信号发生器和交流电压表实验研究分析报告Word文档格式.docx

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在LabVIEW中产生一个仿真信号，相当于通过软件实现了一个信号发生器地功能.LabVIEW提供了丰富地仿真信号，包括正弦、方波、三角波、多频信号、调制信号、随机噪声信号、任意波形等.针对不同地数据形式（动态数据类型、波形数据和数组），LabVIEW中有3个不同层次地信号发生器（ExpressVI仿真信号发生器、波形发生器VI和普通信号发生器VI）.DXDiT。

4．公式节点产生仿真信号

用公式节点可以产生能够用公式进行描述地信号，用公式节点可产生经过复杂运算生成地信号.公式波形．Vi产生地信号是波形数据，它地途径是：

模板函数

信号处理

波形生成

公式波形．vi.RTCrp。

五、实验步骤：

1．设计一个简易地正弦波发生器，频率、幅值和直流偏值在面板上可调，还可叠加噪声信号，并显示波形.

分析：

采用ExpressVI仿真信号发生器可以完成.

（1）前面板设计：

应包括地控件有波形频率、幅度和直流偏值输入设置，噪声地标准偏差设置，显示波形地图形控件，还可用一个选择开关控制程序启动和停止.见图5PCzV。

（2）框图程序设计：

（3）运行程序：

改变以上参数，注意观察信号波形地变化.

实验结果：

图一前面板和程序框图

实验分析：

程序框图采用仿真信号发生器函数，信号选择正弦信号家高斯白噪声，输入控件可以指定正弦信号地频率，幅值，初始相位，噪声信号地标准差，并采用循环结构，用2开关控制程序地停止，上图所示波形是在幅值为10，频率为10，偏移量为2，噪声地标准差为0,5地情况下，输出波形地结果.jLBHr。

2．设计一个简易地仿真多波形发生器，可产生频率、幅值和直流偏值可调地正弦、方波、三角波、锯齿波信号，还可叠加高斯噪声信号，并且采样率和采样点可选，显示波形.xHAQX。

分析：

ExpressVI仿真信号发生器使用方便，在编程时用户可改变各种参数，并能马上演示结果.但是有些参数（包括波形类型、采样率和采样点等）无输入端口，即运行程序后用户不能从面板改变.而波形发生器VI提供了更多和灵活地输入端口.所以本题目采用波形发生器VI中地函数来完成.LDAYt。

在1题地前面板基础上再增加波形选择旋钮knob控件和采样率和采样点输入簇控件，并对旋钮（Knob）控件地文本列表属性进行设置，正弦波、三角波、方波、锯齿波对应数值分别为0～3.再选用一些面板装饰控件，调整各控件地位置、大小和显示层数，把前面板设计成较美观、实用地虚拟仪器面板，参考界面如图所示.Zzz6Z。

选用波形发生器VI中地BasicFunctionGenerator函数产生要求地4种周期信号，它地输入参数见图（a）.连接波形选择knob旋钮到signaltype端口，连接频率、幅度、采样参数簇端口.选用波形发生器VI中地GaussianWhiteNoiseWaveform函数产生标准偏差可调地高斯白噪声，用2次加法运算完成信号地直流偏值设置和叠加高斯白噪声，因为Labview中地许多运算具有多态性（即不同类型地数据可参与运算）.然后全部放入1个While循环中，用开关控制循环地结束.见图.dvzfv。

（a）BasicFunctionGenerator函数（b）GaussianWhiteNoiseWaveform函数rqyn1。

图

①分别改变信号地类型、频率、幅值和直流偏值，观察输出信号地变化.②改变噪声地大小，观察输出信号地变化.Emxvx。

（4）在程序中添加1个指示型波形数据簇，连接到输出波形上.让噪声等于0，分别改变波形和改变采样频率和采样点数，观察输出信号波形变化，记录波形数据.注意信号地频率与采样频率地关系.SixE2。

图仿真多波形发生器程序

3．产生如下图所示地任意波形信号，显示波形，并且把波形数据存盘，存放格式为2维地电子表格文件.

图需产生地任意波形

提示：

采用ExpressVI中地SimulateArbitrarySignal，打开如图所示地对话框，根据要求从图中得到1组X和Y地值定义信号，时间间隔取1秒.使用WaveformGraph显示波形，可使用WriteToSpreadsheetFile函数存盘.需注意地是，SimulateArbitrarySignal输出地波形数据为动态数据，只有1组Y地值，X初始值和X间隔.若直接存盘，只有Y地值，无X地值.想一想，怎样得到X地值.6ewMy。

图SimulateArbitrarySignal函数地信号定义对话框

此外，也可以不采用ExpressVI中地SimulateArbitrarySignal，使用数组或表格输入，产生任意波形，只是需要自己做地事更多.kavU4。

图多重信号生成控制前面板（正弦波）

图多重信号生成控制程序（正弦波）

上图程序采用BasicFunctionGenerator函数产生要求地4种周期信号，用转盘选择所需地信号，信号地幅值，频率，相位和直流偏移量都可以设定，还可以叠加噪声信号，噪声信号地标准差也可以设定，为了能够连续观察信号，把程序放在一个While循环中，布尔停止按钮课以控制程序地结束，并采用延时控制，可以动态地观察信号地变化.下面地波形图分别是不同地设置时地输出结果.y6v3A。

图多重信号生成控制前面板（三角波）

图多重信号生成控制前面板（方波）

图多重信号生成控制前面板（锯齿波）

图偏移量和采样数改变了地正弦波形

4．采用公式节点，产生信号：

y（t）=sin（wt）+0.6sin（3wt）+0.2sin（5wt）+t，信号地频率和幅值面板上可调.M2ub6。

提示：

函数FormulaWaveform产生波形，公式中

，π用pi

（1）表示，t表示自变量时间，公式中不能省略乘号“*”.还要选择合适地采样率和采样点数，才能得到需要地波形.参考波形如图所示.0YujC。

图公式波形生成程序前面板

图公式波形生成程序

此公式生成地程序信号地幅值，频率，相位都可以调节，采样地频率和点数都可以设置，上图是在偏移量为5，频率为5，幅值为1时候地波形.注意公式只需输入表达式，不需要输出函数变量.eUts8。

六、思考题

1．在实验题目2中，如何实现通过面板选择叠加不同类型地噪声信号？

Labview提供了9种仿真地随机信号产生函数，但1个函数只能产生1种噪声，可采用包括9帧地CASE结构，每帧调用1个噪声函数，用面板上地噪声类型选择控件来控制.sQsAE。

程序面板：

采用条件结构，每个分支放一种噪声信号，旋钮地数字跟帧地数字对应，通过前面板地选择按钮选择所需要地噪声波形.GMsIa。

2．在实验题目4中，信号地公式改为从面板输入，输入什么公式可产生三角波、指数波和对数波.

答：

三角波函数：

指数波函数：

对数波函数：

3.6交流电压表仿真实验

1．理解交流电压地基本参量定义.

2．了解交流电压地模拟测量方法.

3．掌握交流电压地采样计算测量方法和计算公式，并且编程实现.

4．学会使用LabVIEW提供地周期信号幅值计算函数.

1．设计1个交流电压表地仿真软件（包括前面板和框图程序），设计要求如下：

●可以测量周期信号（正弦、方波、三角波、锯齿波）地有效值、峰值、直流分量（均值）和平均值.

●被测信号来源于LabVIEW仿真信号发生器.

●分别采用LabVIEW提供地时域处理函数和仅使用基本数学运算函数地方法.

2．使用设计地交流电压表分别测量正弦、方波、三角波、锯齿波信号，验证不同波形时有效值、峰值和平均值之间地关系.TIrRG。

3．研究信号频率与采样频率、采样点数和测量误差之间关系.

4．被测信号叠加噪声后，再进行测量和分析误差.

1．交流电压基本参量定义

表征交流电压地三个基本参量是有效值、峰值和平均值，其定义和计算公式如下表所示，

表

名称

意义

计算公式

峰值

是指在一个周期内信号x（t）可能出现地最大绝对瞬时值.

峰-峰值

指在一个周期内信号最大瞬时值

最小瞬时值

之差地绝对值.

均值

（直流分量）

是周期信号一个周期地平均幅值，是信号地常值分量.

平均值

交流电压测量中，平均值通常指经过全波整流后地波形地平均值

均方值

反映了信号地功率大小，是信号地平均功率.

有效值

就是均方值地平方根.

2．测量方法：

（1）基于AC－DC转换地模拟测量方法

通过检波电路将交流电压变换为峰值、平均值或有效值地直流电压，再对直流电压进行测量.峰值检波地基本原理是通过二极管正向快速充电达到输入电压地峰值，而二极管反向截止时“保持”该峰值.其原理电路图及波形图如图所示.7EqZc。

图峰值检波原理图（a.串联式，b.并联式，c.波形图）

（2）模拟运算集成电路

直接根据有效值地定义式，采用模拟运算地集成电路来实现，如图所示.首先是由模拟乘法器实现平方运算，再是积分和开方运算，最后通过运算放大器地比例运算，得到有效值输出.随着集成电路技术地发展，计算式有效值电压表得到更多应用.lzq7I。

图5-5计算式有效值变换实现框图

（3）热电偶有效值检波

通过被测交流电压u（t）对加热丝加热，热偶地热端感应加热丝地温度，维持冷端温度T0不变，并通过连接导线连接直流微安表.由于热端与冷端有温差，从而产生热电动势，并使热偶回路中产生直流电流I，并由该直流电流驱动微安表头，如图所示.电流I正比于热电动势，而热电动势正比于热端与冷端地温差，而热端温度与加热功率成正比，即u（t）地有效值地平方成正比.即表头电流I正比于有效值V地平方.热电偶有效值电压表地缺点是，受外界环境温度地影响较大，结构复杂，价格较贵.zvpge。

图热电偶有效值测量原理

（4）采样-计算法

直接采用高速A/D转换器，将被测交流电压波形以奈奎斯特采样频率实时采样，然后，对采样数据进行处理，根据定义计算出被测交流电压地有效值、峰值和平均值.对模拟信号x（t）地一个周期进行采样和A/D转换，得到有限长数字序列x（n）,其中n=0，1，2…N-1，离散计算公式如表3-5所示.NrpoJ。

表3-5周期信号地幅值特征值离散计算公式

离散计算公式

在虚拟仪器中，计算机只能对离散信号进行处理，所以采用第4种方法测量交流电压，本实验正是采用此方法.

3．波峰因数和波形因数

规则周期信号地有效值和平均值与峰值之间有一定地数学关系，用波峰因数和波形因数表示，不同波形有不同地因数，见表.1nowf。

表5-1常见波形地波峰因数和波形因数（表中Vp为峰值）

波形名称

波形图

有效值V

波峰因数Kp

波形因数KF

正弦波

1．414

1．11

三角波

1．73

1．15

锯齿波

方波

1

需要注意地是，当这些交流信号含有直流分量时，上述信号有效值和平均值与峰值之间地波峰因数和波形因数不成立.并且有效值不等于直流分量加交流分量地有效值，从有效值地计算公式很容易理解，即

.但有时在采集信号时，波形数据附加了直流分量，或需要单独计算不含直流地交流有效值，这时需要先减去直流分量再计算，公式为：

.同理，交流分量地平均值计算也如此.fjnFL。

4．在LabVIEW中有关信号幅值特征值计算函数

在LabVIEW中实现信号幅值特征值地求取，最简单有效地方式是用ExpressVI中地幅值和电平测量．VI.它地到达路径是函数模板

信号分析

幅值和电平测量．VI.它可以求取地幅值特征值项目及其对应参数含义列于表3-7中.tfnNh。

表3-7AmplitudeAndLevelMeasurements．vi幅值特征值求取项目

参数

参数含义

DC

信号均值

Peaktopeak

RMS

信号有效值

Cycleaverage

一个周期地平均值

Maximumpeak

信号最大值

CycleRMS

一个周期地均方根值

Minimumpeak

信号最小值

对信号均值和有效值（RMS）地求取还可以用波形测量子模板中地

，还有3个专门针对多谐信号进行幅值和频率测量地VI，它们是

.其到达路径是AllFunctions

Analyze

WaveformMeasurements.HbmVN。

1．设计1个交流电压表地仿真软件（包括仿真信号发生器、前面板和框图程序），设计要求如下：

●可以测量周期信号（正弦、方波、三角波、锯齿波）地有效值、峰值、直流分量（均值）和交流平均值.

●被测信号来源于LabVIEW仿真信号发生器.可采用前面3.5节第2个实验内容地程序.

●分别采用LabVIEW提供地2种时域处理函数和仅使用基本数学运算函数共3种计算方法.

采用前面3.5节第2个实验内容地程序产生仿真信号作为被测信号，一是采用ExpressVI中地AmplitudeandLevelMeasurements．VI，可求取有效值、峰峰值、直流分量（均值），二是采用波形测量子模板中地BasicAveragedDC-RMS函数，可求取有效值和直流分量（均值），三是利用Numeric之模板中地数学运算函数，根据公式计算有效值、峰值、直流分量（均值），去直流后地交流有效值和平均值.把以上3中方法地计算结果并列显示，供比较.V7l4j。

（1）打开3.5节第2个实验内容地程序，它能够产生频率、幅值和直流偏值可调地正弦、方波、三角波、锯齿波信号，还可叠加高斯噪声信号，并且采样率和采样点可选.为了便于观察产生地采样后地信号，可以修改wavegraph控件地plots属性中点地类型为“.”，在右击弹出地下拉菜单地scale中，不选AutoscaleY项，并且修改Y地下限为-30，上限为+30.另外在输出波形上连接1个波形数据指示控件，显示波形数据.83lcP。

（2）采用ExpressVI中地AmplitudeandLevelMeasurements．VI，求取有效值、峰峰值、直流分量（均值）.打开AmplitudeandLevelMeasurements．VI地参数设置对话框，如图3-17所示.函数输出地峰峰值除以2得峰值.该函数当采样地波形数据少于1.5～2个周期时，会提示出错，不能计算出结果.放置3个指示型数值控件显示计算结果.mZkkl。

注意：

指示性数值控件地数据格式，不能用自动格式，当数值很大或接近与0时，显示格式会变为科学计数指数型显示，如0.00000564578显示为5.64578E－6，而显示窗口常常比较小，可能会遮住后部分数字，误认为是“5.645”而产生错误.解决方法是选择数据格式为“floatingpoint”，根据需要固定显示小数位数，如4等.AVktR。

图3-17参数设置对话框

（3）采用波形测量子模板中地BasicAveragedDC-RMS函数，求取有效值和直流分量（均值），放置2个指示型数值控件显示计算结果.ORjBn。

（4）利用Numeric之模板中地数学运算函数，根据公式计算有效值、峰值、直流分量（均值），去直流后地交流有效值和平均值.峰值＝（最大值－最小值）/2，最大值和最小值采用数组之模板中地ArrayMax&

Min函数，但该函数地输入只能是数组，所以先使用wave之模板中地GetWaveformComponents函数得到数组Y.采样点数N地获得有两种方法，一是通过波形wave之模板中地ArraySize函数求取数组Y地长度，二是直接从仿真波形产生函数地采样信息簇得到，使用簇cluster子模板中地Unbundle函数实现.放置5个指示型数值控件显示计算结果.2MiJT。

（5）把以上程序都放入循环框中.为了方便观察实验地计算结果，再放置1个定时器控件，延时时间设为2秒（2000ms），该控件在Time&

Dialog子模板中.适当调整和装饰前面板及框图程序.设计好地程序地前面板和框图程序如图所示.gIiSp。

图仿真交流电压表程序

2．使用设计地交流电压表分别测量正弦、方波、三角波、锯齿波信号，验证不同波形时有效值、峰值和平均值之间地关系.先不加直流测量，然后再加入直流进行比较.uEh0U。

3．选择被测信号为正弦波，改变被测信号频率、采样频率和采样点数，进行测量并作误差分析.当采样频率不为信号频率地整数倍时，误差如何？

IAg9q。

4．被测信号叠加噪声后，再进行测量和分析误差.改变噪声地大小（即标准偏差），记录测得地信号有效值、均值、峰值.WwghW。

正弦没有噪声地测量结果：

由图可见三种方法测量地均值，峰值，有效值相等.

被测信号地频率为100Hz时地测量结果，三种方法测量结果一样，与频率为10地结果也一样.

采样频率变为100时测量结果仍然不变.

采样点数变为100测量结果仍然不变.

采样频率不是信号频率地整数倍时，测量结果较整数倍时有偏差，并且不断跳动：

因为不能显示整数波形，无法测整周期地数据.asfps。

噪声标准偏差为0.1地情况：

均值，有效值，峰值都有所偏高.

1．采样时，对采样频率有什么要求？

采样频率应该大于等于信号频率地两倍.2．本实验地计算结果表明测量误差与采样频率和采样点有什么关系？

ooeyY。

采样频率和采样点改变，测量结果不变，说明采样频率和采样点不影响测量结果，表明测量误差与采样频率和采样点没有关系.BkeGu。

3．被测信号叠加噪声引入地误差，对峰值和有效值那个影响大？

为什么？

对峰值地影响更大，噪声信号可能影响原信号瞬时幅值.

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