用LabVIEW实现U3数据采集卡的时域分析信号处理

Posted 2021-01-14

信号特征值以一个数值表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。在测试系统中往往用一些模拟仪表来指示信号的特征值。将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信号特征值处理，并在测试VI前面板上直观的表示出信号的特征值，可以给测试VI的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。LabVIEW中的信号特征值处理VI往往都是一些小VI，在理解了测试信号各类特征值的具体含义后，使用起来很方便。
下面几款数据采集卡都能用Labview实现。

信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值3种，下面以周期信号为例分别介绍。
1、周期信号的幅值特征
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xp和峰-峰值xp-p
峰值xp是指在一个周期内信号x(t)可能出现的最大绝对瞬时值，即

峰-峰值xp-p是指在一个周期内信最大瞬时值xmax与最小瞬时值xmin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，其能量无限，平均功率 它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，工程上还常常写成RMS。

在LabVIEW中实现信号幅值特征值求取
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 Measurements.VI。它的到达路径是Functions→Signal Analysis或All Functions→Analyze→Wavefrom Measurements.VI。图标是 。首先来看看Amplitude and Level Measurements.VI的参数设置对话框。

参数设置对话框

参数设置对话框中共划分为4个区域，分别是要求进行的幅值特征值求取的项目（Amplitude Measurements）、当前幅值特征值求取的结果（Result）、输入信号预览窗口（Input Signal），和加窗后信号预览窗口（Result Signal），其中最重要的是幅值特征值求取的项目的设置。VI使用的方便就体现在这里，需要求取哪个特征值，就在它前面画勾，Amplitude and Level Measurements.VI自动在其图标中添加这一输出端口。Amplitude and Level Measurements.VI中可以进行的幅值特征值求取项目及其对应的参数含义列于下表。

Amplitude and Level Measurements.VI幅值特征值求取项目
参数 参数含义 参数 参数含义
DC 信号均值 Peak to peak 峰-峰值
RMS 信号均方根 Cycle average 一个周期的平均值
Maximum peak 信号最大值 Cycle RMS 一个周期的均方根值
Minimum peak 信号最小值

现在看一个用Amplitude and Level Measurements.VI进行特征值求取的例子。用Express信号发生器产生一个仿真用信号其参数如图所示。这是一个具有直流偏置和噪声干扰的正弦信号。Amplitude and Level Measurements.VI检测其能够检测的所有幅值特征值的测试VI（Express Amplitude.vi）的前后面板示于下图。

仿真信号参数设置

Express Amplitude.vi前面板

Express Amplitude.vi后面板

2、周期信号的时间特征值
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 VI是Timing and Transition Measurements.VI 。它的到达路径是Functions→Signal Analysis或All Functions→Analyze→Wavefrom Measurements.VI。和幅值特征值求取的Express VI一样，其参数设置也非常简单。除了幅值、时间等基本参数，Timing and Transition Measurements.VI还给出了其他几个波形参数的求取，其对应含义见下表。

Timing and Transition Measurements.VI参数对话框设置

Timing and Transition Measurements.VI设置参数含义
参数 参数含义 参数 参数含义
Frequency 频率 Preshoot 前置尖头信号
Period 周期 Overshoot 过冲
Pulse duration 脉冲宽度 Slew rate 上升速度
Duty cycle 占空比

3、周期信号的相位特征
相位是周期信号特有的特征参数值。测试工程应用中有初始相位角和两同频周期信号的相对相位角两个概念。
相位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t0，信号周期为T，则其初始相位角 。两同频周期信号的初始相位角之差即为相对相位角。在实际应用中，由于信号的时间起点很难确定，所以初始相位角这个特征量用的比较少，经常使用相对相位角这个特征值来表示两个同频周期信号的波形相对时间差在一个周期中所占的比例。需要注意的是，这两个同频信号不一定是同样类型的周期信号。在LabVIEW中常用分析两个周期信号的互谱来求取相对相位角，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对相位角（又称相位差）。
Express VI中的Tone Measurements.vi可以用来测量一个信号的相位。Tone Measurements.v的参数设置对话框如下。更多内容：www.pc17.com.cn