基于LABVIEW的虛擬頻譜分析儀設計.doc

武漢理工大學能力拓展訓練報告書目錄1設計任務21.1 技術(shù)要求21.2 設計方案22基本原理23建立模型33.1 系統(tǒng)前面板設計43.2 系統(tǒng)程序框圖設計43.3 系統(tǒng)程序運行結(jié)果54結(jié)論與心得體會104.1實驗結(jié)論104.2心得體會115參考文獻12基于LABVIEW的虛擬頻譜分析儀設計1 設計任務1.1 技術(shù)要求1）設計出規(guī)定的虛擬頻譜分析儀，可對輸入信號進行頻域分析，顯示輸入信號的幅度譜和相位譜等2）設置出各個控件的參數(shù)；3）利用LabVIEW實現(xiàn)該虛擬頻譜分析儀的設計；4）觀察仿真結(jié)果并進行分析；5）對該虛擬頻譜分析儀進行性能評價。1.2 設計方案虛擬頻譜分析儀的設計包括以下三個步驟：1) 按照實際任務的要求，確定頻譜分析儀的性能指標。2) 按照實驗原理想好設計思路，并且完成電路圖及程序，然后在前面板和程序流程圖中實現(xiàn)。3) 完成電路設計，運行程序并且檢查，直至無誤后觀察仿真結(jié)果并且分心。2 基本原理本設計采用的是數(shù)字處理式頻譜分析原理，方法為：經(jīng)過采樣，使連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，然后利用LabVIEW的強大的數(shù)字信號處理的功能，對采樣得到的數(shù)據(jù)進行濾波、加窗、FFT 運算處理，就可得到信號的幅度譜、相位譜以及功率譜。FFT的輸出都是雙邊的，它同時顯示了正負頻率的信息。通過只使用一半FFT輸出采樣點轉(zhuǎn)換成單邊FFT。FFT的采樣點之間的頻率間隔是fs/N，這里fs是采樣頻率。FFT和能量頻譜可以用于測量靜止或者動態(tài)信號的頻率信息。FFT提供了信號在整個采樣期間的平均頻率信息。因此，F(xiàn)FT主要用于固定信號的分析（即信號在采樣期間的頻率變化不大）或者只需要求取每個頻率分量的平均能量。在采樣過程中，為了滿足采樣定理，對不同的頻率信號，選用合適的采樣速率，從而防止頻率混疊。實際中，我們只能對有限長的信號進行分析與處理，而進行傅立葉變換的數(shù)據(jù)理論上應為無限長的離散數(shù)據(jù)序列，所以必須對無限長離散序列截斷，只取采樣時間內(nèi)有限數(shù)據(jù)。這樣就導致頻譜泄漏的存在。所以利用用加窗的方法來減少頻譜泄漏。由于取樣信號中混疊有噪聲信號，為了消除干擾，在進行FFT 變換之前，要先進行濾波處理。本設計采用了巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、橢圓（Ellipse）、貝塞爾（Bessel）等濾波器。以下說明時域分析與頻域分析的功能1）信號的時域分析主要是測量測試信號經(jīng)濾波處理后的特征值，這些特征值以一個數(shù)值的方式來表示信號的某些時域特征，是對測試信號最簡單直觀的時域描述。將測試信號采集到計算機后，在測試VI中進行信號特征值處理，并在測試VI前面板上直觀地表示出信號的特征值，可以給測試VI的使用者提供一個了解測試信號變化的快速途徑。信號的特征值分為幅值特征值、時間特征值和相位特征值。2）信號的頻域分析就是根據(jù)信號的頻域描述來估計和分析信號的組成和特征量。測量時采集到的是時域波形，但是由于時域分析工具較少，往往把問題轉(zhuǎn)換到頻域來處理。頻域分析包括頻譜分析、功率譜分析、相干函數(shù)分析以及頻率響應函數(shù)分析。通過信號的頻域分析，可以確定信號中含有的頻率組成成分和頻率分布范圍；還可以確定信號中的各頻率成分的幅值和能量；同時還能分析各信號之間的相互關(guān)系。3 建立模型本設計中用LabVIEW中的信號發(fā)生控件來代替信號采集部分產(chǎn)生信號。整個系統(tǒng)的設計均由軟件來仿真實現(xiàn)。本設計的虛擬頻譜分析儀由兩個軟件模塊組成：信號發(fā)生器模塊和頻譜分析模塊。處理過程如下：首先將信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的測試信號送數(shù)字濾波器處理，濾除干擾噪聲，然后分別進行時域分析、頻域分析和諧波分析。在對信號進行各種分析之前，要進行加窗處理，得到有限長的序列信號。以下具體介紹各個模塊。1）信號發(fā)生器模塊主要是用來產(chǎn)生所需的各種測試信號。它可以完成以下功能：可產(chǎn)生任意標準周期信號，包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波。其中產(chǎn)生的周期信號的輸入?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信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生的測試信號進行分析以及處理。它可以完成以下的功能：測試信號經(jīng)濾波、加窗處理后，進行時域分析、頻域分析以及諧波分析。可以進行各種參數(shù)設置，包括采樣設置、濾波器類型選擇及其參數(shù)設置、窗函數(shù)類型選擇等。3.1 系統(tǒng)前面板設計前面板的設計如圖1所示：圖1 前面板設計3.2 系統(tǒng)程序框圖設計程序框圖的設計如圖2所示圖2 程序設計框圖3.3 系統(tǒng)程序運行結(jié)果程序有多種運行結(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行結(jié)果：圖3 程序運行結(jié)果正弦波圖4 程序運行結(jié)果三角波圖5 程序運行結(jié)果方波圖6 程序運行結(jié)果鋸齒波圖7 程序運行結(jié)果正弦波加噪聲4 結(jié)論與心得體會4.1 實驗結(jié)論基于LabVIEW編程環(huán)境下的虛擬頻譜分析儀主要實現(xiàn)了時域分析和頻域分析兩個功能。信號的時域分析主要是測量測試信號經(jīng)濾波處理后的特征值，這些特征值以一個數(shù)值表示信號的某些時域特征，是對測試信號最簡單直觀的時域描述。將測試信號采集到計算機后，在測試VI中進行信號特征值處理，并在測試VI前面板上直觀地表示出信號的特征值，可以給測試VI的使用者提供一個了解測試信號變化的快速途徑。信號的特征值分為幅值特征值、時間特征值和相位特征值，本文對幅值特征值的分析進行了設計。 信號的頻域分析就是根據(jù)信號的頻域描述來估計和分析信號的組成和特征量。也就是研究信號的頻率結(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。對于周期信號可將其展開為傅立葉系數(shù)，其頻譜具有離散性、諧波性和收斂性；對于非周期信號可用頻譜密度函數(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)分析以及頻率響應函數(shù)分析。本文實現(xiàn)了頻譜分析，即信號的幅頻特性和相頻特性。通過仿真實驗說明，基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀設計完成了頻譜分析的功能。本設計成功地使系統(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。并且可以通過調(diào)輸入波形的各項參數(shù)如輸入頻率、相位、幅值、偏移量等使系統(tǒng)來進行分析，同時還可以加入可均勻白噪聲。此外，利用LabVIEW 實現(xiàn)的虛擬頻譜分析儀，采用了圖形語言編程，與其他采用文本語言編程相比，能縮短了開發(fā)時間，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。另外基于LabVIEW 編寫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，大大增強了程序的通用性。4.2 心得體會此次能力拓展訓練，在暑假進行，一直拖到最后才開始做，這次能力拓展訓練是自己學習LabVIEW虛擬儀器設計軟件然后完成相關(guān)的設計，剛剛開始的時候，覺得自己什么也不會，真的好難，難于上青天，但是由于之前也學習過其他的軟件，在加上在網(wǎng)上看了一些相關(guān)的視頻教程還查閱寫資料，慢慢的我開始進入狀態(tài)，逐漸了解了這個軟件