虚拟频谱分析仪的设计.doc

精选优质文档-倾情为你奉上 学校代码： 10128学号： 200710107062 本科毕业论文题 目：虚拟频谱分析仪的设计学生姓名：学 院：系 别：专 业：班 级：指导教师：二 一 一 年 六 月专心-专注-专业摘 要随着科学技术的不断发展，技术水平的不断提高。电子技术正在受到人们的极大关注，而能够代替实物，节约资源与成本的虚拟电子技术更是受到人们的追捧。频谱分析仪作为信号分析的主要工具之一，受到人们的重视。虚拟频谱分析仪正是在这样一种背景下，得到了长足的发展。虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言，利用LabVIEW可以方便地建立各种虚拟仪器。本课题中设计的虚拟频谱分析仪，是基于软件LabVIEW8.2设计的模块化虚拟分析仪。本课题设计的虚拟频谱分析仪主要实现的功能，是对信号的采集，然后进行滤波除噪，加窗修复，傅里叶变换等一系列处理，分析原始信号各个频率成分的的幅值和功率，即获得幅值谱和功率谱。关键词：LabVIEW，虚拟仪器，频谱分析，幅值，功率AbstractWith the development of science and technology, and the technical levels rising， Electronic technology is under people's attention, and electronic technology which can replace physical, save conservation of resources and cost of virtual is gained by people. A spectrum analyzer as one of the main signal analysis tools has got attention by people. Virtual spectrum analyzer which is in this kind of background, obtained the considerable development. Virtual instrument is mixing instrument technology、 computer technology 、 the bus technology and software technology closely together, using a computers powerful digital processing power to realize the function of most of the instruments, has broken the traditional instruments and the framework of the formation of a new instrument mode. LabVIEW Laboratory (and of ground Engineering Workbench) is a graphical programming language, using LabVIEW can easily set up all kinds of Virtual Instrument. This topic which is in the design of virtual spectrum analyzer is based on the modular design software LabVIEW8.2. This topic designing virtual spectrum analyzer is wanting to realize the main function, which is to collect signal, and then to filter, window function and repair except noise, Fourier transform, and so on. Its purpose is to analysis the original signal with each frequency components of the amplitude and power ,that is say, get amplitude spectrum and spectrum. Keywords: LabVIEW, virtual instrument, spectrum analysis, amplitude, Power目 录第一章 绪论1.1国内外现阶段虚拟仪器的发展状况虚拟仪器从二十世纪八十年代开始引起人们关注，之后迅速发展。经过数十年的发展，其所涉及领域不断扩大，在对电子测量、实验教学、测量分析、航天测控、工程过程控制等领域逐步替代了很大部分的传统测量仪器，产生了很大的经济和社会效益。在过去的几十年里，仪器测量技术得到了长足的发展，发展过程大致经历三个阶段，即模拟仪器、数字仪器和智能仪器。但共同特点是“信号采集和控制、分析与处理、结果的表达与输出"三大功能模块，而这些模块原来只能由厂家来制造定义、，那样的话就会使仪器功能固定化、灵活性差。在如今的计算机技术支持下，将仪器与计算机结合进行测试，如将仪器的信号分析处理、结果输出表达放到计算机上完成，或将仪器的三大功能设计模块全部放到计算机上来完成，是完全可以实现的，在这种需求的背景条件下顺理成章诞生了虚拟仪器。虚拟频谱分析仪是在当今计算机技术与电子科学技术快速发展的大背景下，充分发挥了计算机的功能，用软件发挥其更加重要的作用，推进了虚拟频谱分析仪的迅速发展。在这种背景下，虚拟频谱分析仪向着高速、高效、高可靠性和高精度以及智能化、自动化、网络化和模块化的方向发展，并且越来越能突显其方便性和灵活性，并能够满足多数用户的要求。虚拟频谱分析仪技术兼顾了虚拟仪器的有点，因而它有虚拟仪器的便捷性和灵活性，因此构建虚拟频谱分析仪的时候就会显得非常方便。不论是在国内还是国外，相关专家指出，在今后一段时间，数据系统的开发和设计还将面临一个非常重要的时期，无论是开发快速通信系统，还是一些其它的计算机系统等，用户都会越来越倾向于使用一台频谱分析仪和一台示波器，同时从不同的角度全方位地分析和捕获系统中的信号，进而解决来源于不同方面的问题。因此虚拟频谱分析仪对于测试方面来说是非常重要的一方面。1.2课题的目的和意义本课题是基于现有的水平，通过对国内外期刊文献的研究，在老师的指导下，开发一种低耗费，高效节能，方便快捷的虚拟频谱分析仪。设计的仪器要能满足普通教学的需要，还要具有对信号实测的功能。本课题的主要意义有：1.打破传统的诸多局限性。虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。虚拟仪器与传统仪器相比，具有以下优势：（1）虚拟仪器用户可以才艮据自己的需要灵活地定义仪器的功能，通过不同功能模块的组合可构成多种仪器，而不必受限于仪器厂商提供的特定功能。（2）虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性。（3）由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器设各连接比较容埸实现。而且虚拟仪器可以方便地与网络、外设及其他应用连接，还可利用网络进行多用户数据共享。（4）虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线总线 总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。 将数据传输到存储器存储器存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。它根据控制器指定的位置存进和取出信息。 全文或打印机。这样做一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机的存储能力，从而使虚拟仪器具有几乎无限的数据记录容量。 （5）虚拟仪器利用计算机强大的图形用户界面（GUI），用计算机直接读数。根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。（6）虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用。2.促进教学质量，提高学生实践能力。本课题是希望学生通过学习LabVIEW这个图形化编辑语言来实现并深入研究信号频谱分析的过程，通过此课题，可以加深学生对传统信号频谱分析仪和现代虚拟信号频谱分析仪的认识。提高对计算机的实际应用能力，同时认识到虚拟技术在现代工程中的实际应用价值，与人才培养目标相符合。同时，通过亲自对信号采集、信号分析、信号分析等专业理论知识的综合应用，提高学生的实践能力，为以后的工作学习打下基础。此外，虚拟仪器的开发也为学校教学提供了一个弥补实物教学工具不足的强有力保证，改善了教学的设施建设。1.3课题的主要工作基于LabVIEW8.2设计的本课题，主要涉及以下几个方面的工作和问题。1. 熟悉了信号的基本概念、成分构成、特性以及一些基本的频谱分析理论知识。2. 学习使用软件LabVIEW的基本知识和使用方法。并能够利用LabVIEW所设计的虚拟频谱分析仪实现传统频谱分析仪的基本功能。3. 对典型信号能够分析其频率构成，通过信号采集、频谱分析处理之后，给出幅值谱和功率谱等信息。在LabVIEW系统开发的软件上进行仿真运行，调试，保证结果正确，界面美观便捷。第二章 虚拟仪器及LabVIEW的相关理论知识2.1虚拟仪器简介虚拟仪器技术即利用高性能的模块化硬件，结合灵活高效的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具应用于产品设计周期的各环节，从而改善了产品的质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品生产开发和生产效率。使用集成化虚拟仪器环境与现实世界的信号相连接，分析数据以获取需要的实用信息，共享信息科技成果，有助于在较大的范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。其实所谓的虚拟仪器（Virtuai Instruments）简单来说，就是通用计算机为核心的硬件平台，由用户设计自定义，具有虚拟可视面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机虚拟仪器系统。用户用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台传统专用的实际测量仪器。虚拟仪器的诞生使测量仪器和个人计算机的界限模糊了。虚拟仪器的实质就是利用计算机显示器的屏幕显示功能来模拟传统仪器的控制显示面板，以多种可视形式表达输出检测结果，利用计算机软件的强大功能实现信号数据的分析、运算和处理，利用I/O串口接口设备完成信号数据的采集、测量与调理，从而完成各项要求测试功能的一种计算机虚拟仪器系统。“虚拟”主要包含以下两个方面。2.1.1虚拟仪器的两个面板虚拟仪器前面板和后面面板上的各种控件与传统仪器面板上的各“仪器”所完成的功能是完全相同的。如各种按键、开关、显示器等实现仪器电源的“闭合”、“断开”，测量数据结果的“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的所有器件都是实物，而且是用人工手动进行操作的，而虚拟仪器面板上的控件是外形与实物相似的虚拟图标，设计虚拟面板就是在面板设计的窗口中摆放完成固定功能所需要的控件，然后编写相应的程序。大多数初学者都可以利用虚拟仪器的软件来开发简单的测量工具（如labWindows/CVI/、LabVIEW等软件编程语言），在较短时间里轻松完成实用而又美观的虚拟仪器前面板的设计。2.1.2 由软件编程来实现虚拟仪器测量功能在PC为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅能通过软件编程来实现传统仪器的基本测试功能，还可以通过不同测试分析功能的软件模块组合来实现多种测试功能。因此在硬件平台确定后就有“软件就是仪器”的说法。这也充分体现了测试技术与计算机虚拟技术的结合。2.2虚拟仪器的组成虚拟仪器由软件和硬件两部分组成。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机。为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数字/转换器（ADC）、数字/模拟转换器（DAC）、数据采集器（DAQ）等。电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器硬件的平台的基础。2.2.1 虚拟仪器系统的硬件构成 虚拟仪器硬件系统一般可分为测控功能硬件和计算机硬件平台。计算机硬 件平台可以是各种各样类型的计算机，如台式机、PC机、嵌入式计算机、工作站等。硬件管理着虚拟仪器的所有软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因而，计算机技术在显示、处理器性能、存储能力、总线标准、网络等方面的发展，促进了虚拟仪器系统的快速发展。 依据测控功能硬件的不同分类，VI可分为DAQ、VXI、GPIB、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换等。 2.2.2虚拟仪器系统的软件构成 测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司推出第一批实用成果并提出虚拟仪器系统概念时，就用软件系统就是用仪器来表达虚拟仪器的特征，强调设计软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简明的虚拟仪器开发软件平台。用户可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件平台的提示下编制不同的满足需要的测试软件，来实现当代科学技术复杂而又多变的测试任务。在虚拟仪器系统中，传统仪器的某些硬件用灵活强大的计算机软件代替，特别是系统中，测试信号的产生和测量特性的分析应用计算机直接参与，使传统仪器中的某些硬件甚至整个仪器都从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来代替完成它们的预期功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分，即仪器面板控制软件、数据分析处理软件、仪器驱动软件、通用I/O接口软件等。2.3虚拟仪器的特点与优势比起传统测试仪器，虚拟仪器有着无可比拟的优势，总体来说，虚拟仪器有以下优点。1.虚拟仪器的软硬件具有模块化、开发性强、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的功能，可以方便随意的加入或更换一些通用仪器模块，而不用花费另外的经费购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展，并且产生了一定的经济效益。2.用户可以自由定义实现仪器功能。由于仪器的特定功能可以在用户级上产生，它不再完全由仪器生产厂家来提前设定，用户可以完全根据自己的需要，通过修改或增加软件，为虚拟仪器增加新的测试功能而不用去购买一台全新的仪器3.测试分析输入信号特性（如频率、电压、上升时间等）只需要一个量化的数据模块即可，需要的信号特性能被数据处理器计算显示出来，这种将多种测试功能集于一体的方法缩短了测试的时间，提高了测试的效率。4.嵌入式数据信息处理器的出现能够建立一些功能的数学模型，使测试数据不会随时间推移发生变化，因此可以保证测量的重复性和精度，不需要定期的进行校准维护。由于虚拟仪器系统测量值不会受电缆的阻抗、长度和修正因子差异等因素的影响，从而进一步提高了可重复性和测量精度。2.4虚拟仪器的应用虚拟仪器技术应用面十分广泛。尤其在检测计量、科研开发、测量测控等领域更是不可多得的好工具。它功能特别强大，可实现编辑分析仪、示波器、信号发生器、频谱仪等多种普通传统仪器全部的功能，再配以专用的软件和探头还可以检测特定系统的数据参数，如血液脉搏、汽车发动机参数、炉窑温度、心电参数等多种数据。在工业生产控制领域中，大部分闭环类控制系统要求精确的信息采样，及时的数据信息处理和快速的数据计算传输。开发的虚拟仪器系统恰恰符合上述的特点，十分适合测控一体化的研究与设计。在产品的制造业，虚拟仪器巨大的数据吞吐能力和卓越突出的计算能力使其在线监控系统、温度压力测控系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥着更大更多的作用。当今社会科学技术的迅速发展，无所不在的计算机现实应用为虚拟仪器的推广传播提供了良好的基础。虚拟仪器适于一切需要计算机辅助进行数据处理、数据存储、数据传输的计量测试场合。更进一步来说，一切的计量测试系统，只要在技术上可行，理论上都能用虚拟仪器代替。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得在仪器计量测试领域具有十分广阔的发展前景和强大的生命力。2.5 LabVIEW概述2.5.1 LabVIEW知识简介LabVIEW是一种程序开发软件环境，由美国国家仪器（NI）公司研制并开发的，有点类似于BASIC和C的开发环境，但是LabVIEW与其他计算机程序语言的显著区别是：其他计算机程序语言都是采用基于文本的语言产生代码，而软件LabVIEW使用的是易懂的图形化编辑语言G来编写程序，产生的程序是以框图的形式展现。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程语言系统，有一个用来完成任何编程任务的庞大控件函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、数据分析、GPIB、数据显示、串口控制及数据存储等等。LabVIEW也拥有传统的程序调试工具，如设置断点、单步执行、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果等，便于程序的设计调试。LABVIEW的图标如下图：图2-1 LABVIEW图标LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）广泛地被学术界、工业界和研究开发实验室所接受，是一种图形化软件编程语言的开发环境，被视为一个标准的数据采集和仪器测试控制软件。LabVIEW集成了满足VXI、GPIB、RS-485和RS-232协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内部设置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能十分强大并且灵活多变的软件。用户利用它可以方便地建立自己所需要的虚拟仪器，其图形化的设计界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的软件程序语言，又称为“”语言。它主要的方便之处就是，在只有一个硬件的情况下，可以通过改变软件，来实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件。现在的编程图形化主要是指上层的系统，国内已经开发出图形化的单片机语言编程系统（支持32位嵌入式系统，并且可以扩展），并且在不断的完善中(搜索CPUVIEW会有更详细信息）。2.5.2 LABVIEW的基本程序构成LabVIEW主要包括两个面板。一个是直接面向用户用于人机交流的前面板，另一个则是程序面板。前面板窗口（如图22）是图形化用户界面，即人机信息交流界面，也就是VI的虚拟仪器设计面板，相当于实际传统仪器的控制面板，它将程序和用户联系起来，是程序运行时输入和显示的信息交互窗口。如下图2-2所示，图中可直接看到用户输入和显示输出两类对象，具体表现有图形、开关旋钮、修饰、列表以及其他控制对象。图2-2 LabVIEW前面板程序框图窗口（如图2-3）是提供VI的图形化程序，相当于实际传统仪器箱内的东西，在程序框图中程序员需要用图形化语言来编写LabVIEW程序源代码，以能够操作和控制定义在前面板上的信号输入和输出功能。如图2-3所示，程序框图中主要包含前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有的，但在编程时必须有的图形化功能模块，例如信号处理、结构和连线、数组等。图2-3 LabVIEW程序面板在程序框图种，模块接口之间的连线即数据线。信息数据通过数据线在功能模块之间传递。LabVIEW不像一般程序语言那样，按照语句的顺序一行一行的执行，它是依靠在数据线上传输的信息数据来控制程序的，只有当模块所要求的输入数据完全到达这个功能模块时才能运行，然后向其所有的输出端口输出处理后的信息数据，这些数据再沿数据线流向其它的功能模块进行数据信号分析。第三章 频谱分析仪的功能分析3.1传统频谱分析仪的基本原理3.1.1 传统频谱分析仪的基本概念 频谱分析仪是研究电信号频谱成分结构的仪器，可用于信号失真度、谱纯度、调制度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，也可用以滤波器和测量放大器等电路系统的某些参数测量，是一种多用途的电子信号测量仪器。它又被称为跟踪示波器、谐波分析器、频域示波器、分析示波器、傅里叶分析仪或频率特性分析仪等。现代化的信号频谱分析仪能以数字方式或者模拟方式显示输出分析结果,能分析1赫以下甚至低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号参数。仪器内部如果采用微处理器和数字电路，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。频谱分析仪是对无线电信号进行测量处理的必备手段，是从事电子产品研究开发、工业生产、科研检验的常用工具。因此，应用十分的广泛，被人们称为工程师的射频万用表。现代频谱分析仪则是基于快速傅里叶变换(FFT)的频谱分析仪，通过傅里叶变换运算将被测信号分解成各自分立的频率分量,达到与传统频谱分析仪同样的测量结果。新型的这种频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号数据进行取样,再经FFT处理后获得频谱分布图，然后进一步进行处理输出。 图3.1 频谱分析仪3.1.2 传统频谱分析仪的基本分类及技术指标1.频谱分析仪分为扫频式和实时分析式两类。 扫频式频谱分析仪它是具有显示输出装置的扫频超外差接收机，主要用于周期信号和连续信号的频谱分析。它的基本工作原理是：扫频振荡器作为本地振荡器，它的输出信号和被测量信号中的各个频率成分分量在混频器内按序依次来进行差频变换，其所产生的中频波段信号通过窄带滤波器后再经过检波和放大，加到视频放大器作为示波管的垂直偏转信号，使显示屏幕上的垂直显示结果正比于各频率分量的实际幅值。锯齿波扫描发生器所产生的锯齿电压控制本地振荡器的扫频，锯齿波电压同时还用作示波管的水平扫描，从而使得屏幕上的水平结果显示正比于频率。 实时式频谱分析仪在存在被测信号的有限时间内来进行提取信号的全部频谱信息进行分析并显示其结果的仪器主要用于分析持续时间很短的暂态过程和非重复性平稳随机过程，也能分析40兆赫以下低频信号或者极低频连续信号，能显示相位和幅度。傅里叶分析仪是实时式信号频谱分析仪，其基本的工作原理就是把被分析信号的模拟信号经模数变换电路转换成数字信号后，加到后续的数字滤波器进行傅里叶分析；由中央处理器控制的正交型数字本地振荡器产生按余弦律变化和按正弦律变化的数字本振信号，也加到数字滤波器中与被测量信号作傅里叶分析。分析结果也可直接送到打印绘图仪或通过标准接口与计算机相连。2.频谱分析仪的主要技术指标频谱分析仪的主要技术指标有频率范围、分析谱宽、分辨力、分析时间、灵敏度、扫频速度、显示方式和假响应。3.1.3传统频谱分析仪的主要功能频谱分析仪的主要功能为以下六项： 1.频率设置 2.基准电平设置 3.带宽、扫描时间、触发控制设置 4.跟踪发生器设置 5.跟踪控制设置 6.利用标记功能测量回波损耗(以dB为单位)3.2虚拟频谱分析仪的工作原理虚拟频谱分析仪用户可以通过键盘或鼠标操作LabVIEW前面板上的旋钮、按键、开关、数值输入等，去选用设计频谱分析仪的功能，设置各种参数，启动或者停止一台仪器，用户还可以根据自己的需要来定义仪器的其他附加功能。虚拟频谱分析仪主要由labVIEW软件来设计，控制完成信号的数据采集、信号波形处理和结果输出显示功能。其设计思想的流程图如下图3-2所示。 图3-2 流程图基于LabVIEW设计的虚拟频谱分析仪，包括前面板后和面板的设计。先利用仿真信号进行测试。前面板提供了信号的类型选择卡，可以通过其选择输入的仿真信号，例如，可以选择加噪声的正弦波信号、方波信号、三角波信号等。此外类似的设计还有滤波器的选择等。此外，对信号的频率、幅值，滤波器的采样频率等，在前面板都是可以调节的。此外，在前面板上，可以显示输入的原始波形，滤波后的波形，以及进行信号处理之后的结果显示，例如，幅值谱，功率谱，以及功率幅值的峰值估计等。虚拟频谱分析仪根据用户的需要，由用户自主设计开发，简便高效。3.3虚拟频谱分析仪的功能分析根据实验所用真实传统频谱分析仪前面板和功能要求，设计虚拟示波器主要功能有：（1）信号类型选择的控制：；（2）动态显示通道选择控制送来信号的波形；（3）分别显示滤波前后信号的波形变化；（4）可以动态调节信号的频率、幅值，以及滤波器的采样频率及类型的选择；（5）动态的测量并显示信号分析后幅值谱、频率谱等相关的参数；依照上述的这个设计目标和功能要求，借助虚拟仪器开发软件LabVIEW构建虚拟频谱分析仪，利用显示器件及相关控件模块构建频谱仪前面板，利用相关函数模块编制框图程序，通过软件中的仿真信号实现测试对象到计算机之间的信号数据采集、传输，从而完成虚拟频谱分析仪的整体功能要求。这样就将一个具有测试功能的频谱分析仪完成了。与传统的频谱分析仪相比，有以下几大优点：1.用户可根据自己的需要，自主设计频谱仪的功能，可开发性强。不再像传统分析仪一样，只能由厂家生产设定。2.设备维护费用低，产生了经济效益。3.功能强大，设计快捷，携带方便。3.4虚拟频谱分析仪的发展前景虚拟频谱分析作为一种新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活，它已被广泛应用于波形测量、信号的性能分析、声学分析、生物医疗、教学及科研等诸方面。随着各种计算机新技术的发展，虚拟频谱分析仪将会向高效、高速、高精度、高可靠性以及自动化、网络化和智能化的方向发展，并且会越来越大众化和小型化。再加上开放式数据采集标准将使虚拟频谱分析仪走上标准化、通用化、系列化和模块化的正规道路。虚拟频谱分析仪作为教学的一种新手段，已经慢慢地走进了电子技术的课堂和实验室，正在改变着电子技术教学的传统教学模式，这也是现代发展、时代教育发展的必然趋势。随着测试测量仪器的数字化、计算机化的发展趋势，传统的测试仪器渐渐的有着被取代的趋势。如果运用虚拟仪器的技术，以计算机作为基础，构建集成化测试平台，代替常规仪器仪表，不但满足电工电子实验教学的需要，而且将这批微机可作为其他有关计算机课程的教学使用，大大的提高了设备利用率，降低了实验室的教学建设成本。当前应该解决的是如何使虚拟仪器和现有仪器的结合，挖掘现有仪器的潜力，达到逐步淘汰和取代传统仪器的目的。总之，电子测试仪器的数字化、计算机化的发展方向，是电工电子实验室的最佳选择。目前国家正在加大对教育改革的投入，这正是革新实验室装备的黄金阶段。同时，虚拟仪器技术的出现，又在技术上提供了一定的条件支持。这样也就使我们以可以承受的代价赶上国外的电工电子实验室的最先进水平成为了可能。通过使用虚拟仪器教学，学生可以在相同课时内同时学习电子技术和计算机技术的使用技巧。不但掌握了通用电路的测试技巧，同时加强对电路原理的理解，而且还接触了先进的技术，从一个更高的起点面对明天的世界。第四章 虚拟频谱分析仪的设计4.1信号频谱分析的知识简介在利用LabVIEW软件进行设计前，对信号的理论知识必须清楚。如一些常用信号的频谱分析理论结果，傅里叶变换的知识等。信号的时域描述只能反映信号的幅值随时间的变化情况，一般很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量的大小。图4-1是一受噪声干扰的多频率成分周期信号，从信号波形上很难看出其特征，但从图4-2的功率谱上却可以判断并识别出信号中的四个周期分量和它们的大小。信号的频谱X(f)代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观、更丰富的信息。图4-1 受噪声干扰的多频率成分周期信号的波形图4-2 受噪声干扰的多频率成分周期信号的功率谱频谱是构成信号的各频率分量的集合，它完整地表示了信号频率的结构。即信号由哪些谐波组成，各谐波分量的幅值大小及初始相位，从而揭示了信号的频率信息。频域分析的意义在于使人们能够在频域中观察一个信号的特征，通过频谱可以方便地观察和分析信号的频率组成成分。4.1.1 信号频谱分析的方法信号的频谱可以分为幅值谱、相位谱、功率谱等等。对信号做频谱分析的仪器主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式两种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时域频域的关系转换分析。本文设计的是数字式频谱分析仪，设计过程中采用快速傅立叶变换。傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个重要工具8910,它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号X(t)变换为频域信号X(f)。时域信号X(t)的傅立叶变换为： (4-1)式中X(f)为信号的频域表示，X(t)为信号的时域表示，f为频率。4.1.2 周期信号的频谱分析周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件： (4-2)。从数学分析已知，任何周期函数在满足狄利克利（Dirichlet）条件下，可以展开成正交函数线性组合无穷级数，如正交函数集是三角函数集或复指数函数集,则可展开成为傅立叶级数，通常有实数形式表达式： （4-3）直流分量幅值为： （4-4）各余弦分量幅值为： （4-5）各正弦分量幅值为： （4-6）周期信号的三角函数展开式的另一种形式为： （4-7）直流分量幅值为： （4-8）各频率分量幅值为： （4-9）各频率分量的相位为： （4-10）式中，T周期，；-基波圆频率；f0基波频率；。为信号的傅立叶系数，表示信号在频率f0处的成分大小。傅立叶级数的复指数展开式： （4-11） （4-12）其中：；。工程上习惯将计算结果用图形方式表示，若分别以作图，则可得其幅频谱图和相频谱图；也可以分别以的实部或虚部与频率的关系做幅频图，并分别称为实频谱图和虚频谱图。周期信号的频谱具有三个特点：1、周期信号的频谱是离散的，由一系列冲击函数组成离散频谱。2、每条谱线只会出现在基波频率的谐波频率处。3、各频率分量的谱线高度表示该谐波分量的幅值或相位角。4.1.3快速傅里叶变换（FFT）快速傅里叶变换是对DFT的算法进行改进获得的。能在工程实际中用来减少计算次数，缩短计算时间的快速算法，简称FFT。当信号的采样点数是2的幂时，就可以采用这种方法。LabVIEW提供了FFT图标，可供直接调用进行快速频谱分析。问题在于如何选取采样的时间间隔，取多少个采样点N，截取长度应为多大，以保证频率分析的精度。1、栅栏效应对于一个无限长的信号，其频谱是连续的，要利用计算机对它进行频谱分析时，必须将它截断，使其成为有限长度为的信号。经过有限截取的信号就转化为周期为的周期信号。相应的，频率由原来的连续谱变为离散谱。于是在离散谱之间的频率分量就被“挡住”而丢掉，这就相当于透过栅栏观赏风景，只能看到频谱的一部分，而其它频率点看不见，由于用数值方法只能算出连续频谱中N个抽样点处的值，因此很可能使一部分有用的频率成分漏掉，它不能代表频谱的完整分布，这以现象称为栅栏效应。例如：截取信号长度为,则可获得谱线的频率为(基波)，,。如果信号有的峰值分量，则被栅栏挡住而无法检验出来。这种情况可以通过提高频率的分辨率F来改善：。增大T将会减小采样频率，故需注意必须保证满足采样定律。增大N，要满足的要求。对于某些衰减信号可以采取补零来增加N的数值。2、泄漏时域无限长信号被截断，相当于用矩形窗函数或0（其它）与相乘，窗外时域信息全部损失，导致频域增加频率分量的现象。4.2虚拟频谱分析仪的整体设计本课题设计的虚拟频谱分析仪即可以对虚拟信号发生器所产生的仿真信号进行频谱分析。也可对经数据串口采集系统采集到的外部信号进行频谱分析。其中，在对外部信号进行频谱分析时，外界被测信号经数据采集卡进行AD转换，将模拟信号转换为数字信号，然后由软件对被测试信号进行频谱分析和处理，最后得到测试结果，并按要求将它们显示或储存起来。虚拟频谱分析仪主要由数据采集部分和虚拟仪器前后面板组成。其中虚拟仪器面板的软件设计部分为重点。数据采集主要通过LabVIEW中的VISA控件来对数据进行采集。而仪器面板部分的设计则是根据用户自己的需要来设定。本文中设计的虚拟频谱分析仪，可以实现仿真输入信号的需要参数的自主设定。4.3硬件部分 计算机与数据串口组成了虚拟频谱分析仪的硬件平台的基础。数据串口是虚拟频谱分析仪的重要组成部分，其性能指标直接影响着虚拟频谱分析仪的采样速率、精度等重要指标的因素。本课题中是基于计算机串口和LabVIEW控件中VISA读入与写出模块对试验台信号进行数据采集的。由于时间有限，且实验室的计算机串口协议不通，此部分未能完成，在设计中只用仿真信号对程序进行了验证试验。4.4 软件部分的设计4.4.1 前面板的设计此次设计是应用的LabVIEW8.2版本。对于前面板模块设计是用于设置输入数值和观察输出量，模拟真实频谱分析仪的前面板。虚拟面板由于直接面向用户，因此是频谱分析仪控制软件的核心。我们设计这部分时，主要考虑界面美观、操作简洁、满足需要，用户能通过前面板上的