1、虚拟仪器 3,电子科技大学自动化学院 虚拟仪器课程组 ,第3章 虚拟仪器的测试信号分析 与处理技术,3.3 信号波形的时域测量和处理,3.3.1信号的幅值特征值 1周期信号的幅值特征值周期信号的幅值特征常以峰值、峰峰值、均值、均方值和有效值来表示。（1）峰值 和峰-峰值 峰值 是指在一个周期内信号可能出现的最大绝对瞬时值，即,峰-峰值 是指在一个周期内信号最大瞬时值 与最小瞬时值 之差的绝对值,即 信号的峰值和峰-峰值给出了信号变化的极限范围，是选择测试装置的量程和动态范围的依据。（2）均值周期信号的均值表示信号变化的中心趋势，是信号的常值分量。,（3）均方值和有效值周期信号属于功率信号，其能
2、量无限，平均功率反映了信号的功率大小平均功率的平方根就是信号的有效值 ,即,有效值 也常称为均方根值，工程上还常常直接写成RMS。,2.随机信号的幅值特征值,各态历经随机信号的幅值特征值包括均值、方差、均方值等。 均值是指各态历经随机信号的样本函数 在观测时间T上的平均值，即,它表示随机信号的常值分量，是随机信号波动的中心值，描述了随机信号的静态分量。,方差 描述随机信号的幅值波动程度。用样本函数 偏离均值 的平方均值表示,即由定义可知，方差的量纲与均值的量纲不同。为达到两者一致，常用的是方差的平方根，也称标准偏差或标准差，它是分析随机信号的重要参数。信号波动的范围愈大，则也愈大。可见，标准差
3、描述了随机信号的动态分量。,均方值 描述随机信号的强度，它是样本函数的平方平均值，即它有明确的物理含义，代表信号的平均功率。 工程上，常用均方值的平方根 来等效信号的当量幅值大小，称 为有效值或均方根值。,3. 在LabVIEW中实现信号幅值 特征值求取,最简单有效的方式是用Express VI中的Amplitude and Level MeasurementsVI。 它的到达路径是Functions Signal Analysis或All Functions Analyze Waveform Measurements。图标是 。,图3-15 波形信号分析和处理子模板,图3-16 波形测量子模
4、板(Waveform Measurements),波形信号分析和处理VI子模板和波形测量子模板分别如图3-15和图3-16所示。,Amplitude and Level MeasurementsVI的参数设置对话框，如图3-17所示。,幅值特征值求取的项目,当前信号幅值特征值求取的结果,输入信号预览窗口,加窗后信号预览窗口,Amplitudeand Level Measurementsvi中可以进行的幅值特征值求取项目及其对应参数含义列于表3-5中。,表3-5 Amplitude And Level Measurementsvi幅值特征值求取项目,现在看一个用Amplitude and Lev
5、el Measurementsvi进行特征值求取的例子。 用Express信号发生器产生一个仿真信号，其参数设置如图3-18所示。这是一个具有直流偏置和噪声干扰的正弦信号。,图3-18仿真信号参数设置,图3-19 a）Express Amplitudevi前面板,用Amplitude And Level Measurements. vi检测其能够检测的所有幅值特征值的测试 (Express Amplitudevi)，如图3-19。,图3-19 b）Express Amplitudevi后面板,用3个波形幅值测量VI 也可以求取信号均值和均方根值。 用 这3个VI还可以专门针对多谐信号进行幅值和
6、频率测量。,3.3.2 信号的时间特征值,周期和频率是周期信号或准周期信号特有的时间特征值； 周期信号的周期和频率分别反映了周期信号波形重复出现的时间间隔和出现的频率，它们互为倒数关系。 在LabVIEW中，能够求取信号频率和周期的Express是Timing and Transition MeasurementsVi 。 它的到达路径是Functions Signal Analysis或All Functions Analyze Waveform Measurements。,表3-6 Timing and Transition Measurements.vi设置参数含义,Timing and
7、 Transition Measurementsvi还给出了其他几个波形参数的求取，其对应含义见表3-6。,例：用Timing and Transition Measurements. vi求取一个三角波的幅值、时间等特征值。如图3-20,图3-20 a) 后面板,图3-20 b) Timing and Transition Measurementsvi参数对话框的设置,可以求取周期信号频率和周期参数的Express还有专门用于寻找最大幅值谐波信号分量参数的Tone Measurements. vi ； 用Spectral Measurements. vi 可以通过谱分析的方法获得周期信号的频
8、率，但如果仅仅求取时间参数，用这个就过于浪费了。,用 这3个VI可以专门针对多谐信号进行幅值和频率测量。 用 这3个波形可以测量不规则信号在一个周期中的波形参数：从其图标中可以很明显地看出来，这3个分别求取的是一个波形的瞬态幅值信息、时间轴信息和类似于峰峰值的参数。,3.3.3信号的相位特征值,相位也是周期信号特有的特征值参数。它实际上表示了一段时间量在周期信号的一个波形周期中所占的比例。 设信号的初始点相对于标准正弦或余弦信号的时间差为 ，信号周期为 ，则其初始相位角 。两个同频周期信号的初始相位角之差即为其相对相位角。,实际应用中，测量相对相位角的方法：a）可以先求取两个信号的初始相位角，
9、再将两者的初始相位角相减，这样计算的条件是两个信号都是正弦信号。b）分析两个周期信号的互谱，互谱相位谱图中周期信号频率所对应的相位值即是两个信号的相对相位角(又称为相位差)，这种方法适用性比较广。c）对两个同频率的正弦信号，还可采用求互相关函数的方法，计算得到相位差。,3.3.4 信号运算及LabVIEW实现,两个数学运算Express VI Formula. vi ； Time Domain Math. vi ； 到达途径：Functions Arithmetic & Comparison。 利用公式节点也可以进行信号的运算。,图3-21 Arithmetic&Comparison子模板,F
10、ormulavi：能够进行基本的数学运算，其输入变量可以多达8个，使用非常方便。,Formula. vi和Time Domain Math. vi所在子模板如图3-21所示,Time Domain Mathvi主要对输入信号进行微分、差分、积分和求和4种运算。其参数设置对话框如图3-22所示。,图3-22 Time Domain Math .vi参数设置对话框,例：对一个方波信号进行微积分运算。 如图3-23 Express Integ. vi的前后面板。,图3-23 b）Express Integ .vi前面板,原始信号,微分后信号,积分后信号,图3-23 a) Express Integ
11、.vi后面板,LabVIEW中的基本运算函数子模板(All Functions Numeric)提供了丰富的运算函数，包括 基本运算函数子模板(Numeric)； 三角函数运算子模板(Trigonometric)； 对数运算子模板(Logarithmic)；等。 这些运算函数大都具有多态性，即输入自变量可以是单个数据、数组，也可以是波形数据、动态数据等，所以可以用于信号波形的运算。,图3-24 基本运算函数子模板,3.3.5 波形修整、越限监测和波形操作,波形修整、越限监测和波形操作是LabVIEW中非常纯粹的时域处理手段，在基本函数VI中只有非常简单的几个对应的功能VI,其主要功能都在Exp
12、ress VI和波形VI中实现。 1波形修整和重采样：波形修整主要用在不同测试实验数据的采样时间的对应，包括初始采样时间、结束采样时间以及采样时间间隔。,在LabVIEW中实现波形修整的有Express VI中的Align and Resample. vi 、波形VI中的Align Waveforms (continuous). vi 、Align Waveforms (single shot). vi 、Resample Waveforms (continuous). vi 、Resample Waveforms (single shot). vi 和基本函数VI中的Resample (co
13、nstant to constant). vi 和Resample (constant to variable). vi 。,Express VI中的Align and Resamplevi的到达途径是Functions Signal Manipulation，它在VI后面板中的图标表示如图3-25所示。,图3-25 Align And Resamplevi的图标,图3-26 Alignand Resample.vi的参数设置对话框,图3-26所示为Express VI中的Align and Resamplevi的参数设置对话框，图中的参数选择都是其默认值。 在设置好了参数之后，Align a
14、nd Resample .vi将直接输出修整后的波形。,波形VI中的4个波形修整VI的到达途径是All Functions Analyze Waveform Conditioning，其子模板可以参见图3-27。,图3-27 波形调理子模板(Waveform Conditioning),表3-7 4个波形修整VI的端口定义图,2. 越限监测,越限监测主要用于对测试信号的幅度进行监测，以提供越限报警信息。越限包括超越上限和超越下限，越限监测实现的原理只是简单的幅值比较。 LabVIEW中的越限监测VI在幅值比较的基础上，集成了报警界限定义和报警信号输出的功能。在需要进行信号幅值监测的场合可以直接
15、使用这些VI。,在LabVIEW中实现越限监测的有Express 中的Mask and Limit Testing .vi 和波形VI中的Limit Testing .vi 、Limit Specification .vi 、Limit Specification by Formula .vi 。 Express VI中的Mask and Limit Testingvi的到达途径是Functions Signal Analysis，在VI 后面板中的图标可以表示为如图3-28所示。,图3-28 Mask and Limit Testing .vi的图标,波形监测子模板如图3-29所示,图3-2
16、9 波形监测子模板(Waveform Monitoring),图3-30 Mask and Limit Testing .vi的参数设置对话框,图3-30所示为Express VI中的Mask and Limit Testingvi参数设置对话框。可以看到，需要设置的参数只有报警界限。,Mask and Limit Testingvi的输出变量可以为报警或波形监测提供丰富的信息，表3-8列出了输出变量的含义。,表3-8 Mask and Limit Testing .vi 输出变量的含义,3. 波形操作,在Express VI的信号操作子模板中还提供了许多直观而简便，可以进行波形的操作的VI
17、。这些波形操作VI的功能可以把输入的波形修剪拼接成人们所需要的各种形式。,表3-9 LabVIEW中波形操作VI的图标和功能,例：求平均值和均方根值,离散信号的电压有效值及平均值的数学表达式如下所示： 电压有效值： 电压平均值： 在LABVIEW中计算,练习：求DC、RMS。 1. 前面板设计,2. 后面板设计,3.4 测试信号的相关分析和卷积运算,3.4.1 测试信号的相关分析1相关概念相关是指客观事物变化量的相依关系。利用测试对象之间的相关性或不相关性，可以达到特定的检测或分析目的，也可以用相关的概念来评价测试实验的成功程度。,2几种典型测试信号的自相关函数,如图3-31所示，相应的自相关
18、函数性质可以表述如下： (a)正弦函数时延后相关，其自相关函数为余弦函数，不衰减：(b)周期信号中叠加随机信号后，自相关函数中不衰减部分为周期成分，衰减部分为随机信号；(c)宽带随机信号较窄带随机信号波动频繁，相关函数衰减也快；(d)冲击脉冲的自相关函数衰减最快；,图3-31 典型信号的自相关函数,在测试工程应用中就可以对实测的信号作自相关分析，根据自相关函数的特点判断信号是否为周期信号，随机信号是宽带的还是窄带型的，并据此寻找原因。,3. 相关分析的应用,在测试技术中，相关分析有两个最典型的应用：时延或位置检测，相关滤波。 利用互相关函数可以测量系统的延时，如果信号的时延是和位置相关的，则还
19、可以测量位置信息和速度信息，例如用相关分析判断液体流速。 利用互相关函数还可识别、提取、混淆在噪声中的信号，即相关滤波。,3.4.2 卷积积分,卷积是线性系统时域分析方法中的一种，它可以求线性系统对任何激励信号的零状态响应。 卷积的物理概念及其运算在测试信号处理中占有重要地位。 1卷积积分的物理意义卷积或褶积(convolution)使用得十分普遍，函数 与 的卷积积分定义为,通常简写为 。,利用卷积运算来描述线性时不变系统的输出与输入关系，系统的输出 是任意输入 与系统脉冲响应函数 的卷积，如图3-32所示。,2系统的离散卷积和离散相关函数,3.4.3 在LabVIEW中进行相关分析 和卷积
20、运算,在LabVIEW 71中实现相关和卷积运算的VI从其功能上分有简单而明确的4种： 自相关函数运算VI； 互相关函数运算VI； 卷积运算VI； 反卷积运算VI。,实现相关和卷积运算没有对应的波形VI，其实现的层次只有两个层次： Express VI中的Convolution and Correlation. vi 。 基本函数VI中的 Convolution. vi ； Deconvolution. vi ； Auto Correlation. vi ； Cross Correlation. vi 。,Express VI中的Convolution and Correlationvi包含了
21、 自相关函数运算VI； 互相关函数运算VI； 卷积运算VI； 反卷积运算VI 。 它仅仅给4个基本函数VI提供了一个共同的外壳而已。 Express VI中的卷积和相关运算Convolution and Correlationvi到达途径：Functions Signal Analysis。,图3-33 Convolution and Correlationvi参数设置对话框,只需设置需要进行计算的种类，在参数设置框的右半部分就能直观地看到计算过程的图解。,计算过程图解,计算的种类,例：利用Convolution and Correlationvi进行自相关和互相关运算。如图3-34,图3-3
22、4 a）相关运算VI的前面板,输入信号一个是含有白噪声的正弦信号，对其作自相关运算；另一个输入信号是和此信号同频的正弦信号，将两者进行互相关运算。,图3-34 b）相关运算VI的后面板,在LabVIEW中进行相关运算和卷积运算时，要注意： 相关和卷积VI计算的是输入所有数据长度的相关和卷积，因此在计算结果(相关和卷积输出数据序列)的起点和终点时，其值必定是零。 进行卷积和互相关运算时，一个输入信号的长度远小于另一个输入信号的长度将有利于使计算和仿真更接近实际情况。,实现相关和卷积运算的基本函数的到达途径： All Functions Analyze Signal Processing Time Domain， 其子模板参见图3-35，,图3-35 时域子模板(Time Domain),其参数和Convolution and Correlation. vi类似，区别在于用数组和端口的方式进行设置。,
