信号频谱分析演示仪讲义.docx
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信号频谱分析演示仪讲义
虚拟仪器课程设计
题目：
信号频谱分析演示仪
院（系、部）：
电气与控制工程学院
班级：
测控07—2班
姓名：
刘佳男
学号：
0705070210
指导教师：
王焱
完成日期：
2008年6月13日
辽宁工程技术大学
课程设计成绩评定表
学期
2009-2010
（2）
姓名
刘佳男
专业
测控技术与仪器
班级
测控07—2班
课程名称
虚拟仪器课程设计
论文题目
信号频谱分析演示仪
评定指标
评定指标
分值
得分
知识创新性
20
理论正确性
20
内容难易性
15
结合实际性
10
知识掌握程度
15
书写规范性
10
工作量
10
总成绩
100
评语：
任课教师
闫孝姮
时间
2010年6月18日
备注
课程设计任务书
一、设计题目：
信号频谱分析演示仪
二、设计任务：
基于对虚拟仪器课程的掌握，充分利用其技术，通过对流程图以及程序图的分析设计，通过采样取点将输入的信号进行正弦波仿真，并能够根据采样频率幅值相位等不同对同时得到的两个正弦信号进行分析演示。
三、设计计划
第1-2天查资料，熟悉题目；第3-5天方案分析，具体按步骤进行设计及整理说明书；第6天准备答辩；第7天答辨。
四、设计要求
1、针对实际问题，设计解决方法
2、以软件为主，可以进行相关硬件内容的设计
3、详细说明设计思路
4、形成设计报告
指导教师：
张美金
教研室主任：
刘宏志
时间：
2010年6月12日
摘要：
随着电子测试技术的不断发展，测试技术正向自动化、智能化、数字化和网络化的方向发展。
其中信号频谱分析演示仪作为测试技术的重要工具而被广泛使用于各个领域。
虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术。
与传统仪器技术不同，虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需要可以高效率地构建起形形色色的测量系统。
对大多数用户而言，主要的工作变成了软件设计。
虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限，可以将许多信号处理的方法方便的应用于测量中，并且为自动测量和网络化测量创造条件。
它是一种测试仪器和系统的概念及相关软件。
另外结合测试技术和仪器的专业知识介绍在LabVIEW实现虚仪滤波器虑测试信号。
也是高等院校中机械、自动化或信息技术相关专业学生必学的课程。
本课题基于对虚拟仪器课程的掌握，充分利用其技术，通过对流程图以及程序图的分析设计，通过采样取点将输入的信号进行正弦波仿真，并能够根据采样频率幅值相位等不同对同时得到的两个正弦信号进行分析演示。
本设计中两列正弦信号的得到是通过采样频率的不同得到的，用两个显示控件对经过FFT的信号进行显示。
此设计中可以很方便的通过改变显示控件的“分度值”而得到不同频率的信号波形，从而进行分析。
关键词：
虚拟仪器、LabVIEW、滤波器
综述
在对大规模、集成化、智能化及数字化电子仪器需求愈加迫切的形势下，计算机技术、仪器技术和通信技术相结合，在20世纪80年代，产生了具有里程碑意义的新一代仪器——虚拟仪器。
虚拟仪器的出现开辟了仪器技术的新纪元，经过了20多年的技术进步与发展，已经成为21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向，并且在研究、制造和开发等众多领域得到广泛应用。
通过这两天来在图书馆以及实验室翻阅的大量资料，使我想到在医学上是否已经广泛的利用了虚拟仪器的方便，尤其是在人体进行健康检查时的心脏脉搏等显示分析，于是我便把注意力集中在了信号频谱分析演示仪，对于同一个信号，可不可以根据不同需要同时进行分析。
要想对信号进行分析首先要考虑信号是如何得到的，什么信号最方便分析。
基于对虚拟仪器课程的掌握，充分利用其技术，使我明白，由于正弦信号同时具有频率、幅值、相位等特征所以可以作为最佳的分析信号，进行了一定的查阅资料后使我得知大部分正弦信号的得到都是利用采样的频率不同，于是我开始了设计方案的分析。
通过对流程图以及程序图的分析设计，首先需要通过采样取点将输入的信号进行正弦波仿真，并能够根据采样频率幅值相位等不同对同时得到的两个正弦信号进行分析演示。
本设计中两列正弦信号的得到是通过采样频率的不同得到的，通过FFT用两个显示控件对其输出信号进行显示。
此设计中可以很方便的通过改变显示控件的“分度值”而得到不同频率的同一信号，从而进行分析演示。
1虚拟仪器简介
随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术和现代测量技术的迅速发展，一种新型的先进仪器——虚拟仪器成为当前系统研究的热点。
第一节虚拟仪器简介
虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理。
在对大规模、集成化、智能化及数字电子仪器需求愈加迫切的形势下，计算机技术、仪器技术和通信技术相结合，产生了具有里程碑意义的新一代仪器——虚拟仪器。
虚拟仪器的出现开辟了仪器技术的新纪元，它是多门技术与计算机技术结合的产物，其基本思想逐步代替仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等，最终达到取代传统电子仪器的目的。
虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器硬件、数据分析处理、软件、通信软件极图形用户界面的又效结合，具有传统仪器所具备的信号采集、信号处理分析、信号输出等功能。
其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和测试仪器等。
虚拟仪器有以下优点：
1.利用了计算机丰富的软件资源。
实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统的灵活性。
通过软件技术和相应数值算法，实时直接地对测试数据进行各种分析与处理。
图形用户界面（GUI）技术的应用，真正的做到界面友好、人机交互。
2.基于计算机网络技术和接口技术。
虚拟仪器具有方便、灵活的互联能力
（Connectivity）,广泛支持诸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各种工业总线标准。
因此，利用虚拟仪器技术可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的网络化。
3.基于计算机的开放式标准体系结构。
虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点，用户可根据自己上的需要，选用不同厂家的标准接口产品，使仪器的开发更为高效，缩短仪器组建、开发时间。
4.具有很强的灵活性。
虚拟仪器的功能由用户自己定义，这意味着可自由的组合计算机平台、硬件、软件以及各种实现应用系统所需要的附件。
这种灵活性在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器是达不到的。
从传统仪器的转变，为用户带来了更多的实际利益。
上述虚拟仪器的特点不仅推进了仪器为基础的界面系统改造，同时也影响了以虚拟仪器为主的图形构造方法的进化。
过去独立分散、互不相干的许多领域，虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理。
虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，必将对科学技术的发展和工业生产产生不可估量的影响。
2虚拟仪器的概念
传统仪器一般是一台独立的装置，从外观上看，它是一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。
操作面板上一般有一些开关、按钮、旋钮等。
检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及打印输出等。
从功能方面分析，传统仪器可分为信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几个部分。
传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。
传统仪器大都是一个封闭的系统，与其它设备的连接受到限制。
另外，传统仪器价格昂贵，技术更新慢，开发费用高。
随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展，出现了数字化仪器和智能仪器。
尽管如此，传统仪器还是没有摆脱独立使用和受同操作的模式，在较为复杂的应用场合或测试参加较多的情况下，使用起来就不太方便。
这三方面的原因，使传统仪器很难事业信息时代对仪器的需求。
那么如何解决这个问题呢？
可以设想，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能，这就是设计虚拟仪器的核心思想。
所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。
虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。
虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。
用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的用户需求。
表2.1为传统仪器与虚拟仪器的比较一览表。
虚拟仪器作为一种新型的仪器种类，具有以下特点：
1）强调“软件即仪器”的概念，软件充当了仪器中相当重要的且以往由硬
件充当的角色。
2）打破了传统仪器小而全的现状，可以将信号的分析、显示、存储、打-9-
印和其它管理利用计算机来完成。
3）便于工作和管理，虚拟仪器技术是仪器的设计和管理统一到虚拟仪器
的标准，使得仪器管理规范，使用简便，维护费用低。
4）仪器自定义，科研和工程人员自己设计自己的仪器。
由于虚拟仪器的
开放性，用户可以方便地修改测试方案，构成各种专用仪器。
仪器的开发
周期短，升级容易，节省了硬件开发和生产的费用。
5）便于组成自动测试系统。
虚拟仪器充分利用计算机技术，可以对测试
方案进行编程；而且数据的远程传输、数据在软件之间的交换等，都使系
统组建变得灵活；计算机的存储、打印和网络化等功能也进一步增进了虚
拟仪器的功能。
表2.1传统仪器和虚拟仪器的比较
传统仪器
虚拟仪器
仪器厂商定义
用户自己定义
硬件是关键
软件是关键
仪器的功能、规模均已固定
系统功能和规模可通过软件修改和增减
封闭的系统，与其它设备连接受限制
基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网络及其它相应设备连接
价格昂贵
价格低，可重复利用
技术更新慢
技术更新快
开发和维护费用高
软件结构可大大节省开发和维护费用
多为实验室拥有
个人可拥有一个实验室
如果在计算机内插上一块数据采集卡，就可以把传统仪器的所有功能模块都集成在一台计算机中了。
而软件就成为了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国NI公司“软件就是仪器”一说的来历。
影响最大的虚拟仪器编程语言是美国NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI。
LabVIEW是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块迷失用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。
同时，LabVIEW继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点，支持模块化与层次化实际，这种结构的实际增强了程序的可读性。
LabWindows/CVI是美国NI公司所提供的另一套优秀的开发平台。
它以C语言为核心，将计算机软件实际平台与时间的采集、分析、处理及结果表达等仪器专业工具有机地结合起来，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、测量系统、数据采集系统及过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。
目前，虚拟仪器技术在国外发展很快，以美国NI公司为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器而设计的商品化一齐产品。
3LabVIEW简介
LabVIEW（laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench）是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接收，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW不仅提供了与遵从GPIB，VXI，RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还布置了支持TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数，而且图形化的编程界面使编程过程变得生动有趣。
LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用他可以方便的建立自己的虚拟仪器。
以LabVIEW为代表的图形化编程语言，又称为“G”语言。
使用这种语编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。
LabVIEW尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，可为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。
利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件。
LabVIEW是真正的32位编译器。
像其他软件一样，LabVIEW提供了Windows，UNIX，Linux和Macintosh等多种版本。
设计方案
1.前面板设计。
（1）五个输入型数字控件。
由使用者键入生成正弦波的频率fx、初始相位、幅值、总采样点数N与采样频率fs。
图一
（2）两个输入图形显示控件。
这两个控件横轴为时间轴。
应考虑到生成的信号频率跨度大，在0.1HZ～10HZ范围内；纵轴为电压轴，生成信号幅值的范围应充满整个显示画面，故选Graph显示器。
图二
2.注意：
a、在流程图中要使用RealFFT.vi图标。
b、bundle图标的使用。
为了读出每一根谱线的频率，Graph的横轴必须按频率进行分度。
因此采用采样频率除以采样点数，即基波频率作为“分度值”。
c、谱线的读取。
用鼠标右击Graph，弹出属性设置子模板，选择“SHOW”下的“CURSORDISPLAY”项，输入基波即“分度值”和各次谐波频率，即分度值的整倍数，则显示对应谱线的幅值，如果是其他的值将给不出显示。
3.设计完后的前面板和流程图如下图所示。
图四信号频谱分析演示仪前面板图
图五信号频谱分析演示仪流程图
4.运行检验
对正弦信号（幅值A=5.0V,频率fx=34HZ）进行FFT,并观察其幅值频谱图。
采样频率272HZ，采样点数为16时，记录各谱线的幅值。
采样频率544HZ，采样点数为16时，记录各谱线的幅值。
采样频率544HZ，采样点数为17、34时，记录各谱线的幅值。
观察是否有泄漏和栅栏效应现象出现。
图六采样频率272HZ，采样点数为16时前面板图
图七采样频率544HZ，采样点数为16时前面板图
图八采样频率544HZ，采样点数为17时前面板图
图九采样频率544HZ，采样点数为34时前面板图
方案综合评价与结论
此设计实验中可以即时清晰的对两列信号进行分析演示，从而得到不同的用途，同时也可以通过对“分度值”的改变进行不同信号的仿真。
但不足的是，此设计方案中若采样频率不是基波频率的整数倍则很有可能会有泄漏现象，导致其图形显示的不准确。
体会
一个星期的努力和忙碌，我终于顺利完成了本次设计任务。
本次设计是在考试后随即开始的，这样便实现了对我们刚刚学过的知识的一个巩固的过程。
在这次设计中，我首先经过在网上和杂志中获取大量信息，对虚拟仪器中的比较成熟的理论和热门研究方向有了深一步的体会后才选定了本次设计的题目；之后，我就开始了初步行动，我先去图书馆搜集大量的文献资料，经过分析与总结，对这个题目的内容有了一个大概的了解，又做了多方面的调研，比如上网查找大量资料等，在准备工作做充分后，就开始了本次设计。
设计过程中用到了FFT的正弦信号仿真、显示控件属性的设置、WHILE结构的实用等方面的知识。
通过本次设计使我对虚拟仪器这门课又有了一些新的认识，本来认为很茫然的一本书，现在一想内容也不是很多，并且都是基础知识，要想适应以后的工作需要，必须关注时下热门技术。
实践出真知，这次设计是我们对书本中学到的各个部分原理与实践相结合的一次综合运用，在书本中我们学到了大量的理论，在老师的讲解下那些理论理解起来并不困难，但是当我们将那些知识综合运用到设计中却遇到了很多意想不到的困难。
课程设计是一个增长知识的课堂，在此过程当中不断的认识自己，了解自己，从而提高自己，无论是在学习和生活上都让我收获到了很多，真正的做到通过整个实验过程对自己整个人生都有所影响，有所回报，这样才能使整个过程更加的有意义，也使自己的人生更加的充实。
在此设计当中，在克服重重困难的同时也使我产生了对本专业学习的乐趣，为以后的学习工作打下了坚实的基础，为以后的工作与学习赢得了必要的信心与决心。
我想在我们以后的学习当中应该留多一些时间走进实验室来锻炼我们的实践能力，同时我们也可以增加一些对课外知识的了解，有所重点的要我们认识一些日常学习中经常接触而书本上又未曾提及的东西。
这样无论是对于我们现在的学习还是对日后的工作都将是有很多好处的。
还有一点，我想在我们去实验室亲自动手的时候应该多多向专业的人士请教，对于我们设计实习来讲我想如果没有专业老师来指导那么我们会很茫然，我希望在以后的学习当中我们仍要延续这种精神，敢于请教别人，舍之糟粕，取己之长，使我们的学习不再盲目，这样我们的学习一定会更加的轻松愉快，同时也会增加我们对这一学科学习的喜爱与学好这一学科的信心。
参考文献：
1、陈栋，岳林．LabVIEW和PCI_4472虚拟测试仪器的研制[J]．中国测试技术，2005;31（3）：
118～120
2、刘君华主编.虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI教程.北京：
电子工业出版社,2002
3、杨乐平，李海涛等.虚拟仪器技术概论.北京：
电子工业出版社，2001
4、宋宇峰.LabWindows/CVI逐步深入与开发实例.北京：
机械工业出版社，2003
5、张毅刚，乔立岩.虚拟仪器软件开发环境LabWindows/CVI6.0.北京：
机械工业出版社，2002
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