頻譜分析儀-LabVIEW課程設(shè)計(jì)

1、LabVIEW課程設(shè)計(jì)虛 擬 儀 器 技 術(shù)課 程 設(shè) 計(jì) 課 題： 頻譜分析儀 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2012年2月目 錄1課程設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)（1）1.1課程設(shè)計(jì)的目的（1）1.2課程設(shè)計(jì)的任務(wù)（1）1.3課程設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)（1）2總方案的確定并畫出原理框圖（2）3各基本單元原理及設(shè)計(jì)（3）3.1數(shù)據(jù)采集模塊（3）3.2正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊（3）3.3加窗函數(shù)模塊（4）3.4濾波函數(shù)模塊（4）3.5功率譜轉(zhuǎn)換模塊（5）4總原理圖，工作原理、工作特性（6）5電路安裝與調(diào)試（8）5.1電路安裝調(diào)試步驟（8）5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（8）5.3改進(jìn)意見及

2、收獲（9）6體會(huì)(10)附錄1：課程設(shè)計(jì)任務(wù)書（11）111 課程設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)1.1 課程設(shè)計(jì)目的（1）掌握LabVIEW軟件編程方法；（2）掌握LabVIEW硬件的應(yīng)用；（3）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來指導(dǎo)實(shí)踐的能力。1.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)頻譜分析儀是在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。本課題將結(jié)合虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)過程，了解使用基于圖形化編程語言LabVIEW進(jìn)行虛擬儀器編程的方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)頻譜分析儀的功能。1.3 課程設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)（1）將采集到的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)；（2）對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波和加窗處理；（3）求出信號(hào)的頻率、頻率響應(yīng)等參數(shù)；（4）能完

3、成數(shù)據(jù)顯示、繪制圖形、存儲(chǔ)和查看測(cè)量數(shù)據(jù)等功能且具有友好的人機(jī)界面。2 總方案的確定并畫出原理框圖本設(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，由此確定設(shè)計(jì)總方案也可以對(duì)通過信號(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AD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。原理框圖如圖一所示。圖一3 各基本單元原理及設(shè)計(jì)3.1

4、 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊采用Acquire Waveform VI子程序來控制PCI-1200數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集操作，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，采樣點(diǎn)數(shù)，觸發(fā)控制，掃描率。3.2 正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊采用Sine Wave VI子程序（在Analysis>Signal Generation子模板中），用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)在實(shí)驗(yàn)時(shí)驗(yàn)證頻譜分析功能，設(shè)置的參數(shù)包括：采樣點(diǎn)數(shù)，采樣頻率，信號(hào)頻率，幅值和初始相位。3.3 加窗函數(shù)模塊加窗函數(shù)模塊可由Scaled Time Domain Windows.vi模板來完成。該模板有兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出端。首先從輸

5、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)帶來的柵欄效應(yīng)和泄漏問題。設(shè)計(jì)中運(yùn)用了漢明窗。3.4 濾波函數(shù)模塊數(shù)字濾波器用于改變或消除不需要的波形。它是應(yīng)用最廣泛的信號(hào)處理工具之一。兩種數(shù)字濾波器分別是：FIR（有限脈沖響應(yīng)）和IIR（無限脈沖響應(yīng)）濾波器。FIR濾波器可以看成一般移動(dòng)平均值，它也可以被設(shè)計(jì)成線性相位濾波器。IIR濾波器有很好的幅值響應(yīng)，但是無線性相位響應(yīng)。設(shè)計(jì)中選用了巴特沃思濾波器（0-低通，1-高通，2-帶通，3-帶阻）。3.5 頻譜分析模塊頻譜分析模

6、塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求有三個(gè)選擇功能：0-頻譜分析，1-功率譜分析，2-FFT。幅度和相位譜功率譜快速傅里葉變換5 總原理圖，工作原理、工作特性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)的時(shí)域和頻域顯示。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050kHz，用戶可以通過改變采樣速率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來選擇頻率分辨率。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)來觀察所需要的頻譜圖，因此操作更加直觀、簡(jiǎn)便?？梢杂脴?biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)模擬實(shí)驗(yàn)，也可以采集外部數(shù)

7、據(jù)，采集的數(shù)據(jù)若有干擾可以根據(jù)情況選擇濾波和加窗，使獲得的結(jié)果更加滿意。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、功率譜特性，并顯示計(jì)算結(jié)果。程序如圖二，圖三所示。圖二圖三5 電路安裝與調(diào)試5.1電路安裝調(diào)試步驟（1）根據(jù)原理框圖設(shè)計(jì)程序（2）檢查程序接線和各個(gè)判斷框?qū)?yīng)情況（3）采用正弦信號(hào)模擬，驗(yàn)證程序是否正確（4）接入外部信號(hào)，根據(jù)情況濾波或加窗，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析當(dāng)接入標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)時(shí)，設(shè)置采樣頻率=100，采樣數(shù)=200，幅度=5，初始相位=0，信號(hào)頻率=5，所得結(jié)果如下： 當(dāng)接入外部信號(hào)時(shí)，設(shè)置設(shè)備號(hào)=1，通道=1，采樣頻率=200，

8、采樣數(shù)=500，所得結(jié)果如下：5.3 改進(jìn)意見及收獲經(jīng)過試驗(yàn)和結(jié)果分析，設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀基本實(shí)現(xiàn)了任務(wù)要求，但在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了一些問題還有待改進(jìn)。應(yīng)該使用選擇結(jié)果使濾波和加窗方式更多樣化，因?yàn)樵诓杉獠繑?shù)據(jù)時(shí)存在各種干擾，單一的濾波和加窗方式并不能滿足所有情況的要求，有時(shí)用巴特沃思濾波器反而使所得信號(hào)變得更糟糕，應(yīng)該根據(jù)不同的情況選擇不同的濾波或加窗方式。頻譜分析也比較簡(jiǎn)單，可以用數(shù)據(jù)框顯示峰峰值、響應(yīng)值等，使所得結(jié)果更加直觀可讀。頻譜分析方式在實(shí)際工作時(shí)應(yīng)更加豐富，可以加入單邊譜、雙邊譜、諧波分析等內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)時(shí)如使用外部采集數(shù)據(jù)應(yīng)注意接共地端，否則將有很大的干擾，甚至完全淹沒信號(hào)。 6

9、 體會(huì)一周半的虛擬儀器課程設(shè)計(jì)很快就過去了，但這短短一周半的時(shí)間卻讓我們學(xué)到了很多，最終的結(jié)果也還算滿意，但是在設(shè)計(jì)程序、設(shè)置參數(shù)，調(diào)試電路等一系列過程中我們也遇到了很多問題。采集的信號(hào)有較大干擾，經(jīng)過濾波和加窗處理仍實(shí)現(xiàn)不了預(yù)期效果等情況，但我們沒有互相埋怨而是通過仔細(xì)地檢查，問老師問同學(xué)等許多積極的方式來解決問題，最重要的是我們小組兩人分工明確，而且又相互協(xié)作。通過一周半的課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了查找資料、思考和解決問題的能力。我覺得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)函數(shù)模塊的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過程中，我

10、們了解了很多VI子程序的功能，并且對(duì)于其各個(gè)端點(diǎn)的含義、接線方法有了更深入的了解。平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問題老是弄不懂，做完設(shè)計(jì)，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西，平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，通過動(dòng)手實(shí)踐讓我們對(duì)各個(gè)VI函數(shù)模塊印象深刻。另外很多內(nèi)容也是書上沒有的，通過自己查資料，反復(fù)看說明書才得以解決，這對(duì)我今后工作有很多幫助。認(rèn)識(shí)來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這次的設(shè)計(jì)對(duì)我們的作用是非常大，提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固等。 這次課程設(shè)計(jì)的

11、順利完成了，離不開老師的辛勤指導(dǎo)和同學(xué)的幫助，我也從老師何同學(xué)的身上我們學(xué)也到很多實(shí)用的知識(shí)，在此我向所有幫助過我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝 ！附錄1：1.設(shè)計(jì)目的（1）掌握LabVIEW軟件編程方法（2）掌握LabVIEW硬件的應(yīng)用（3）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來指導(dǎo)實(shí)踐的能力2.設(shè)計(jì)所用儀器及器件(1) NI公司的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)調(diào)理卡。NI DQA-6024卡，NI SC-2075卡各一套。(2) P計(jì)算機(jī)一臺(tái)。(3)各種相關(guān)的實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備。 3.實(shí)物內(nèi)容及要求（1）設(shè)計(jì)成果一份。（2）課程設(shè)計(jì)論文一份。4.進(jìn)程安排1布置任務(wù)、查閱資料，方案設(shè)計(jì)（兩天）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，查閱參考資料，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及可行性論證，確定設(shè)計(jì)方案，畫出詳細(xì)的原理圖。2上機(jī)在LabVIEW環(huán)境下按要求進(jìn)行設(shè)計(jì) （三天）要求在虛擬儀器上觀測(cè)到正確的波形并達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。3硬件的裝配及調(diào)試（三天）使用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行裝配調(diào)試，使其全面達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，最終通過驗(yàn)收。4總結(jié)報(bào)告 （一