虛擬信號(hào)頻譜分析儀的設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用軟件進(jìn)行信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，已開(kāi)發(fā)的用于虛擬儀器的數(shù)字信號(hào)處理和圖像處理軟件的功能也日益強(qiáng)大。數(shù)字信號(hào)處理是指采用數(shù)字系統(tǒng)方法對(duì)離散的數(shù)字序列描述信號(hào)進(jìn)行處理的一種方法，與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理方法相比，它具有高度的穩(wěn)定性、靈活性、精確性，能實(shí)現(xiàn)高精度和大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)分析，因此具有顯著的優(yōu)越性。而數(shù)字信號(hào)處理方法的運(yùn)用又是虛擬儀器平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分。由于NI公司的LabVIEW包含有信號(hào)分析和處理函數(shù)庫(kù)部分。因此，利用LabVIEW提供的信號(hào)分析函數(shù)庫(kù)，配合已開(kāi)發(fā)的數(shù)字示波器即可實(shí)現(xiàn)虛擬信號(hào)頻譜分析儀的信號(hào)處理功能，其信號(hào)的分析側(cè)重于對(duì)信號(hào)頻譜的分析以及濾波處理。

　　1? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

　　本設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀即可以對(duì)虛擬信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。也可以對(duì)通過(guò)信號(hào)調(diào)理器，基于PCI總線的DAQ卡組成的采集系統(tǒng)所采集到的外部信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。其中，在對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行頻譜分析時(shí)，外界被測(cè)信號(hào)首先傳送到信號(hào)調(diào)理電路，且由信號(hào)調(diào)理電路對(duì)它進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理后，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后由軟件對(duì)被測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和處理，最后得到測(cè)試結(jié)果，并按要求將它們顯示或儲(chǔ)存起來(lái)。

　　本文所設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀的前面板圖如圖1所示。這一種虛擬頻譜分析儀能夠提供一個(gè)高精度的頻譜分析功能，并且可以同時(shí)觀察輸入信號(hào)的頻域顯示。但該虛擬頻譜分析儀受數(shù)據(jù)采集卡采樣速率的限制，其頻率范圍僅為0～50kHz，用戶可以通過(guò)改變采樣速率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)選擇頻率分辨率。在虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)中可以通過(guò)程序直接讀出基波頻率和峰值大小，并將它們顯示在面板上，用戶參考這個(gè)值可以手動(dòng)調(diào)整采樣速率的大小和顯示圖形中X、Y軸的坐標(biāo)來(lái)觀察所需要的頻譜圖，因此操作更加直觀、簡(jiǎn)便。信號(hào)頻譜分析儀的主要數(shù)據(jù)處理工作就是對(duì)待分析信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，然后分析其頻譜特性，并顯示計(jì)算結(jié)果。

　　2虛擬頻譜分析儀的軟件設(shè)計(jì)

　　虛擬頻譜分析儀的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.1數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊采用子VI AI Acquire Waveform.vi來(lái)控制PCI-1200數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集操作，并對(duì)采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。參數(shù)設(shè)置模塊可以設(shè)置的參數(shù)主要包括：設(shè)備與通道，緩沖區(qū)大小，采樣點(diǎn)數(shù)，觸發(fā)控制，掃描率，顯示方式。頻譜分析模塊是由加窗函數(shù)模塊、功率譜轉(zhuǎn)換模塊、功率譜單位轉(zhuǎn)換模塊、功率頻率峰值檢波子?？旖M成。

　　2.2加窗函數(shù)模塊

　　加窗函數(shù)模塊可由Scaled Time Domain Windows.vi模板來(lái)完成。該模板有兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出端。首先從輸入端輸入一個(gè)時(shí)域信號(hào)，再進(jìn)行窗體類型的選擇，可根據(jù)實(shí)際情況選擇不加窗、漢寧窗、漢明窗、布萊克曼窗、平頂窗等8種窗體，最后輸出一個(gè)已加窗的時(shí)域信號(hào)，這樣便可以減少窗口效應(yīng)帶來(lái)的柵欄效應(yīng)和泄漏問(wèn)題。

　　2.3功率譜轉(zhuǎn)換模塊

　　功率譜轉(zhuǎn)換模塊的功能是用Auto Power Spectrum.vi模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊有四個(gè)端口，分別是時(shí)域信號(hào)輸入端，時(shí)域間隔dt輸入端，頻域信號(hào)輸出端，頻域間隔d瀚出端。該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)由時(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)換。

　　2.4功率譜單位轉(zhuǎn)換模塊

　　功率譜單位轉(zhuǎn)換模塊的功能是由Spectrum Unit Conversion.vi模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊有7個(gè)輸入端，2個(gè)輸出端。輸入端有頻譜類型的選擇，可以選擇功率譜、幅度譜、增益。對(duì)數(shù)／線性的選擇類型有：線性、dB、dBm。輸出顯示單位選擇可選擇的單位有：有效值、峰峰值、有效值的平方、峰峰值的平方等。輸出端是輸出頻譜和輸出頻譜單位。

　　2.5頻率峰值檢波子模塊

　　頻率峰值檢波子模塊的功能是由Power&Frequency Estimate.vi模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊有5個(gè)輸入端和2個(gè)輸出端。輸入端有功率譜輸入、峰值頻率輸入、頻率間隔、以峰值頻率為中心的頻率搜索點(diǎn)數(shù)及窗常數(shù)。輸出端由頻率峰值輸出和頻率峰值能量輸出組成。該模塊用來(lái)求出頻譜的頻率峰值及峰值頻率點(diǎn)的功率估值。

　　2.6顯示模塊

　　顯示模塊可以選擇頻譜曲線顯示或時(shí)域信號(hào)顯示，還可以根據(jù)需要進(jìn)行線性或?qū)?shù)顯示。

　　2.7諧波峰值點(diǎn)測(cè)量模塊

　　通過(guò)諧波峰值點(diǎn)測(cè)量模塊可讀出一次諧波、二次諧波、三次諧波峰值點(diǎn)的頻率值和功率值。

　　2.8數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)模塊

　　數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)模塊的功能是利用LabVIEW中豐富的文件操作函數(shù)庫(kù)，采用數(shù)據(jù)表文件方式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。此頻譜分析儀也可以通過(guò)用Web來(lái)發(fā)布HTML文件的方式使本地或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)瀏覽到該頻譜分析儀的程序面板，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

　　組建好的各功能模塊按照程序的流程加上必要的控件和指示器，就可以形成一個(gè)功能完善的虛擬信號(hào)頻譜分析儀系統(tǒng)，圖3給出了這個(gè)虛擬信號(hào)頻譜分析儀的程序圖。

　　3? 結(jié)束語(yǔ)

　　美國(guó)國(guó)家一起公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW圖形化實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，以其強(qiáng)大的功能可為虛擬儀器的開(kāi)發(fā)提供一個(gè)理想的平臺(tái)，本文借助于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了適合高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬信號(hào)頻譜分析儀。