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综合课程设计

XX大学

课程设计

课程设计名称：

专业综合课程设计

学生姓名：

XXX

学院：

XXXXXXX

专业及班级：

XXXXXXXXX

学号：

XXXXXXXXX

指导教师：

XXX

2012年1月17日

湖南科技大学机电工程学院

课程设计任务书

课程设计名称

专业综合课程设计

课程设计题目

XXXXXXX

学生姓名

XXX

年级

09级

专业

测控

学号

XXXXXXXX

指导教师

XXX

单位

机电工程学院测控系

课程设计起止日期

2012年12月31号—2013年1月18日

设计内容：

任务与要求：

1、

主要参考资料：

摘要

多通道数字信号发生器设计，通过对原理的分析画出前面板，设计出程序框图。

然后运行调试出结果。

相关分析虚拟实验仪器的方案设计，通过对原理的分析，到方案的设计，最后分别对互相关和自相关分别进行设计与调试。

关键词多通道前面板互相关自相关

目录

第一章虚拟仪器概念················································1

1.1虚拟仪器概念·················································1

1.2LabVIEW简介·····················································1

第二章多通道数字信号发生器设计····································2

2.1多通道数字信号发生器的原理········································2

2.2总体方案设计的确定················································2

2.3前面板设计·······················································2

2.4程序框图设计····················································3

2.5运行检验························································5

第三章相关分析虚拟实验仪器的方案设计·····························6

3.1相关分析虚拟实验仪器的原理········································6

3.2总体方案设计的确定················································7

3.3互相关分析虚拟仪的程序实现········································7

3.4互相关分析的调试运行··············································9

3.5自相关分析虚拟实验仪器的程序实现································11

3.6自相关分析的调试运行············································13

第四章总结与体会····················································16

参考文献································································17

第一章课程设计的要求、目的、意义

1.1课程设计要求

利用

1.2LabVIEW简介

LabVIEW环境中开发的每个程序叫做一个VirtualInstrument（简称VI）。

虚拟仪器的应用程序开发平台有很多种，但目前最流行的就是美国的NationalInstrument（NI）公司的Labview软件。

其诞生于1986年，2006年20周年纪念推出第一个汉化版，并设计即使用汉化版8.2版。

用Labview作为开发平台的最大优势就是程序开发效率高，这就是由于其使用的图形化编程语言，并提供了几乎所有的经典信号处理的函数和大量的现代版的高级信号分析函数，这些函数都已图标形式给出，使用者只需采用图标与连线的方式，可以像化画电路板一样非常直观。

此外Labview非常容易和各种数据采集硬件集成，还可以和多种主流的工业控制现场总线通信以及与大多数的通用标准的数据库链接。

第二章多通道数字信号发生器设计

本设计所要求是：

1）至少能产生2通道的数字仿真信号，包括方波、正弦波、三角波、均匀白噪声、矩形脉冲等中的两种

2）可以设置波形的频率范围、幅度、相位、直流偏移量和占空比等。

2.1多通道数字信号发生器的原理

多通道数字信号发生器利用信号生成控件分别可以生产方波、正弦波、三角波、均匀白噪声、矩形脉冲等波形。

2.2总体方案设计的确定

在本设计中用信号生成控件产生各种波形显示在前面板上。

2.3前面板设计

2.1.1六个输入型数字控件

六个输入型数字控件供使用者键入生成信号的类型、频率、初始相位、幅值、总采样点数N与方波的占空比。

操作：

控件>>经典>>经典数值>>旋钮五次，得到五个输入型数字控件，分别标记为“频率”、“方波占空比”、“幅值”、“采样点数”和“初始相位”。

操作：

控件>>数值>>数值输入控件，得到一个输入型数字控件，标记为“信号类型”。

2.1.2一个输出显示型图形控件

输出显示型图形控件用来显示所产生的波形。

执行控件>>图形>>波形图操作，调入图形控件波形图。

2.1.3三个开关控件

执行控件>>经典>>经典布尔>>圆形指示灯操作，调入控件。

执行控件>>经典>>经典布尔>>圆形开关按钮操作，调入开关按钮控件，标记为“电源"。

执行控件>>布尔>>停止按钮，调入停止按钮控件，标记为“退出系统"。

如上设计的前面板如图2.1所示。

图2.1多通道数字信号发生器前面板

2.4程序框图设计

在程序框图中执行编程>>结构>>While循环操作两次，调入两个While循环结构。

在程序框图中执行编程>>结构>>条件结构，调入条件结构。

在程序框图中执行编程>>数值两次，可以分别放置一个除法器，一个乘法器及两个常数0.01和2.5。

在程序框图中执行编程>>信号处理>>信号生成>>基于持续时间的信号发生器操作，调入SignalGeneratorbyDuration.vi。

在程序框图中执行编程>>布尔>>真常量操作，调入图标。

连线形成的虚拟正弦波发生器的流程图如图2.2,2.3所示。

图2.2程序框图1

图2.3程序框图2

注：

所需的采样频率f由采样点数和采样周期决定。

2.5运行检验

设置信号类型为square，信号频率为=50Hz，初始相位=00，幅值=3.0V，采样点数2000，方波占空比=50%，打开电源。

生成的方波如图2.4所示。

图2.4生成正弦波显示

第三章相关分析虚拟实验仪器的方案设计

本设计主要是利用自相关函数和互相关函数来进行信号分析处理，可以用来测试典型信号的互相关函数和自相关函数。

3.1相关分析虚拟实验仪器的原理

相关是指两个变量之间的线性关系。

相关分析是分析两个信号之间关系或一个信号在一定时移前后之间关系的重要工具。

在实际工程领域、相关测速和利用相关原理探测管道破裂点、识别信号类别成分等得到广泛应用。

相关函数可以用相关分析仪测量。

相关分析仪有模拟式和数字式两种。

使用LabVIEW提供的函数可以构建一台数字式的相关分析仪。

两模拟信号x（t）和y（t）做数字化处理后，他们的相关函数表达式应为：

（5-1）

式中N=沿时间轴的总采样数；

i=沿时间轴的采样序数；

r=间断时移值

作为有限长采样的相关函数估计为

（5-2）

用这一公式做离散相关的步骤是：

（1）r=0,将所有对应采样点的x（i）和有y（i）相乘；

（2）将所有的乘积相加；

（3）以总采样点数做平均，得到相关函数的一个值。

（4）取=1，将所有对应采样点的和相乘，然后相加，平均，得到。

依次取=1，=2，=3，.....按以上步骤重复计算后得到相关函数的各个值。

在X（i）和Y（i）二离散序列长度相等时，计算Rxy（0）可以用全部计算长度数据来计算，而下一步计算时因y（i）做一步时移，使可提供计算的序列长度由N变为N-1。

且随时移增大，可提供计算的序列长度越来越短，所以互相关函数的估值应为：

（5-3）

与此类似，自相关函数的估值为：

（5-4）

labvIEW在“信号处理信号运算”函数子选板中提供了求互相关的VI——crosscorrelation，它所用的算法为：

（5-5）

求自相关的VI所用的算法为：

（5-6）

式（5-5）和式（5-6）的算法仅适用于确定性信号中的瞬态信号，所以在一般情况下需要加以修正。

这里提供的程序（ModiCorrelation）用于完成这一修正，它的程序框图如图5-1所示。

此VI对labvIEW求出的相关函数进行修正，将每个相关值除以（N-r）。

N式labvIEW求出的相关函数输出数组的长度，r是时移的位置。

参数Rxxin式labvIEW求出的相关函数值，Rxxout是修正后的相关函数值，samples是取样数，d是输出相关函数首尾截去的百分比（把移位造成的重叠太少而没有意义的部分截掉）。

N是截短后的取样数。

图3.1ModiCorrelationVI

3.2总体方案设计的确定

在本设计中，把互相关分析和自相关分析分开来进行设计，即需要进行两个程序的设计。

这里主要应用到了互相关函数、自相关函数以及ModiCorrelationVI。

3.3互相关分析虚拟仪的程序实现

3.3.1前面板的设计和规划

根据任务要求所要实现的目的确定前面板所需要的相应控件和显示板。

（1）控件和显示件的确定

根据任务要求，本设计需要两个波形图显示控件，两个数值输入控件，两个水平进度条，一个旋钮，还有一个布尔停止按钮。

（2）前面板的布置和功能

连续执行“控件→数值”提取“数值输入控件”、“水平进度条”、“旋钮”，这些控件主要是用来控制输入三角波的频率和相位。

执行两次“控件→图形→波形图”，这两个波形图用来显示波形时域信号和互相关函数图形。

然后对文本进行字体、字号和颜色设置，并在“控件→修饰”中选用平面框对控件布局进行调整，使之更规范、工整，得到前面板如图所示。

图3.2互相关实验前面板

3.3.2程序框图设计

按图3.3编写互相关分析虚拟实验仪的程序框图。

图中的“三角波”是“信号处理→信号生成”函数子选板中的VI，这两个VI用来产生三角波信号。

三角波VI的“频率”参数是数字频率，等于模拟频率除以采样率；“采样”参数是样本数；“相位输入”参数是用度表示的相位；幅值设为1。

执行“函数→信号处理→信号运算”，调出互相关函数，然后执行“函数→选择VI”调出ModiCorrelationVI。

连接好所有函数与控件，得到的程序框图如图：

图3.3互相关实验程序框图

3.4互相关分析的调试运行

把两个通道的频率都设置为100Hz，运行结果如图3.4：

图3.4运行结果一

把一通道和而二通道的频率分别设置为100Hz和104Hz，一、二通道的相位都改为0度，把时标调至5附近，运行结果如图3.5：

图3.5运行结果二

经调试运行，分析运行结果，可知不同频不相关，同频相关。

3.5自相关分析虚拟实验仪器的程序实现

3.5.1前面板的设计和规划

根据任务要求所要实现的目的确定前面板所需要的相应控件和显示板。

（1）控件和显示件的确定

根据任务要求，本设计需要两个波形图显示控件，五个数值输入控件，一个旋钮，一个垂直摇杆开关，还有一个布尔停止按钮。

（2）前面板的布置和功能

连续执行“控件→数值”提取“数值输入控件”、“旋钮”，这些控件主要是用来控制输入三角波的频率和相位、滤波器的参数设置和噪声幅值设置。

执行两次“控件→图形→波形图”，这两个波形图用来显示波形时域信号和自相关函数图形。

然后对文本进行字体、字号和颜色设置，并在“控件→修饰”中选用平面框对控件布局进行调整，使之更规范、工整，得到前面板如图3.6。

图3.6自相关实验前面板

3.5.2程序框图设计

程序框图中的三角波VI设采样率等于4096；取样数设为1024。

均匀白噪声VI取样数设为1024。

巴特沃斯滤波器VI设置为带通（Bandpass），阶次为3。

自相关VI用来求出原始信号的自相关函数，ModiCorrelationVI并进行修正，设计完整的程序框图如图3.7。

图3.7自相关实验程序框图

3.6自相关分析的调试运行

设置噪声幅值为0，信号幅值为1—5，信号频率30—100HZ，观察正弦信号的自相关函数图形。

调节信号频率和幅值，观察自相关函数图形的如图9-1。

图3.8结果一

设置信号频率250HZ左右，信号幅值为5，噪声幅值10，带通滤波器的低端截止频率设置为1HZ，高端截止频率为500HZ，观察正弦波加随机信号的自相关函数图形如图3.9。

图3.9结果二

设置信号幅值0，噪声幅值10，带通滤波器的低端截止频率设置为240HZ，高端截止为300HZ，观察窄带随机信号的自相关函数图形图3.10。

图3.10结果三

设置信号幅值0，噪声幅值10，带通滤波器的低端截止频率设置为200HZ，高端截止频率为2000HZ，观察宽带随机信号的自相关函数图形图3.11。

图3.11结果四

第四章总结与体会

本次虚拟仪器的课程设计用时两周，结合所学的知识，把理论知识付诸了实践，提升了我们的认识。

在这次课程设计中，由于第一次接触基于LabVIEW的设计，有着不少的困惑，但经过自己查阅资料，以及老师、同学的帮助，还是不错的完成了设计任务，使我们获益匪浅。

在这其中，也使我们自己认识到我们实践的不足，知识面狭窄，今后我们应该扩宽知识认知，注重实践。

另外，虚拟仪器LabVIEW以图形的方式进行试验设计，有利于相关设计人员的开发工作。

有利于社会的进步科学的发展。

刚接触的时候以为只是简单的连线图就OK了，但是当自己动手做的时候才明白其功能的强大。

个性化的前面板设计，方便的通信与控制功能，让我们在设计过程中并不会感到乏味。

参考文献

[1]NationalInstrumentsCorporation.测量与自动化产品目录.2007.

[2]胡广书.数字信号处理.北京：

清华大学出版社.1997.

[3]吴正毅.测试技术与测试信号处理.北京：

清华大学出版社.1991.

[4]NationalInstrumentsCorporation.LabVIEW基础.2006.

[5]雷振山.LabVIEW7Express实用技术教程.北京：

中国铁道出版社.2004.