基于LabVIEW的頻譜分析儀

1、基于LabVIEW的頻譜分析儀姓名:*學(xué)號(hào):*專(zhuān)業(yè)：機(jī)械工程基于LabVIEW的頻譜分析儀摘要2引言2第一章設(shè)計(jì)任務(wù)及思路31. 設(shè)計(jì)任務(wù)2. 設(shè)計(jì)思路第二章LabVIEW的簡(jiǎn)介3第三章虛擬頻譜分析儀的前面板設(shè)計(jì)4第四章程序框圖的設(shè)計(jì)61. 仿真信號(hào)的產(chǎn)生及各種干擾噪聲的疊加2. 對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和加窗函數(shù)處理3. 對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析及諧波分析第五章結(jié)束語(yǔ)13參考文獻(xiàn)14摘要：介紹了基于LabVIEW的頻譜分析儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)由虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊和頻譜分析模塊兩部分組成。虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并且可以疊加各種干擾噪聲；頻譜分析模塊主要

2、是對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行濾波和加窗函數(shù)處理，輸出處理后的波形，同時(shí)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析以及諧波分析。關(guān)鍵詞：LabVIEW頻譜分析引言頻譜分析儀是信號(hào)頻域分析的重要工具，能提供時(shí)域觀測(cè)中所不能看到的獨(dú)特信號(hào)，如正弦信號(hào)的頻譜純度、非正弦波的頻譜、諧波失真等，也是電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常備工具，需求十分廣泛。傳統(tǒng)頻譜分析儀價(jià)格昂貴、體積較大、功能固定，使其應(yīng)用場(chǎng)合受到一定限制。虛擬儀器把測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，由軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、分析處理、結(jié)果顯示等功能。圖形化的程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形化的編程語(yǔ)言必將成為測(cè)試和控制領(lǐng)域內(nèi)敲有前途的發(fā)展方向。第一章

3、設(shè)計(jì)任務(wù)及思路1 .設(shè)計(jì)任務(wù)(1)仿真產(chǎn)生各種信號(hào)，頻率幅值可調(diào)；(2)可以疊加各種干擾噪聲；(3)對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行濾波和加窗函數(shù)處理；(4)顯示輸出波形，同時(shí)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析及諧波分析。2 .設(shè)計(jì)思路3 計(jì)思路如下圖1所示。仿真信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的處理信號(hào)的輸出圖1第二章LabVIEW的簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)，與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW勺函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)

4、畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。LabVIEW是供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類(lèi)似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶(hù)界面。用戶(hù)界面在LabVIEW中被稱(chēng)為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱(chēng)G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類(lèi)似于

5、流程圖，因此又被稱(chēng)作程序框圖代碼。LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問(wèn)題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。第三章虛擬頻譜分析儀的前面板設(shè)計(jì)4 面板、后面板的設(shè)計(jì)分別如圖2、圖3所示。圖2ti-i由真信號(hào)Lipfll原始信號(hào)-S*LrrIIR南垢信號(hào)Hanning荽鳥(niǎo)第b理后信號(hào)H-aruninjQu»FTTFTT分析幅度得FTT分析柜位甭:皆波分量停止圖3虛擬頻譜分析儀前面板主要是由頻譜顯示器組成。這個(gè)程序放在一個(gè)大的While循環(huán)中，這個(gè)循環(huán)是由采樣觸發(fā)開(kāi)關(guān)控件來(lái)控制，當(dāng)控件輸出的信號(hào)為真時(shí)，循環(huán)會(huì)一直持續(xù)下去，否者循環(huán)結(jié)束。

6、最后將采集到的數(shù)值送到各種頻譜分析模塊，得出采集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化量輸出顯示。第四章程序框圖的設(shè)計(jì)1 .仿真信號(hào)的產(chǎn)生及各種干擾噪聲的疊加信號(hào)生成VI庫(kù)里提供了兩個(gè)信號(hào)生成ExpressVI可快速生成所需要的信號(hào)，它們分別是“仿真信號(hào)”和“仿真任意信號(hào)”。在這里采用“仿真信號(hào)”來(lái)仿真產(chǎn)生各種信號(hào)。仿真信號(hào)ExpressVI的適用場(chǎng)合與基本信號(hào)的生成類(lèi)似，可以根據(jù)指定參數(shù)生成正弦波、三角波、方波、鋸齒波、直流信號(hào)等幾種基本類(lèi)型的信號(hào)。在框圖上放入改VI后，彈出的配置對(duì)話框如圖4所示。從對(duì)話框中不僅可以配置基本的信號(hào)類(lèi)型、頻率、初始相位、幅度、偏移量、采樣率等參數(shù)，還可以選擇是否疊加上某種類(lèi)型的噪聲，

7、噪聲類(lèi)型同樣也提供了多種常見(jiàn)類(lèi)型可選，以及是否微移采樣率以保證整周期采樣。在這里選擇添加噪聲，來(lái)實(shí)現(xiàn)干擾噪聲的疊加。2 .對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和加窗函數(shù)處理(1)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波濾波器分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩類(lèi)。依靠軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器與模擬濾波器或硬件實(shí)現(xiàn)的濾波器相比，有著活性強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好等突出的優(yōu)勢(shì)，而且具有極低的成本優(yōu)勢(shì)。數(shù)字濾波器可分為無(wú)線沖激響應(yīng)(IIR)濾波器和有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器兩大類(lèi)，兩者劃分的主要標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)函數(shù)對(duì)單位的樣值的響應(yīng)是否無(wú)線長(zhǎng)。IIR濾波器具有幅頻特性較平坦的特點(diǎn)，F(xiàn)IR濾波器則可以做到嚴(yán)格的線性相移。LabVIEW中提供了數(shù)目眾多的濾波器函數(shù)，無(wú)論

8、是IIR濾波器還是FIR濾波器都可以實(shí)現(xiàn)，可傳遞的信號(hào)數(shù)據(jù)類(lèi)型也包括波形信號(hào)和數(shù)組信號(hào)兩種，可以靈活的調(diào)用。在這里選擇IIR濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。輸出結(jié)果如圖5所示。圖5(2)對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗函數(shù)處理窗函數(shù)的作用包括截?cái)嘈盘?hào)、減少譜泄漏和用于分離頻率相近的大幅值信號(hào)與小幅值信號(hào)。LabVIEWI供了多種窗函數(shù)，包括Hanning窗、Hamming®、Blackman窗、Triangle窗、FlapTop窗、Force窗等等。對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)序列加窗時(shí)，LabVIEW飲為此序列即是信號(hào)截?cái)嗟男蛄?，因此窗函?shù)輸出的序列與輸入的序列的長(zhǎng)度相等。本設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行的加窗函數(shù)的處理選擇用Hanning窗

9、。原始信號(hào)與Hanning窗函數(shù)處理后的信號(hào)輸出波形圖如6所示。圖63.對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析及諧波分析(1)時(shí)域分析時(shí)域信號(hào)分析函數(shù)有值交流成分檢測(cè)、卷積、逆卷積、相關(guān)分析、微分、積分、尖峰捕獲、門(mén)限檢測(cè)和過(guò)度分析等。本設(shè)計(jì)在對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，是利用自相關(guān)函數(shù)來(lái)檢測(cè)信號(hào)中是否含有周期成分。如果信號(hào)中含有周期成分，則其相關(guān)函數(shù)衰減很慢且具有明顯的周期。如圖7所示，原始信號(hào)為一正弦波與噪聲信號(hào)疊加而成，當(dāng)噪聲幅度與正弦幅度相當(dāng)時(shí)，可以看到自相關(guān)函數(shù)的衰減很慢而且具有明顯的周期性。如果使噪聲信號(hào)幅度遠(yuǎn)大于正弦波幅度，從自相關(guān)函數(shù)中就很難看到周期成分了，因?yàn)檎倚盘?hào)已經(jīng)被噪聲信號(hào)淹沒(méi)了

10、，如圖8所示。圖7幅的蟀圖8(2)頻域分析信號(hào)頻域分析指將時(shí)域信號(hào)通過(guò)傅里葉變換等方法轉(zhuǎn)換到頻域上，然后進(jìn)行分析。它的基本思想是將信號(hào)表示為一系列不同周期、不同相位的正弦信號(hào)的集合，從而將信號(hào)的頻域信息展現(xiàn)出來(lái)。在LabVIEW中有多個(gè)與FTT分析相關(guān)的VI。本設(shè)計(jì)在對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析時(shí)，采用FTT頻域(幅度-相位)來(lái)分析所產(chǎn)生的原始信號(hào)。在使用Hamming1情況下所得到的程序前面板和框圖如圖9所示可以看出，相位頻譜雖然比較雜亂，到幅度中很容易看出兩個(gè)明顯的峰值，頻率位置也正好與正弦波的頻率相對(duì)應(yīng)。國(guó)法0圖9FTT分析裕位造(3)諧波分析對(duì)于自然界中采集到的正弦波信號(hào)，往往不是只含有基波頻率

11、的純正弦波信號(hào)，而是帶有二次諧波，三次諧波甚至高次諧波的復(fù)雜信號(hào)。這些諧波的存在有時(shí)會(huì)為系統(tǒng)的響應(yīng)性能帶來(lái)很大影響，所以需要進(jìn)行諧波分析，測(cè)出信號(hào)中各次諧波分量的大小，為后續(xù)的信號(hào)處理過(guò)程做準(zhǔn)備，如濾除、消弱某些次數(shù)的諧波等。LabVIEW用為諧波和失真度分析方面的應(yīng)用提供了一個(gè)功能完善的VI諧波失真分析VI。應(yīng)用次VI對(duì)原始信號(hào)分析所得到的程序前面板和框圖如圖10所示。磋,后的喉聲圖10第五章結(jié)束語(yǔ)本次設(shè)計(jì)我研究了基于LabVIEW勺頻譜分析，我感覺(jué)這樣的設(shè)計(jì)很實(shí)用，程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高，節(jié)約成本。通過(guò)本次虛擬頻譜分析，我對(duì)基于LabVIEW勺程序設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步的掌握，在對(duì)虛擬頻譜的分析中對(duì)LabVIEW的程序設(shè)計(jì)產(chǎn)生了濃厚的興趣，提高了理論結(jié)合實(shí)際的能力。由于本人水平有限，時(shí)間緊促，對(duì)其中的原理和實(shí)際操作方法或許存在不足之處，以后還得更加努力的研究,論文中有不對(duì)或者欠缺的地方請(qǐng)老師斧正。這學(xué)期的習(xí)很快就結(jié)束了，在指導(dǎo)老師的幫助下我解決了許多問(wèn)題，鞏固了專(zhuān)業(yè)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)了許多不足，明白了專(zhuān)業(yè)重心