虚拟仪器课程设计.docx

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虚拟仪器课程设计

摘要

工程技术领域的需求，对信号的分析处理提出了较高的要求。

传统的频谱分析仪功能单一、价格昂贵、使用不灵活，已不能满足现代测试信号的分析要求。

随着信息技术的迅猛发展，对仪器的性能要求也越来越高。

由于电子技术、计算机技术的高速发展及其在电子测量技术和仪器领域中的应用，新的测量理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现。

以虚拟仪器为代表的新型测量仪器改变了传统仪器的思想，充分利用计算机强大的软硬件功能，把计算机技术和测量技术紧密结合起来，是融合了电子测量、计算机和网络技术的新型测量技术。

其中提高虚拟频谱分析仪的测量精度是保证其测量质量的关键。

本设计是于虚拟仪器原理，采用LabVIEW软件平台，构建一种虚拟频谱分析仪。

整个系统由虚拟信号发生器模块和频谱分析模块两部分组成。

虚拟信号发生器模块能够产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等标准信号，并且可以叠加各种干扰噪声；频谱分析模块主要是对上述信号进行滤波和加窗函数处理，输出处理后的波形，同时进行时域分析、频域分析以及谐波分析。

LabviEw程序被称为vi，即虚拟仪器，这是因为它的很多界面控件都模拟了现实世界中的仪器，例如示波器与万用表等。

LabviEW还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。

这些工具都是向导式的工具，用户只需要一步步按照提示就可以实现与仪器的连接和参数的设置。

而程序员也不用去记忆这些大量的函数，因为这些函数都以图标与名称的形式存在与一个小小的函数面板上，当需要用到某个函数时把它从函数面板上拖放到程序框图中就可以了。

一切都是图形化带来的好处。

本设计可以对信号发生器产生的正弦波进行频谱分析，通过labview程序达到设计的目的，此外还可以对信号发生器产生的正弦波进行傅里叶变换，以波形的形式将实验结果体现出来。

关键词：

频谱分析；虚拟仪器；LabVIEW

综述

随着计算机及信息技术的飞跃发展,虚拟现实技术已成为一个非常重要的领域。

虚拟仪器技术是信息技术领域中重点研究实践的高新技术。

虚拟仪器是利用PC显示器的显示功能代替传统仪器的面板，利用PC的鼠标和键盘控制驱动各种功能按钮，由基于计算机的I／O接口设备完成数据（信号）的采集和调理，利用LabVIEW软件实现数据（信号）的分析处理、表达与储存，从而实现各种仪器功能的一种基于电子计算机的仪器系统。

虚拟仪器技术是一种新的人机交互系统,利用计算机等设备及相应的软件对真实的物理世界进行实时仿真和实时交互作用,在虚拟的环境中,用户与系统直接而自然地交互,进行一定的操作,从而达到实际的效果。

虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路,用软件代替了硬件,使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。

虚拟仪器的实质是利用计算机技术来拓展传统仪器的功能，虚拟仪器是基于计算机的仪器。

软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件电路确定后，就可以通过不同的编程实现不同的功能，用户可以根据自己的实际需要，设计研发自己的虚拟仪器系统。

信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域,而频谱分析正是信号处理中一个非常重要的分析手段。

一般的频谱分析都依靠传统频谱分析仪来完成,价格昂贵,体积庞大,不便于工程技术人员的携带。

虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路,用软件代替了硬件。

软件开发平台采用LabVIEW,它通过建立和连接图标来构成虚拟仪器程序。

LabVIEW（LaboratoryofVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench）是美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）推出的标准虚拟仪器开发平台。

LabVIEW中的虚拟仪器相当于常规语言中的程序模块,通过它实现了软件重用。

它的最大特点是采用全图形化编程,在计算机屏幕上利用其内含的功能库和开发工具库产生软面板,用来为测试系统提供输入值并接受其输出值。

总之,LabVIEW以严格定义的概念,构成了一种易于理解和掌握的软件模块,并提供了一个理想的程序设计虚拟频谱分析仪的结构模块：

（1）滤波器设置

工程测试中常用的滤波是指在信号频域的选频加工,因为测试中获取的信号往往含有多种频率成分,为了对其中某一方面的特征有更深的认识,或有利于对信号做进一步的分析和处理,需要将其中需要的频率成分提取出来,而将不需要的频率成分衰减掉。

实际信号中,频带宽、振幅也不尽相同,对于模拟生成的复杂信号,要实现对它的处理,首先就要减少频率带宽,而实现这一点就要加入滤波器的装置了。

（2）加窗设置

在实用的信号采样系统中,即使考虑采样定理及采样条件,也只能取得一部分局限的信号记录。

但是在实时系统中,局限的信号记录将产生与原始的连续信号具有不同谱特征的短而粗的波形。

这些不相符的特征产生的谱信息的泄漏,造成了实时系统的谱特征对于原始的连续时间谱特征所形成的假象。

谱泄漏的数量取决于信号不连贯的程度。

可以使用平滑窗,减少每个采样周期边界上信号不连贯的程度。

它包括一个与时域信号相成的一个定长的窗,该窗幅度变化很平缓,且在边缘处逐渐趋近于零。

因此在对定长数据应用傅立叶变换或谱分析时,可以应用窗来修正波形的转折沿,以减少谱泄漏。

加窗类型有7种,分别为:

Hanning、Hamming、Blackman-Harris、ExactBlackman、Blackman、FlatTop、4TermB-Harris、7TermB-Harris和LowSidelobe。

它们的适用条件均不同,根据使用者的需求以及输入波形的特点适当的选择,对正确分析和得出结果有较大益处。

（3）频率响应

频率响应函数是描述测量系统动态特性的重要参数。

它是系统输出与系统输入的傅立叶变换之比,即　　　H（jw）=Y（w）/X（w）式中　Y（w）———加窗或滤波之后的输出;　　　X（w）———输入的原始波形。

LabVIEW的分析库中提供的TransferFunctionVI根据式

（1）,可计算频率响应函数。

频率响应函数是复数,所以它返回2个参数。

一个数组是频率响应函数的模FrequencyResponseMag,即被测系统的幅频特性;另一个是频率响应函数的幅角FrequencyResponsePhase,即被测系统的相频特性。

用TransferVI计算出系统输出与系统输入的傅立叶变换之比,就是系统的频率响应函数。

基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪由数据采集、信号分析和处理、结果输出显示3大部分组成。

利用I/O接口设备完成信号的采集，数据分析和处理则由LabVIEW软件完成。

用户可以根据需要选择各种功能，非常方便地完成信号的采集、处理及频谱分析。

信号的时域分析指以时间作为自变量，研究时域信号波形的时间、幅值、周期和时间相关性及信号随时间的变化。

信号的频域分析是将频率作为信号的自变量，在频域进行信号的频谱分析，基本方法是用傅里叶变换将信号分解为一系列不同频率正弦分量的叠加。

基于傅里叶变换的频谱分析包括确定信号的幅值谱和相位谱、随机信号的功率谱和系统的频率响应分析。

傅里叶变换是分析线性时不变系统以及平稳信号稳态特性的手段，它能深刻地反映出信号时域、频域间的内在联系。

在许多的实际应用中，需要获得任意一个短时间段（或瞬间）的频域信息或某一频率段对应的时间信息，例如系统动态特性的测量。

此时，必须采用时-频域分析法，也就是将时域和频域相结合，同时描述信号的时频联合特征的分析方法。

总之，虚拟仪器为我们提供了一个平台，让我们能在简单的硬件和软件平台实现对频谱分析仪的设计以及频谱的分析。

方案设计与分析

1.虚拟频谱分析的结构

1.1原理及实现方法

本文采用数字处理式频谱分析原理设计虚拟频谱分析仪。

工作流程如下：

连续时间信号经过采变为离散时间信号，利用LabVIEW强大的数字信号处理功能，对数据进行滤波、加窗、FFT运算理，得到信号的幅度谱、相位谱及功率谱等。

采样过程中，对不同的频率信号，选用合适的采样速率，以满足采样定理，防止频率混叠。

进行傅里叶变换的数据在理论上应为无限长的离散数据序列。

实际上，只能对有限长的信号进行分析与处理，所以必须对无限长的离散序列进行截断，只取采样时间内的有限数据，从而存在着频谱泄漏问题。

本文设计中分别用矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布来克曼窗等窗函数减少频谱泄漏。

由于取样信号中混叠噪声信号，因此为了消除干扰，在进行FFT变换前，应先进行滤波处理。

本设计采用巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、椭圆（Ellipse）、贝塞尔（Bessel）等滤波器进行滤波。

1、2　系统构架

本文设计一个双通道虚拟频谱分析仪，是由计算机（应用LabVIEW８．２软件开发）、数据采集硬件板卡（前置程控放大、高速数据采集、CPLD逻辑控制等）以及数据通信接口总线（选用支持USB2.0接口的EZ‐USBFX２系列芯片）组成，总体设计框图如图1.21

被测信号通过放大、滤波和隔离等处理，调理后的信号经数据采集卡进行A／D转换，将模拟信号转换为数字信号，最后由控制软件对测试信号进行频谱分析和处理，得到测试结果，并按要求显示和存储结果。

采用数据采集卡VI‐５１０２进行数据采集，有两个模拟输入通道，支持两路单端或差动模拟信号输入，具有双８位的连续A／D转换，３个１０位的定时计数器，允许系统设置DMA、中断和基本的输入／输出地址，避免了与系统中其他板卡的地址冲突．最大抽样速率为４０MS／s，输入信号为－５～＋５V或０～１０V，采集的数据通过USB总线上传至上位机进行数据处理。

2、虚拟频谱分析仪的设计

2.1软件开发平台

本文设计采用美国NI公司的LabVIEW平台，LabVIEW是基于图形化编程语言的开发环境，它通过建立和连接图标构成虚拟仪器程序，而无需像传统的文本编辑形式一样编写源代码实现。

LabVIEW虚拟仪器程序（简称为VI），主要包括三部分：

前面板、框图以及图标和连接器，其中前面板是VI的交互式用户界面，是用户和程序代码发生联系的窗口；框图是VI的源代码，由图标、连线等符号组成；图标和连接器则用于指定数据流进和流出的路径，图标是VI的图形符号，连接器则对输入和输出进行定义．完整的LabVIEW程序设计包括前面板设计、框图程序设计、程序调试及可执行程序生成．

2.2软件流程

组建虚拟频谱分析仪系统的关键是软件编程，即根据功能要求编制相应的功能模块，基于LabVIEW8.2调用动态链接库采集波形数据，实现通信并将采集到的数据进行软件处理，实现频谱分析的功能，软件流程如图2.21所示。

2.3部分模块设计

2.3.1　频谱分析模块　

将时域信号变成频域信号再分析称为频谱分析。

多数情况需要观察频谱图进行频率分析。

图2.31为频谱分析功能程序框图，程序采用“复数至极坐标转换”函数将FFT的输出分解为幅值和相位，其中相位的单位为弧度（rad）。

2.3.2幅频‐相频特性分析　

当一个测试系统输入任意信号为x（t），输出为y（t）时，输出和输入间的傅里叶变换比是一个关于频率的复变函数，称为频率响应函数，H（jω）＝Y（jω）／X（jω））．在实际应用中，H（jω）常用其模A（jω）和相角φ（jω）表示，称为测试系统的幅频特性和相频特性．幅频‐相频特性曲线可由幅频‐相频特性分析程序获得，相应曲线绘制于程序的前面板，如图2.32所示。

2.3.4虚拟频谱分析仪的功能测试

虚拟频谱分析仪选用通用函数信号发生器（EM１６３４）进行测试，该信号发生器可以自由设置输入信号的波形类型、频率及幅值。

时域信号频谱分析可通过观察虚拟频谱分析仪面板上的显示与理论计算值的比较判断正确与否，以验证虚拟频谱分析仪模块的设计是否正确。

实验测试信号如图2.3.4.1,图2.3.4.2和图2.3.4.3，图2.3.4.4所示，图2.3.4.1,图2.3.4.2输入１０Hz与２０Hz的正弦信号叠加，经分析后得到正确的频谱图，实验结果表明，虚拟频谱分析仪显示的信号较稳定，输出频谱分量明显，与理论计算值相符。

图2.3.4.1

图2.3.4.2

2.4傅里叶变换

2.4.1加窗的用途

时域加窗可减少泄漏,频域加窗可去除波形中毛刺平滑,本文只介绍分析仪一些时域窗的功能,它除用于减少泄漏还有其他用途,加窗可加矩形窗,海明窗、平顶窗、力窗和指数窗等,注意每种窗都是既有优点、又有缺点。

矩形窗也叫均匀窗、不加窗它的功能仅为以采样时间为窗长度截断原始信号,它的泄漏较大,仅用于无泄漏场合。

海明窗用于减少泄漏,缺点在于频域主瓣比矩形窗主瓣宽,确定峰值频率时误差较大。

加海明窗会降低峰值高度。

平顶窗平顶窗主要用于提高分析仪的幅值读数精度。

输入一个峰值已知的正弦波,用平顶窗在频域读数,就可发现它的读数最接近于真正峰值。

信号的时域分析指以时间作为自变量，研究时域信号波形的时间、幅值、周期和时间相关性及信号随时间的变化。

信号的频域分析是将频率作为信号的自变量，在频域进行信号的频谱分析，基本方法是用傅里叶变换将信号分解为一系列不同频率正弦分量的叠加。

基于傅里叶变换的频谱分析包括确定信号的幅值谱和相位谱、随机信号的功率谱和系统的频率响应分析。

傅里叶变换是分析线性时不变系统以及平稳信号稳态特性的手段，它能深刻地反映出信号时域、频域间的内在联系。

通过不加窗的频谱测量expressvi，加hanning窗的频谱测量expressvi，加flattop的express频谱测量vi，分别对输入的正弦信号处理后，再送给合并信号expressvi，最后输出预算后的结果，labview程序框图如图2.4.1.1，

图2.4.1.1

实验波形如图2.4.1.2输出结。

我们可通过调整频大小来改变波形显示结果，如图2.4.1.3。

图2.4.1.2

图2.4.1.3

方案的综合评价与结论

虚拟频谱分析仪具有操作界面友好、可靠性高、价格低廉、实用性强等优点，它基于计算机的强大处理能力，采用软件替代硬件实现了频谱分析，用加窗的方法减少频谱泄漏并可以按要求存储数据，实现了存储波形回放等功能，具有广阔的发展前景．

本设计目标是实现传统频谱分析仪的功能,包括将采集到的时域信号转化为频域信号,并对时域信号和频域信号进行处理,进而求出信号的频率、频率响应、谐波失真和谐谱纯度等参数,绘制出频率谱、自能量谱、幅相谱、频率响应和功率谱等的谱图,为进一步分析信号提供必要的数据和波形。

时域分析：

信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波理后的特征值，这些特征值以一个数值表示信号的些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信特征值处理，并在测试VI前面板上直观地表示信号的特征值，可以给测试VI的使用者提供一个了测试信号变化的快速途径。

信号的特征值分为幅值征值、时间特征值和相位特征值。

频域分析：

尽管测量时采集到的信号是一个时域波形，但由于时域分析工具较少，所以往往把问题转换到频来处理。

信号的频域分析就是根据信号的频域描述估计和分析信号的组成和特征量。

频域分析包括频分析、功率谱分析、相干函数分析以及频率响应函分析。

通过系统的输入和输出的频谱，求得系统的传递函数，识别系统的动力学参数。

由于时域信号分为连续信号和离散信号，连续信号又可分为绝对可积、平方可积和均方可积；离散信号又可分为绝对可和、平方可和和均方可和，故对应的频谱也可分为多种。

对随机信号用FFT算法求出傅立叶频谱，并分别表示成实部和虚部。

本设计介绍了基于LabVIEW编程环境下的虚拟频谱分析仪的设计与实现过程。

该仪器充分运用了计算机强大的数据处理能力，实现了一般的频谱分析仪所具有的功能，增加了分析处理能力；不仅降低了仪器的研制成本，提高了测试效率，而且还大大增强了设计的灵活性。

由于时间短，设计人员理论知识欠缺，对软件编程和频谱分析知识掌握的欠缺，本设计只能简单实现一小部分功能，要想真正实现全部的功能，仍然需要花大量时间进行理论学习和实践，才能实现。

课程设计心得体会与展望

本次的课程时间很短，但是在课程设计中，我学到了许多的知识。

由于理论知识的欠缺和对软件的熟悉程度不够，一开始出现了很多问题，但是在同学的帮助学习下，我还是勉强完成了自己的目标。

首先是选题不太明确，没有一个明确的目标和设计方案，造成了盲目的查找材料。

选题对于我们来说是很重要的，选完题目，还要对labview这款软件进行学习，由于课堂学时有限，平时只是学到了简单的程序编写，本次的课程设计的对象是一个比较完整的系统，要想做好课程设计，我们就得对labview进行深入的学习，但是时间有限，很多东西都是现学现用，有些程序编写出来，可以运行，得到结果，但是无法理解其中的原理，我想这也是很多同学的共同体会，因为对自己的设计分析不够以及对软件的认识不够，造成的麻烦很多，所以，能否理解自己设计的原理和软件运行的原理，对我们的设计是很有利的。

这次课程设计时间虽然很短，但是我们学会了互相合作和自主学习新知识，将已学知识应用到实际的设计中去，这对我们的以后的学习有很好的指导意义。

通过这次设计，虽然我做的设计都是一些简单的东西，而且是参考别人的作品才做出来的，但是在这个过程中，我又获取了许多新的知识，而且对labview有了更深入的了解，拓宽了自己的知识面。

虚拟仪器解决了很多由于硬件条件问题无法实现的实验的问题，可以通过labview软件以及计算机实现对很多实验的模拟和仿真，对我们的学习有很大的帮助，对以后的工作也有很重要的作用，我们要认真去对待，珍惜每个学习和拓宽自己视野的机会。

感谢这次设计中老师和同学的帮助和支持，希望以后的学习中能和大家共同进步，一起去解决更多的问题。

参考文献

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