И обработки данных в labview
Цель работы:Изучение функцийLabVIEWдля ввода и обра-ботки данных во временной и частотной области
Задание 1.Создать генератор сигналов заданной длительности с
с числом выборок 50, частотой 10 Гц, амплитудой равной 2, постоян-ным смещением, равным 1 и начальным значением фазы равным π/2. Подать выходной сигнал на однолучевой осциллограф, сохранить в Excel, построить график и описать свойства сигнала.
Задание 2.Использовать генератор,созданный по заданию1длямоделирования входных сигналов системы регулирования. Создать систему и программу ее тестирования. Добавить к входному сигналу случайный гауссовский шум с амплитудой равной 1, запустить про-грамму и проанализировать изменение спектра выходного сигнала.
Основные положения
LabVIEW предоставляет широкий набор функциональных воз-можностей для отладки сложных программ, тестирования реальных систем измерения и регулирования и развернутого анализа получае-мых данных. Так функции генерации сигналов и шумов используют-
ся для формирования детерминированных и случайных сигналов с заданным набором параметров (рисунок 5.1).
Первые два прибора в верхнем ряду представляют многофунк-циональные программно регулируемые генераторы сигналов с широ-ким набором контролируемых параметров. Приборы, размещенные во второй и третьей строках, предназначены для генерации наиболее широко применяемых детерминированных периодических сигналов,
а находящиеся в четвертой и пятой строках - для генерации шумов с различными законами амплитудного и спектрального распределения.
Рисунок 5.1 - Палитра функций генерации сигналов и шумов Среди них:
- генератор с заданной длительностью сигналов;
- гармонические колебания и шум;
- отрезки синусоидального, импульсного, пилообразного, sin(x)/y, прямоугольного и частотно-модулированного сигналов;
- синусоидальные, треугольные, прямоугольные, пилообразные
и произвольные колебания любой длительности;
- равномерный, гауссовский, периодический случайный шумы и двоичная последовательность максимальной длины;
- гамма-шум, пуассоновский, биноминальный шумы, шум Бер-нулли.
Порядок выполнения задания 1
1. 1 В Палитре всех функций на блок-диаграмме находим «Гене-ратор сигналов с заданной длительностью»: FunctionàAll Func-tionà Analyzeà Signal Processingà Signal Generation. Для получения справки по какому-либо виртуальному прибору надо активизировать его изображение при помощи левой кнопки мыши и выбрать пункт меню Help (рисунок 5.2).
Рисунок 5.2 - Выбор генератора сигналов
с заданной длительностью
Рассматриваемый виртуальный прибор (ВП) имеет девять вхо-дов и три выхода. Входы: сбросить фазу, длительность, тип сигнала, число выборок, частота, амплитуда, постоянная составляющая, вход фазы, заполнение цикла прямоугольного колебания (%). Выходы: сигнал, частота выборок, выход фазы (рисунок 5.3).
ВП генерирует сигнал (signal), имеющий форму, задаваемую на входе тип сигнала (signal type). Вход сбросить фазу (reset phase) определяет начальную фазу выходного сигнала. По умолчанию на
входе установлено состояние ИСТИНА . При этом начальная фаза сигнала устанавливается в соответствии со значением на входе вход фазы (phase in).Если на входе сбросить фазу установлено состояниеЛОЖЬ, то начальная фаза устанавливается равной значению фазы на выходе фазы (phase out)при последнем выполнении этого ВП.
Рисунок 5.3 - Генератор сигналов с заданной длительностью
Вход длительность (duration) задает время в секундах, равное длительности генерируемого выходного сигнала. По умолчанию зна-чение длительности равно 1,0.
Вход тип сигнала задает следующие типы генерируемого сигна-ла: 0-синусоидальный, 1-косинусоидальный, 2-треугольный, 3-прямоугольный, 4-пилообразный, 5-линейно нарастающий, 6-линейно спадающий.
Вход число выборок (# of samples) задает число выборок выход-ного сигнала. По умолчанию это значение равно 100.
Вход частота (frequency) определяет частоту выходного сигна-ла в герцах. По умолчанию значение частоты равно 10. При задании частоты необходимо учитывать требование выполнения критерия Найквиста: частота<число выборок/ (2*длительность).
Вход амплитуда (amplitude) задает амплитуду выходного сигна-ла. По умолчанию значение амплитуды равно 1,0.
Вход постоянное смещение (dc offset) задает постоянное смеще-ние или значение постоянной составляющей выходного сигнала. По умолчанию значение постоянной составляющей равно 0.
Вход фазы определяет начальную фазу(в градусах)выходногосигнала при установке сбросить фазу в состояние ИСТИНА. По умолчанию значение на входе фазы равно 0.
Вход заполнение цикла прямоугольного колебания (square wave duty cycle) определяет время (в % от периода), в течение которого прямоугольный сигнал имеет высокий уровень. ВП использует дан-ный параметр только для прямоугольного сигнала. По умолчанию значение на входе равно 50 %.
Выход сигнал представляет сгенерированный массив выборок сигнала.
Выход частота выборок (sample rate) отображает частоту дис-кретизации выходного сигнала. Частота выборок равна отношению числа выборок к длительности. Выход фазы указывает значения фазы (в градусах) последней выборки выходного сигнала.
1.2 Подать выходной сигнал на однолучевой осциллограф. Запу-стить программу и описать свойства сигнала.
1.3 Добавить шум.
1.4 Посмотреть спектр шума и сигнала. Определить смещение (рисунки 5.4, 5.5).
Рисунок 5.4 – Лицевая панель генератора сигналов
Рисунок 5.5 – Блок-диаграмма программного управления режимом работы генератора
1.5 Сохранить полученные данные в Excel, построить график и описать свойства сигнала.
Порядок выполнения задания 2
2.1 Создать систему регулирования, формирующую управляю-щий сигнал на отключение оборудования при достижении значения генерируемой функции 0,75 ее максимума.
Для выполнения задания надо выбрать Палитру функций обра-ботки сигналов в частотной области (FunctionàAll FunctionàAna-lyzeà Signal Processingà Frequency Domainà Transfer Function), ко-торая содержит наборы функций, позволяющих выполнить прямое и обратное преобразования Фурье, Гильберта, Хартли и Уолша-Адамара, а также прямое и обратное вейвлет-преобразование (рису-нок 5.6).
На базе функций преобразования Фурье разработан ряд высоко-уровневых приборов для оценки взаимного спектра мощности, им-пульсной и частотной передаточной характеристик цепей, частотной функции когерентности и измеритель гармонических искажений сиг-нала, размещенные на данной палитре.
Рисунок 5.6 - Палитра функций обработки сигналов
в частотной области
Виртуальный прибор (ВП) Передаточная функция (Transfer function) производит расчет односторонней передаточной функции, также известной как частотная передаточная функция, на основе ана-лиза заданных во временной области тестирующего сигнала (Stimulus Signal) и выходного сигнала тестируемого объекта (Response Signal) на входе и выходе тестируемой электрической цепи. Блок-диаграмма приведена на рисунке 5.7.
2.2 Добавить к схеме генератора гауссовский шум со стандарт-ными параметрами. Для этого на предыдущей блок-диаграмме вы-
звать Виртуальный прибор - 
-Гауссовский белый шум(GaussianWhite Noise), который генерирует псевдослучайную последователь-
ность с гауссовским (нормальным ) распределением с параметрами: выборка (samples), стандартное отклонение (standart deviation), начальное значение (seed).
Рисунок 5.7 - Входы и выходы пиктограммы расчета
передаточной функции
Гауссовский шум описывается следующей функцией плотности вероятностей:
| - | æ x ö2 | ||||||
| *ç | ÷ | ||||||
| f (x)= | * e | è | s ø | ||||
| 2 *p | |||||||
По умолчанию значение стандартного отклонения равно 1,0.
Рисунок 5.8 - Лицевая панель системы
регулирования и блок-диаграмма тестирования
2.3 Создать программу его тестирования. Прибавить к сигналу генератора случайный гауссовский шум с амплитудой равной 1. По-дать результирующий сигнал на вход анализатора спектра. Запустить программу и проанализировать реакцию системы регулирования (ри-сунки 5.8, 5.9).
Рисунок 5.9 - Блок-диаграмма тестирования выходного сигнала Контрольные вопросы:
1. Для каких целей в LabVIEW используются функции генерации шумов и сигналов?
2. Какие свойства тестируемого объекта характеризует переда-точная функция?
3. C помощью контекстной справки определите обязательные, ре-комендуемые и опциональные входы и выходы генератора сигнала с заданной длительностью.
4. Опишите спектр выходного сигнала.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ