Варианты заданий
Вариант	Тип диалогового органа управле-				Частота сигнала,		Надпись на прибо-
			ния		Гц		ре
1		Text Ring			300		A, B, E
2		Dialog Ring			500		A, C, F
3		Menu Ring			1200		A, D, G
4		Text Ring			1000		A, E, F, G
5		Dialog Ring			200		A, F, G
6		Menu Ring			190		A, B, G
7		Text Ring			800		A, B, C
8		Dialog Ring			2000		A, C, D
9		Menu Ring			1000		A, D, F
10		Text Ring			400		A, E, G
11		Dialog Ring			200		A, F, G
12		Menu Ring			1200		A, B, D
13		Text Ring			1000		A, C, E
14		Dialog Ring			500		A, D, F
15		Menu Ring			600		A, E, F
16		Text Ring			200		A, B, E
17		Dialog Ring			100		A, C, F
18		Menu Ring			1200		A, B, C, D
19		Text Ring			700		A, C, D, F
20		Dialog Ring			200		A, D, F, G
			Расшифровка надписей на приборе
		A	Генератор детерминированных сигналов
		B		<Полное название вуза>
		C	<Сокращенное название вуза>
		D		<Факультет>
		E		<Кафедра>
		F		<Номер группы>
		G		<Инициалы студента>

Примечание. Исходя из заданной частоты, подобрать частоту дискретизации и установить соответствующие диапазоны цифровых органов управления.

РАБОТА 5. ГЕНЕРАТОР ШУМА

Цель работы – создать виртуальный инструмент – генератор шума с нормальным и равномерным распределением значений сигнала на выходе; встроить в ВИ возможность вычисления статистических характеристик сигнала.

Органы управления:

Dial – регулятор в виде круглой выступающей ручки.

XY Graph – графический индикатор.

Функции:

Variance.vi – вычислить дисперсию.

44

Standard Deviation.vi – вычислить среднеквадратичное значение.

Gaussian White Noise.vi – сгенерировать шум с нормальным распределением.

Uniform White Noise.vi – сгенерировать шум с равномерным распределением.

Histogram.vi – рассчитать массив гистограммы.

Bundle – связать различные элементы в кластер.

Создание лицевой панели.

1.Создайте новый ВИ – команда New VI в начальном диалоге.

2.Для определения числа отсчетов выходного сигнала разместите цифровой орган управления Digital Control из вкладки Numeric меню Controls. Значение числа отсчетов выходного сигнала будет использоваться при программировании диаграммы и необходимо для функционирования функций генерации случайных процессов. Задайте подходящую надпись для созданного органа управления, например «Число отсчетов».

3.Разместите цифровой орган управления Digital Control для определения числа интервалов при нахождении моды случайного процесса. Это значение необходимо для корректного задания одного из параметров функции нахождения. Задайте подходящую надпись для созданного органа управления, например «Интервалы».

4.Разместите орган управления Knob из меню Controls/Numeric для регулировки интенсивности случайного процесса с равномерным распределением. Задайте для него надпись, например «Интенсивность».

5.Для установки среднеквадратичного отклонения случайного процесса с нормальным распределением разместите один из ползунковых органов управления из вкладки Numeric меню Controls. Задайте для него диапазон значений [0…1]. Надпись к созданному органу управления может быть такая: «СКО».

6.Разместите четыре цифровых индикатора Digital Indicator из вкладки Numeric меню Controls, которые будут отображать следующие статистические характеристики сгенерированного сигнала:

•математическое ожидание (mean),

•среднеквадратичное отклонение (standard deviation),

•дисперсия (variance),

•мода (mode).

7.Определите подходящие надписи для индикаторов. Воспользуйтесь для этого инструментом Edit Text .

45

8.Разместите графический индикатор Waveform Graph , в котором будет отображаться форма выходного сигнала. Настройте тип и цвет линии (контекстное меню в правом верхнем углу индикатора). Определите подходящую надпись к индикатору, например «Сигнал». Отмените свойство автоматического масштабирования по вертикальной оси, для чего снимите выделение с пункта контекстного меню Y scale/AutoScale Y.

9.Разместите на лицевой панели прибора, справа от индикатора сигнала, графический индикатор XY Graph из вкладки Graph меню Controls для отображения гистограммы случайного процесса. Наведите мышь на окно текущего графика, представляющее собой прямоугольник с условным обозначением графика, расположенный в правом верхнем углу индикатора XY Graph. Вызовите контекстное меню текущего графика с помощью правой кнопки мыши и в подменю Bar Plots (гистограмма) выберите одну из горизонтально ориентированных гистограмм. Отмените свойство автоматического масштабирования по вертикальной оси, для чего снимите выделение с пункта контекстного меню Y scale/AutoScale Y.

10.Разместите переключатель вида распределения случайного процесса. Для этой цели подойдет орган управления Dial из вкладки Numeric меню Controls. Удалите надпись Dial. После того, как вы разместили новый орган управления, с помощью подменю Representation контекстного меню объекта определите один из целочисленных типов данных:

•Unsigned Long – U32 (целое без знака 4 байта);

•Unsigned Word – U16 (целое без знака 2 байта);

•Unsigned Byte – U8 (целое без знака 1 байт).

11.Воспользуйтесь инструментом Edit Text и определите диапазон значений, соответствующий количеству распределений в генераторе: [0…2]. Воспользуйтесь вкладкой контекстного меню органа управления Scale/Style и определите его разметку таким образом, чтобы были видны маркеры целых значений без указания конкретных числовых значений. Воспользуйтесь инструментом Edit Text и задайте текстовые надписи рядом с маркерами. Надписи могут быть такими: «Нормальное распределение»/«Равномерное распределение»/«…» (последняя надпись определяется в соответствии с вариантом задания).

12.Разместите один из логических выключателей из вкладки Boolean меню Controls для программирования возможности отключения прибора. Задайте надписи «Вкл» и «Выкл» к обоим положениям выключателя так, как это было сделано в предыдущих работах.

13.Разместите на лицевой панели подходящие декоративные элементы,

атакже элементы с указанием варианта, фамилии разработчика и группы. Примерный вид передней панели приведен на рис. 5.1.

46

Рис. 5.1. Примерный вид лицевой панели разрабатываемого виртуального инструмента

14.Переключитесь в окно диаграммы командой Window/Show Diagram.

Создание диаграммы.

1.После переключения в окно диаграммы на ней уже должны находиться пять цифровых органов управления, четыре цифровых индикатора, логические переключатель с индикатором и два графических индикатора.

2.Разместите на диаграмме структуру для цикла While Loop из вкладки Structures меню Functions. Внесите все имеющиеся элементы диаграммы внутрь цикла. К входу условия прекращения цикла подключите логический переключатель «Вкл/Выкл». В дальнейшем вновь размещаемые элементы диаграммы заносите внутрь структуры.

3.Для создания возможности переключения вида распределения для выходного сигнала необходимо разместить на диаграмме структуру

Casе Structure из вкладки Structures меню Functions.

4.К селектору структуры Case Structure подсоедините цифровой переключатель вида распределения случайного процесса. При этом все имеющиеся на диаграмме объекты должны оказаться вне поля структуры Case Structure.

5.В первом кадре структуры Case Structure разместите функцию

Gaussian White Noise.vi, во втором – Uniform White Noise.vi. Все эти функции находятся во вкладке Signal Processing/Signal Generation меню Functions (рис. 5.2). В третьем кадре, который можно добавить командой Add Case контекстного меню структуры Case Structure, реализуйте алгоритм

47

преобразования распределения случайного процесса, в соответствии с вариантом задания. После этого соедините выходы функций с входом графического индикатора. Входы samples обеих функций генерации подсоедините к органу управления «Число отсчетов».

6.Внесите орган управления «Интенсивность» внутрь кадра структуры Case Structure для равномерного распределения и подключите его к входу amplitude функции генерации.

7.Орган управления «Среднеквадратичное отклонение» внесите внутрь кадра генерации процесса с нормальным распределением и подключите его к входу standard deviation функции генерации.

8.Из вкладки Mathematics/Probability and Statistics меню Functions,

приведенной на рис. 5.3, разместите на диаграмме функции для вычисления статистических характеристик выходного сигнала. В частности, на рис. 5.3 приведены следующие функции:

•Mode.vi – мода;

•Variance.vi – дисперсия;

•Mean.vi – математическое ожидание;

•Standard Deviation.vi – среднеквадратичное отклонение.

9.Входы X всех размещенных функций подсоедините к выходу функций генерации.

10.К входу intervals функции Mode.vi присоедините орган управления

•• Рис. 5.2. Функции генерации различных ••	Рис. 5.3. Функции определения параметров и
сигналов	характеристик случайных процессов

48

«Интервалы». Значение на этом входе должно быть больше 0. По умолчанию на этом входе устанавливается 1.

11.Выходы аналитических функций подсоедините к соответствующим индикаторам.

12.Для нахождения гистограммы случайного процесса разместите на диаграмме функцию Histogram.vi из вкладки Mathematics/Probability and Statistic меню Functions. К входу X этой функции подключите массив, отображающий случайный процесс. Вход intervals соедините с органом управления «Интервалы».

13.Гистограмма будет отображаться на графическом индикаторе XY Graph, на входе которого ожидаются два массива со значениями по осям x и y. Для того чтобы подать два массива на этот объект, их нужно объединить в кластер – специальный тип данных LabVIEW. Для формирования

кластера воспользуйтесь функцией Bundle из вкладки Cluster меню Functions. После размещения этой функции на диаграмме она имеет два входа и один выход. К верхнему входу подсоедините выход Histogram: h(x) функции Histogram.vi. Выход X values той же функции подсоедините к нижнему входу функции Bundle. Кластер, получившийся на выходе Bundle, подключите к графическому индикатору «Гистограмма». Примерный вид диаграммы разрабатываемого ВИ представлен на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Примерный вид диаграммы разрабатываемого виртуального инструмента

14.Сохраните разработанный ВИ в Вашем каталоге при помощи ко-

манды File/Save As…

49

15.Установите начальные значения в органах управления лицевой панели согласно варианту задания.

16.Запустите ВИ на выполнение командой Run.

Варианты заданий

	Вари-	Число от-	Интер-	Интенсив-	СКО	Преобразов	Надпись на
	ант	счетов	валы	ность		ание	приборе
	1	150	20	0,9	0,1	I	A, B, G
	2	200	18	1,0	0,2	II	A, C, F, G
	3	300	30	0,1	0,3	III	A, D, E, F
	4	100	40	0,2	0,4	IV	A, E, F, G
	5	250	25	0,3	0,5	I	A, F, G
	6	180	35	0,4	0,6	II	A, G, E, F
	7	200	50	0,5	0,7	III	A, B, C, G
	8	170	25	0,6	0,8	IV	A, C, D
	9	230	30	0,7	0,9	I	A, D, F
	10	200	50	0,8	1,0	II	A, E, G
	11	190	45	0,9	0,1	III	A, F, G
	12	150	40	1,0	0,2	IV	A, B, D
	13	200	30	0,1	0,3	I	A, C, E
	14	300	50	0,2	0,4	II	A, D, F
	15	400	30	0,3	0,5	III	A, E, F
	16	350	40	0,4	0,6	IV	A, B, E
	17	280	30	0,5	0,7	I	A, C, F
	18	290	25	0,6	0,8	II	A, B, C, D
	19	320	50	0,7	0,9	III	A, C, D, F
	20	200	45	0,8	0,1	IV	A, D, F, G

Обозначения преобразований распределений случайных процессов:

I.Равномерное → экспоненциальное y(t)= − α1 ln x(t), где x – слу-

чайный процесс с равномерным распределением.

II. Нормальное → экспоненциальное y(t)= x12 (t)+ x22 (t), где x1 и x2 – два нормальных случайных процесса.

III.	Нормальное → релеевское y(t)=				x2 (t)+ x2		(t) , где x и x		2	– два
					1	2	1
нормальных случайных процесса.						n
IV.	Равномерное → нормальное y(t)=				12				– слу-
						∑(xi −0,5), где xi
					n	i=1
чайный процесс с равномерным распределением.
		Расшифровка надписей на приборе
		A		Генератор шума

50

B	<Полное название вуза>
C	<Сокращенное название вуза>
D	<Факультет>
E	<Кафедра>
F	<Номер группы>
G	<Инициалы студента>

РАБОТА 6. СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР С ВНУТРЕННИМ ГЕНЕРА-

ТОРОМ СИГНАЛА

Цель работы – разработать спектроанализатор с внутренним генератором сигнала; изучить основы работы с кластерами и комплексными величинами в LabVIEW.

Функции:

Real FFT.vi – быстрое преобразование Фурье от действительного сигнала.

Inverse Real FFT.vi – обратное быстрое преобразование Фурье в действительный сигнал.

Complex To Polar – вычисление модуля и аргумента комплексного числа.

Array Size – определение количества элементов массива.

Bundle – соединение разнородных элементов в кластер.

Создание передней панели.

1.Создайте новый ВИ – команда New VI в начальном диалоге LabVIEW.

2.Для графического вывода на экран исследуемого сигнала и результата преобразования Фурье этого сигнала разместите на передней панели

два графических индикатора Waveform Graph (вкладка Graph меню Controls). Воспользовавшись инструментом Edit Text , задайте подходящие надписи для вновь размещенных индикаторов. Надписи могут быть такими: «Сигнал во временной области», «Сигнал в частотной области».

3.Разместите один из логических выключателей (вкладка Booleans меню Controls) для программирования возможности отключения прибора. Дайте ему название «Вкл/Выкл». Задайте надписи «Вкл» и «Выкл» к обоим положениям выключателя так же, как это было сделано в работе 4. Из вкладки Booleans меню Controls разместите один из индикаторов – для отображения состояния выключателя.

4.Для генерации сигнала удобно будет воспользоваться одной из функций, предоставляемой LabVIEW – Sine Wave.vi, Triangle Wave.vi,

51

Square Wave.vi, Sawtooth Wave.vi. Эти функции имеют одинаковые на-

стройки. В разрабатываемом ВИ потребуется управлять нормированной частотой сигнала (отношением частоты сигнала [Гц] к частоте дискретизации [отсчетов/с]) и числом отсчетов генерируемого сигнала. Для управления этими параметрами разместите на передней панели четыре цифро-

вых органа управления Knob из вкладки Numeric меню Controls. Задайте подходящие надписи для этих органов управления, например: «Частота сигнала грубо, Гц», «Частота сигнала точно, Гц» «Частота дискретизации, Гц» и «Число отсчетов сигнала». Установите подходящие типы данных в соответствии с номером варианта. Для этого воспользуйтесь контекстным меню объекта. Для органа управления «Частота сигнала точно, Гц» установите диапазон положительных значений от 0 до 1.

5.В соответствии с вариантом задания установите диапазоны значений органов управления, созданных в п. 4.

6.Разместите на лицевой панели подходящие декоративные элементы,

атакже элементы с надписями, согласно варианту задания. Примерный вид передней панели приведен на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Примерный вид передней панели разрабатываемого виртуального инструмента

7. Переключитесь в окно диаграммы командой Window/Show Diagram.

Создание диаграммы.

52

1.После переключения в окно диаграммы в ней уже должны располагаться восемь объектов: четыре органа управления, два графических индикатора и логические выключатель и индикатор.

2.Разместите на диаграмме структуру для цикла While (вкладка Structures меню Functions). Внесите все имеющиеся элементы диаграммы внутрь цикла. К входу условия прекращения цикла подключите выключатель «Вкл/Выкл». Соедините логический индикатор с выключателем. В дальнейшем вновь размещаемые элементы диаграммы заносите внутрь структуры While.

3.Переместите объекты органов управления в левую часть диаграммы. Объект для графического индикатора «Сигнал в частотной области» удобно будет расположить в правой части, объект «Сигнал во временной области» переместите в верхнюю часть диаграммы.

4.В соответствии с вариантом задания разместите в поле диаграммы требуемую функцию генерации сигнала, расположенную во вкладке Signal Generation подменю Signal Processing меню Functions.

5.Для определения нормированной частоты (вход f функции генерации), исходя из заданных значений органов управления из передней панели, необходимо разместить функцию деления (функция Divide из вкладки Numeric меню Functions). Воспользовавшись инструментом Connect Wire

, к входу x функции Divide присоедините сумму значений из органов управления «Частота сигнала грубо, Гц» и «Частота сигнала точно, Гц», а к входу y функции Divide присоедините выход органа управление «Частота дискретизации, Гц». Выход функции деления подключите к входу f функции генерации, размещенной в п. 4.

6.К входу samples (число отсчетов сигнала в массиве на выходе функции) подключите выход органа управления «Число отсчетов сигнала».

7.Остальные входы функции генерации можно оставить не подключенными. Это будет означать, что при работе программы на этих входах будут значения, установленные по умолчанию (на входе amplitude установлена амплитуда 1В., на входе reset phase установлено true, при котором вход phase in не используется).

8.Разместите на диаграмме функцию вычисления прямого двустороннего преобразования Фурье Real FFT.vi из вкладки Frequency Domain подменю Signal Processing меню Functions (рис. 6.2). Соедините вход X этой функции с выходом сигнала функции генерации.

9.На выходе функции Real FFT.vi образуется массив комплексных чисел, которые необходимо нормировать для единообразного отображения на графическом индикаторе. Для нормирования значений на выходе функции Real FFT.vi необходимо разделить каждое значение из выходного массива на общее число элементов массива. Порядок действий, выпол-

53

нение которых требуется для выполнения нормирования результатов преобразования Фурье, приведен ниже.

10.Для нормирования значений на выходе функции Real FFT.vi расположите на диаграмме функцию деления Divide из вкладки Numeric меню Functions. К входу x этой функции присоедините выход FFT{x} функции

Real FFT.vi.

11.Для определения числа элементов массива воспользуемся функцией Array Size из вкладки Array меню Functions (рис. 6.3). Эта функция имеет один вход (array) и один выход (size). К входу array присоедините выход сигнала функции генерации. На выходе функции Array Size будет значение числа элементов массива, которое следует подключить к входу y функции деления Divide, размещенной в п. 10.

12.Результатом работы БПФ (Real FFT.vi) является массив комплексных чисел. Для отображения значений модуля спектра входного сигнала на графическом индикаторе необходимо вычислить модуль полученных комплексных величин с выхода функции Real FFT.vi. Для этого воспользуемся функцией Complex To Polar, размещенной во вкладке Complex подменю Numeric меню Functions (рис. 6.4). К входу z подключите массив нормированных чисел, отображающих двустороннее преобразование Фурье входного сигнала.

13.Для исследования функции, реализующей обратное преобразова-

ние Фурье, отобразим в графическом индикаторе «Сигнал во временной области» сигнал, полу-

Рис. 6.3. Функции работы с массивами

Рис. 6.2. Функции обработки сигналов	ченный	путем	проведения
в частотной области	обратного преобразование Фурье.

54

Рис. 6.4.Функции преобразования комплексных величин

Для этого расположите на диаграмме функцию Inverse Real FFT.vi (обрат-

ное БПФ) из вкладки Frequency Domain подменю Signal Processing меню Functions. К входу FFT{x} функции Inverse Real FFT.vi подключим выход

FFT{x} функции Real FFT.vi. При этом в случае правильного выполнения всех действий на выходе функции обратного преобразования мы должны получить исходный сигнал. Для его отображения на графическом индикаторе подключите выход X функции Inverse Real FFT.vi на вход графического индикатора «Сигнал во временной области».

14.Для того чтобы отобразить полученные нормированные значения спектра входного сигнала на графическом индикаторе, недостаточно просто подключить их к его входу. Необходимо правильно указывать значения по оси X. Для этого на вход графического индикатора требуется подавать кроме массива со значениями еще два числа: начальное значение и величину шага. Однако графический индикатор имеет только один вход, а

Рис. 6.5. Функции для работы с кластерами данные, которые требуется подавать на его вход, имеют различные типы. Для того чтобы разрешить этот конфликт, в LabVIEW имеется возмож-

ность связывания данных разных типов в одну структуру, которая называется кластером. Графический индикатор позволяет подключать на вход кластер и будет трактовать его следующим образом: первый элемент – начальное значение по оси X, второй элемент – значение шага по оси X (по оси X будет отображаться частота анализируемого сигнала). Третьим элементом должен быть массив значений, который требуется отобразить. При подключении кластера к входу графического индикатора должна быть соблюдена последовательность действий: сначала полностью сформировать кластер из трех элементов (с указанием всех типов данных), а затем подключить выход кластера к входу графического индикатора.

15.Для формирования кластера в LabVIEW имеется функция Bundle, расположенная во вкладке Cluster меню Functions (рис. 6.5). После размещения объекта для этой функции на диаграмме функция Bundle имеет только два входа. Для того чтобы увеличить число входов, воспользуйтесь ин-

струментом Position/Size/Select . После выбора этого инструмента растяните объект функции за любой угол в вертикальном направлении, при этом количество входов будет увеличиваться (для наших целей необходимо три входа).

16. К первому входу функции Bun-

55

Рис. 6.7. Примерный вид диаграммы разрабатываемого виртуального инструмента

dle нужно подключить начальное значение по оси X, равное 0. Для того чтобы получить это значение на диаграмме, можно воспользоваться эле-

ментом Numeric Constant (вкладка Numeric меню Functions). После распо-

ложения этого элемента значение на его выходе равно 0. Подключите эту константу к первому входу функции Bundle. При этом в прямоугольнике для этого входа появится условное обозначение типа данных подключенной величины.

17.Интервал частот по оси X можно определить путем деления значения органа управления «Частота дискретизации» на значение в органе управления «Число отсчетов сигнала». Для нахождения этого значения воспользуйтесь функцией деления (вкладка Numeric меню Functions). К входу x подключите орган управления «Частота дискретизации, Гц», а к входу y – орган управления «Число отсчетов сигнала». Значение на выходе функции деления используйте в качестве второго элемента кластера.

18.Третьим элементом кластера должен быть массив значений, в нашем случае – нормированных значений модуля спектра сигнала, который можно подключить с выхода функции Complex To Polar из п. 11.

19.Теперь, когда все входы функции Bundle подключены и заданы типы данных отдельных элементов, соедините выход этой функции с входом графического индикатора. При этом, если все сделано правильно, условное обозначение для графического индикатора должно измениться на условное обозначение для кластера (рис. 6.6). Примерный вид диаграммы разрабатываемого ВИ представлен на рис. 6.7.

20.Сохраните ВИ в файле на диске (команда File/Save As…). Файл с разработанным ВИ сохраните в личном каталоге, который

Рис. 6.6. Соединение функции	был создан в преды-
Bundle и графического индикатора	дущих работах.
56

21.В соответствии с вариантом задания установите значения в органах управления и запустите разработанную программу на выполнение с помощью команды Run.

Варианты заданий

Вариант	Функция генерации	Частота сигнала, Гц	Надпись на приборе
1	1	250	A, B, F, G
2	2	300	A, C, F, G
3	3	400	A, D, F, G
4	4	100	A, E, F, G
5	1	1000	A, F, G
6	2	2000	A, D, F, G
7	3	1200	A, B, C, G
8	4	1500	A, C, D, G
9	1	140	A, D, F, G
10	2	400	A, E, F, G
11	3	2000	A, F, G
12	4	150	A, B, D
13	1	100	A, C, E
14	2	1000	A, D, F
15	3	120	A, E, F
16	4	2000	A, B, E, F
17	1	300	A, C, F, G
18	2	1000	A, B, C, D
19	3	500	A, C, D, F
20	4	200	A, D, F, G

			Номера функций генерации
1 Sine Wave.vi	2 Triangle Wave.vi			3 Square Wave.vi		4 Sawtooth Wave.vi
		Расшифровка надписей на приборе
		A	Спектроанализатор
		B	<Полное название вуза>
		C	<Сокращенное название вуза>
		D		<Факультет>
		E		<Кафедра>
		F	<Номер группы>
		G	<Инициалы студента>

57