基于LabVIEW的频谱测量仪研发及实现
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摘要:虚拟仪器是仪器发展的最新方向之一,已成为信息技术的一个重要领域,并对科学技术的发展和工业生产产生了重要的影响。因此,引入到频谱测量仪的虚拟仪器技术研究具有切实可行的实际意义。该文采用虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW构建的频谱测量仪,减少了测试过程中的硬件设备,节约了仪器成本,解决了传统仪器的频繁使用,损坏现象较为严重的问题,同样实现了对信号的实时采集、处理、分析和显示的目的,达到良好的效果。
关键词:虚拟仪器;频谱;LabVIEW
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)21-5940-03
Development of Spectrum Analyzer Based on LabVIEW
CHEN Gong-xing
(Eletrical Engineering Department, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510540, China)
Abstract: Virtual Instrument appearance is the revolution of the instrument field,has made great influence on the development of technology and the production of industry.Virtual Instrument is the latest development orientation of instruments,it has become the important field of information technology.Therefore,it is of feasible significance in Virtual Instrument research applied to spectrum measurement.Therefore,the paper researches the portable spectrum measurement composed by LabVIEW.Real-time data acquisition and analysis can be achieved by signal spectrum test system.At the same time,the equipments will be reduced with the graphic programmable language LabVIEW.It can save the cost of equipment,sove the more serious problem that traditional instruments are used frequently so that damage phenomenon is more serious.
Key words: virtual instrument; spectrum; LabVIEW
随着我国教育体制改革的深化,招生规模不断扩大,学生人数剧增,使许多学校的设备也难以满足实验教学的需要,但由于仪器元件的频繁使用,损坏现象也较为严重。而虚拟仪器技术代表着当今仪器技术发展的最新方向。因此,引进虚拟仪器技术,对改革传统的实验教学和测试领域是非常必要和紧迫的,也大大节约了仪器成本。
在实际应用上,如果只利用传统仪器测试音频信号的频谱,很难满足用户自定义的要求,并且它的工作界面是固定的,又不灵活的。如果用其它文本语言编程它的测试系统,那么它的开发周期一般较长,编程程序较复杂。而LabVIEW采用强大的图形化语言编程,编程非常方便,人机交互界面直观友好,具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力[1]。因此,引入虚拟仪器技术,能够更好地解决了存在的这些问题,而且能够更直观、图形化地研究被测量信号的频谱分析。并且频谱分析在生产实践和科学研究中有着广泛的应用。
1 频谱分析原理与算法
频谱分析是信号分析处理中常用的分析方法,主要是在频域上对信号进行处理、分析以及显示,是研究信号的频率结构,即求取其分量的幅值、相位按频率的分布规律并建立以频率为横轴的各种“谱”。同时,频谱分析也是处理信号的重要步骤和必要的保证。任何信号都可以视作无限个不同频率的正弦交变信号的叠加,在数学上它由傅立叶序列来表述。假设有一周期信号x(t),其周期为T那么它的傅立叶序列为
(1)
式中,a0,an,bn为傅立叶系数,fn为各次谐波的频率。
对于某一瞬时态信号可以设定其周期T趋向无穷大,这时序列可以化为
(2)
这里傅立叶系数变为连续的频率函数:
(3)
式(3)即是著名的傅立叶变换[2],式(2)是傅立叶反变换。如果将信号x(t)经A/D采样变成数字信号序列x(n),则对照式(3)可以得出离散傅立叶变换及其逆变换如式(4)和式(5)所示:
(4)
(5)
式中n,k为序列号,N为数字信号序列的点数。
若A/D转换的频率为fs,且采样点数为偶数,则序列号k=N/2处代表的频率为fs/2,序列号k=1处代表的频率为fs/N,其他k代表的频率以此规则类推。当采样点是2的整数次方时,即可用著名的基2的FFT算法进行快速运算,获得Y(k)。一般Y(k)的值是复数,对其求模即得该频率下谱的幅度,一系列的模则构成x(n)的离散化的幅度谱(即通常讲的频谱),基于FFT的谱分析称为线性谱分析。当k固定时的Y(k)的虚部与实部之比即为该频率成分下的相位,由此还可以构成相位谱。
2.1 频谱测量仪人机界面搭建
计算机是频谱测量仪硬件平台的核心,通过信号调理器和I/O接口设备(数据采集卡DAQ)完成被测信号的采集、调整、放大、模/数转换,再利用LabVIEW开发平台编制的应用程序实现对信号的时域波形显示和频谱分析。在研发过程中,频谱测量仪的人机界面模块是由输入模块、分析模块、处理模块和显示模块四个模块构成的,其结构如图1所示。信号发生模块是用于产生所需的各种测量信号,包括正弦波、三角波、锯齿波、方波和外界物理信号。同时其频率、幅值、相位可以进行控制,并且每个通道信号可以选择和添加各种干扰噪声等,仿真和对比外界信号。分析模块主要是对产生信号经过信号处理后所得信号进行分析和测量,主要完成以下功能:时域分析、谐波分析和频域分析。显示模块主要用于显示信号波形、时域波形图和频域的功率谱波形、幅值谱波形及相位谱波形。并可根据需要进行线性或对数显示,同时显示时域特征值的测量值和谐波分析的测量值。
2.2 频谱测量仪的LabVIEW软件编程及实现
频谱测量仪软件是由应用程序和I/O接口仪器驱动程序构成的。I/O接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。虚拟仪器的应用程序,实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能,完成信号的分析、处理、显示和输出。在编程之前先DAQ数据采集卡[3]和I/O硬件设备驱动程序[4],然后在LabVIEW8.20开发环境的程序框图中进行编程。其中,频谱测量仪的程序是对信号产生,加窗函数选择,滤波器选择,信号参数设置,时频域分析等部分进行编程,如图2所示。
3 实验调试与结果分析
利用LabVIEW中提供的“选项控制”对前面板的显示按不同功能,分为产生信号、时域分析和频域分析等选项。信号产生选项上包括信号产生参数设置、信号处理设置和原始信号的显示,如图3所示。
时域分析选项包括滤波后的时域波形图和加窗函数后的波形图,并且显示时域分析和谐波分析所得的测量值,如图4所示。
频域分析选项主要包括有信号功率谱、幅值谱和相位谱的显示,如图5所示。
4 结论
虚拟仪器的出现,彻底打破传统仪器由厂家定义,用户无法改变的模式,它给用户定义,并发挥自己的才能、想象力的空间。因此,只要有计算机,信号调理板卡,数据采集卡和LabVIEW软件,就可以无需添加任何硬件构成便携式测量仪。这样的仪器可以代替传统实验仪器,减少了硬件设备的需求,降低了远程实验系统的成本,易于推广。有兴趣的话,可以采用基于LabVIEW的高分辨力ZOOM-FFT非线性谱分析方法代替基于LabVIEW的FFT线性谱分析方法,使感兴趣的重点频区得到较高的分辨率,若轮流按频区逐段细化,还可以使整个频谱图得到详细的分析和更深刻的研究。
参考文献:
[1] 刘芸,孙钦利,邢俊红.基于LabVIEW的声卡数据采集系统设计[J].现代电子技术,2007,14(253):177-179.
[2] 何正嘉,訾艳阳,张西宁.现代信号处理及工程应用[M].西安:西安交通大学出版社,2007.
[3] 陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出饭社,2007:214-221.
[4] 许林烽,倪天权.基于LabVIEW与DataSocket的测试系统设计[J].传感器与仪器仪表,2006,22(12-1):166-168.
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文