基于LABVIEW的虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì).doc

武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練報(bào)告書(shū)目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)21.1 技術(shù)要求21.2 設(shè)計(jì)方案22基本原理23建立模型33.1 系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)43.2 系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì)43.3 系統(tǒng)程序運(yùn)行結(jié)果54結(jié)論與心得體會(huì)104.1實(shí)驗(yàn)結(jié)論104.2心得體會(huì)115參考文獻(xiàn)12基于LABVIEW的虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 技術(shù)要求1）設(shè)計(jì)出規(guī)定的虛擬頻譜分析儀，可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻域分析，顯示輸入信號(hào)的幅度譜和相位譜等2）設(shè)置出各個(gè)控件的參數(shù)；3）利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)該虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)；4）觀察仿真結(jié)果并進(jìn)行分析；5）對(duì)該虛擬頻譜分析儀進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。1.2 設(shè)計(jì)方案虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)包括以下三個(gè)步驟：1) 按照實(shí)際任務(wù)的要求，確定頻譜分析儀的性能指標(biāo)。2) 按照實(shí)驗(yàn)原理想好設(shè)計(jì)思路，并且完成電路圖及程序，然后在前面板和程序流程圖中實(shí)現(xiàn)。3) 完成電路設(shè)計(jì)，運(yùn)行程序并且檢查，直至無(wú)誤后觀察仿真結(jié)果并且分心。2 基本原理本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字處理式頻譜分析原理，方法為：經(jīng)過(guò)采樣，使連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)，然后利用LabVIEW的強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理的功能，對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、加窗、FFT 運(yùn)算處理，就可得到信號(hào)的幅度譜、相位譜以及功率譜。FFT的輸出都是雙邊的，它同時(shí)顯示了正負(fù)頻率的信息。通過(guò)只使用一半FFT輸出采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成單邊FFT。FFT的采樣點(diǎn)之間的頻率間隔是fs/N，這里fs是采樣頻率。FFT和能量頻譜可以用于測(cè)量靜止或者動(dòng)態(tài)信號(hào)的頻率信息。FFT提供了信號(hào)在整個(gè)采樣期間的平均頻率信息。因此，F(xiàn)FT主要用于固定信號(hào)的分析（即信號(hào)在采樣期間的頻率變化不大）或者只需要求取每個(gè)頻率分量的平均能量。在采樣過(guò)程中，為了滿足采樣定理，對(duì)不同的頻率信號(hào)，選用合適的采樣速率，從而防止頻率混疊。實(shí)際中，我們只能對(duì)有限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行分析與處理，而進(jìn)行傅立葉變換的數(shù)據(jù)理論上應(yīng)為無(wú)限長(zhǎng)的離散數(shù)據(jù)序列，所以必須對(duì)無(wú)限長(zhǎng)離散序列截?cái)?，只取采樣時(shí)間內(nèi)有限數(shù)據(jù)。這樣就導(dǎo)致頻譜泄漏的存在。所以利用用加窗的方法來(lái)減少頻譜泄漏。由于取樣信號(hào)中混疊有噪聲信號(hào)，為了消除干擾，在進(jìn)行FFT 變換之前，要先進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計(jì)采用了巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、橢圓（Ellipse）、貝塞爾（Bessel）等濾波器。以下說(shuō)明時(shí)域分析與頻域分析的功能1）信號(hào)的時(shí)域分析主要是測(cè)量測(cè)試信號(hào)經(jīng)濾波處理后的特征值，這些特征值以一個(gè)數(shù)值的方式來(lái)表示信號(hào)的某些時(shí)域特征，是對(duì)測(cè)試信號(hào)最簡(jiǎn)單直觀的時(shí)域描述。將測(cè)試信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)后，在測(cè)試VI中進(jìn)行信號(hào)特征值處理，并在測(cè)試VI前面板上直觀地表示出信號(hào)的特征值，可以給測(cè)試VI的使用者提供一個(gè)了解測(cè)試信號(hào)變化的快速途徑。信號(hào)的特征值分為幅值特征值、時(shí)間特征值和相位特征值。2）信號(hào)的頻域分析就是根據(jù)信號(hào)的頻域描述來(lái)估計(jì)和分析信號(hào)的組成和特征量。測(cè)量時(shí)采集到的是時(shí)域波形，但是由于時(shí)域分析工具較少，往往把問(wèn)題轉(zhuǎn)換到頻域來(lái)處理。頻域分析包括頻譜分析、功率譜分析、相干函數(shù)分析以及頻率響應(yīng)函數(shù)分析。通過(guò)信號(hào)的頻域分析，可以確定信號(hào)中含有的頻率組成成分和頻率分布范圍；還可以確定信號(hào)中的各頻率成分的幅值和能量；同時(shí)還能分析各信號(hào)之間的相互關(guān)系。3 建立模型本設(shè)計(jì)中用LabVIEW中的信號(hào)發(fā)生控件來(lái)代替信號(hào)采集部分產(chǎn)生信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均由軟件來(lái)仿真實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀由兩個(gè)軟件模塊組成：信號(hào)發(fā)生器模塊和頻譜分析模塊。處理過(guò)程如下：首先將信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)送數(shù)字濾波器處理，濾除干擾噪聲，然后分別進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析和諧波分析。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種分析之前，要進(jìn)行加窗處理，得到有限長(zhǎng)的序列信號(hào)。以下具體介紹各個(gè)模塊。1）信號(hào)發(fā)生器模塊主要是用來(lái)產(chǎn)生所需的各種測(cè)試信號(hào)。它可以完成以下功能：可產(chǎn)生任意標(biāo)準(zhǔn)周期信號(hào)，包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波。其中產(chǎn)生的周期信號(hào)的輸入?yún)?shù)如頻率、幅值、相位、占空比、噪聲幅值、偏移量等均可一調(diào)節(jié)。2）頻譜分析模塊主要是對(duì)信號(hào)發(fā)生器模塊產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析以及處理。它可以完成以下的功能：測(cè)試信號(hào)經(jīng)濾波、加窗處理后，進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析以及諧波分析。可以進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，包括采樣設(shè)置、濾波器類(lèi)型選擇及其參數(shù)設(shè)置、窗函數(shù)類(lèi)型選擇等。3.1 系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)前面板的設(shè)計(jì)如圖1所示：圖1 前面板設(shè)計(jì)3.2 系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì)程序框圖的設(shè)計(jì)如圖2所示圖2 程序設(shè)計(jì)框圖3.3 系統(tǒng)程序運(yùn)行結(jié)果程序有多種運(yùn)行結(jié)果，有正弦波，三角波、方波、鋸齒波等不同的波形，其中波形的輸入頻率、幅值、相位、偏移量、方波占空比均可以變，還可以加入噪聲幅值。一下是程序的集中運(yùn)行結(jié)果：圖3 程序運(yùn)行結(jié)果正弦波圖4 程序運(yùn)行結(jié)果三角波圖5 程序運(yùn)行結(jié)果方波圖6 程序運(yùn)行結(jié)果鋸齒波圖7 程序運(yùn)行結(jié)果正弦波加噪聲4 結(jié)論與心得體會(huì)4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論基于LabVIEW編程環(huán)境下的虛擬頻譜分析儀主要實(shí)現(xiàn)了時(shí)域分析和頻域分析兩個(gè)功能。信號(hào)的時(shí)域分析主要是測(cè)量測(cè)試信號(hào)經(jīng)濾波處理后的特征值，這些特征值以一個(gè)數(shù)值表示信號(hào)的某些時(shí)域特征，是對(duì)測(cè)試信號(hào)最簡(jiǎn)單直觀的時(shí)域描述。將測(cè)試信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)后，在測(cè)試VI中進(jìn)行信號(hào)特征值處理，并在測(cè)試VI前面板上直觀地表示出信號(hào)的特征值，可以給測(cè)試VI的使用者提供一個(gè)了解測(cè)試信號(hào)變化的快速途徑。信號(hào)的特征值分為幅值特征值、時(shí)間特征值和相位特征值，本文對(duì)幅值特征值的分析進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 信號(hào)的頻域分析就是根據(jù)信號(hào)的頻域描述來(lái)估計(jì)和分析信號(hào)的組成和特征量。也就是研究信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，即求取其分量的幅值、相位按頻率的分布規(guī)律，并建立以頻率為橫軸的各種譜。對(duì)于周期信號(hào)可將其展開(kāi)為傅立葉系數(shù)，其頻譜具有離散性、諧波性和收斂性；對(duì)于非周期信號(hào)可用頻譜密度函數(shù)分析其頻率構(gòu)成，其頻譜具有連續(xù)性。頻域分析包括頻譜分析、功率譜分析、相干函數(shù)分析以及頻率響應(yīng)函數(shù)分析。本文實(shí)現(xiàn)了頻譜分析，即信號(hào)的幅頻特性和相頻特性。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)完成了頻譜分析的功能。本設(shè)計(jì)成功地使系統(tǒng)能夠分析各種波形的頻譜，如正弦波、三角波、方波、鋸齒波等。并且可以通過(guò)調(diào)輸入波形的各項(xiàng)參數(shù)如輸入頻率、相位、幅值、偏移量等使系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行分析，同時(shí)還可以加入可均勻白噪聲。此外，利用LabVIEW 實(shí)現(xiàn)的虛擬頻譜分析儀，采用了圖形語(yǔ)言編程，與其他采用文本語(yǔ)言編程相比，能縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，與硬件儀器相比，虛擬儀器又更容易調(diào)整濾輸入波形，具有方便、快捷、直觀等優(yōu)點(diǎn)。另外基于LabVIEW 編寫(xiě)的程序還可以將其作為子程序在其他虛擬儀器系統(tǒng)中調(diào)用，大大增強(qiáng)了程序的通用性。4.2 心得體會(huì)此次能力拓展訓(xùn)練，在暑假進(jìn)行，一直拖到最后才開(kāi)始做，這次能力拓展訓(xùn)練是自己學(xué)習(xí)LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件然后完成相關(guān)的設(shè)計(jì)，剛剛開(kāi)始的時(shí)候，覺(jué)得自己什么也不會(huì)，真的好難，難于上青天，但是由于之前也學(xué)習(xí)過(guò)其他的軟件，在加上在網(wǎng)上看了一些相關(guān)的視頻教程還查閱寫(xiě)資料，慢慢的我開(kāi)始進(jìn)入狀態(tài)，逐漸了解了這個(gè)軟件