在LabVIEW中用Filter．vi进行滤波。如图3-38所示为一个检测三角波基频信号的测试VI(ExpressFilter．vi)的前后面板。图3-38检测三角波基频信号的测试VI前面板原始三角波信号检测出来的基波信号《虚拟仪器设计》第14页图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。《虚拟仪器设计》第15页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。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。《虚拟仪器设计》第16页2.波形Ⅵ中的滤波器VI波形VI中的滤波器VI处于AllFunctions→Analyze→WaveformConditioning中，共有数字IIR滤波器和数字FIR滤波器两个VI(DigitalIIRfilter.vi和DigitalFIRfilter.vi)。参数设定方式：Express滤波器VI使用对话框；波形VI使用传统的端口方式《虚拟仪器设计》第17页表3-10DigitalIIRFilter．vi的端口含义及设置《虚拟仪器设计》第18页波形滤波器Ⅵ和Express滤波器VI的重要区别：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，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处理。《虚拟仪器设计》第19页•例：应用波形滤波器VI进行多通道信号多种参数滤波。WaveformFilter.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。《虚拟仪器设计》第20页图3-39b)WaveformFilter．vi的前面板《虚拟仪器设计》第21页图3-39b)WaveformFilter．vi的后面板•后面板中分别设置了两个不同的滤波器参数，为了分别检测出两个信号的基波信号；•前面板中则显示了两通道输入信号、检测出来的基波信号，以及对方波信号进行滤波的滤波器幅频特性及相频特性曲线。《虚拟仪器设计》第22页3.基本功能Ⅵ中的滤波器VI基本功能VI中的滤波器Ⅵ的到达途径是AllFunctions→Analyze→SignalProcessing→Filters，其功能子模板参见图3-40。图3-40滤波器子模板(Filter)《虚拟仪器设计》第23页3.6信号和系统的频率分析技术及其软件实现测试技术中的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，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。《虚拟仪器设计》第24页3.6.1离散傅里叶变换1.DFT和FFT基本概念在计算机中处理的信号是采样后的离散有限长时间序列x(n)，时域与频域转换使用的算法是离散傅里叶变换（DFT）和反变换（IDFT），对应的离散频谱为X(K)，计算公式如下：《虚拟仪器设计》第25页DFT计算求N出点的X(K)，需要次复数乘法，而快速傅里叶变换FFT的原理与DFT相同，是DFT在计算机中实现的快速方法。FFT运算要求点数N为2的整数次幂(如N=210=1024)时，计算速度最快。《虚拟仪器设计》第26页2．FFT存在的误差及其解决办法用DFT进行测试信号频域特性分析存在主要误差有量化误差、混叠、泄漏和栅栏效应等，误差产生原因：量化误差混叠误差泄漏或截断误差栅栏效应《虚拟仪器设计》第27页（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，这样就造成了量化误差。量化误差的最大值为数字编码最后位所代表值的1/2。减小量化误差，提高量化精度的方法：选用量化位数多的模数转换集成芯片；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，量化误差的值相对原始信号值就小了。《虚拟仪器设计》第28页（2）混叠误差如果模拟信号x(t)的频谱是一限带信号，其信号中最高频率为，对时域作采样时的采样频率如果小于所处理信号中的最高频率的两倍，就会产生频谱混叠。减小混叠误差：《虚拟仪器设计》第29页（3）泄漏或截断误差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，这样在处理信号时必然就进行了长度上的截断，截断方法是：将无限长的信号乘以窗函数(Windowfunction)。信号被截断以后，其频谱等于原信号的频谱和窗函数频谱的卷积，其频谱会发生畸变，原来集中的能量会被分散到一个比较宽的频带中去，这种现象称之为泄漏。•减小泄漏或截断误差《虚拟仪器设计》第30页（4）栅栏效应在进行FFT的过程中，最后需对信号的频谱进行采样。经过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。这一效应对于周期信号尤为严重，因为周期信号频谱是离散的。栅栏效应解决措施——“整周期截取”。而对于非周期信号，如果希望减小栅栏效应的影响，尽可能多地观察到谱线，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△f=1/T=fs/N。《虚拟仪器设计》第31页以上4种误差比较，量化误差是无论如何都无法完全避免的，只能尽量减小；混叠误差在选取合适的采样频率及预先进行抗混滤波后是完全可以避免的；泄漏和栅栏效应对于周期信号而言，如果进行了整周期截取是可以完全避免的；对非周期信号而言，这两种误差无法完全避免而只能尽量减小。《虚拟仪器设计》第32页3.FFT处理步骤可用较小的采样间隔△及较大的采样长度N先试采样并做出FFT，按做出的FFT再修正△及N。若长度不够采N点数据，可在后加零补足N点。《虚拟仪器设计》第33页3.6.2在LabVIEW中的频谱分析VI在LabVIEW中实现频谱分析计算的3个层次的VI分别为ExpressⅥ中的SpectralMeasurements.vi，波形VI中的FFTSpectrum(Mag-Phase).vi和FFTSpectrum(Real-Im).vi，基本函数VI的AmplitudeandPhaseSpectrum.Vi。其中波形VI中的频谱分析Ⅵ还特别给出了FFTSpectrum(Real-Im).VI以计算信号的实部频谱和虚部频谱。《虚拟仪器设计》第34页1.ExpressⅥ中的频谱测量VIExpressⅥ中的SpectralMeasurements.vi可以对单个信号进行频谱分析和功率谱分析(包含功率密度谱分析)。其到达途径为Functions→SignalAnalysis。由于SpectralMeasurements.vi是一个比较综合的Vl，其需要设置的参数基本上囊括了后面将要讲到的频谱分析和功率谱分析VI中的所有参数.《虚拟仪器设计》第35页图3-41SpectralMeasurements．vi参数设置对话框《虚拟仪器设计》第36页参数设置（1）根据频域分析目的选择不同的谱分析种类(SpectralMeasurement)。（2）幅度结果的表示Result：线性还是分贝值。（3）窗函数Window的类型：窗函数选取原则应力求其频谱的主瓣宽度窄、旁瓣幅度小。（4）平均Averaging参数：有平均模式Mode、平均权重Weighting、平均次数Numbersofaverages和平均输出类型Producespectrum。（5）相位谱输出的变换Phase：反卷及将弧度转换为度。《虚拟仪器设计》第37页在LabVIEW中，频域分析ExpressⅥ和波形VI中函数的参数设置都提供了丰富的窗函数类型，在基本频域分析函数Ⅵ中，不提供窗函数参数，但是提供了单独的窗函数原型VI子模板，如图3-42所示。图3-42窗函数子模板(Windows)《虚拟仪器设计》第38页窗函数名称及图标时域波形及幅值谱曲线主要特点和应用场合None即不加窗。主瓣最高最窄，但第一旁瓣相对较高，泄露较大。适合于要获得精确主峰的频率而对幅值精度要求不高的场合Hanni