教育论文虚拟频谱分析仪及相位差测量在教学中的实现.doc

虚拟频谱分析仪及相位差测量在教学中的实现 虚拟频谱分析仪及相位差测量在教学中的实现是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，虚拟频谱分析仪及相位差测量在教学中的实现是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，虚拟频谱分析仪及相位差测量在教学中的实现的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。 摘要本文介绍了教学中常用的一种虚拟频谱分析仪及测量相位差的方法。该分析仪基于图形化编程语言LabVIEW所设计，能够同时进行时域分析、频域分析及谐波分析。与传统的硬件电路相位差测量方法相比,这种基于虚拟频谱分析仪的测量相位差可以通过LabVIEW的高度灵活的工程工具，其具有编程方便，能够简单地进行仪器控制和连接，数据处理功能强大，良好的可视化性能，可扩展性好，图形界面易于上手，操作简单等众多优点，可以在学校教学实验中广泛应用。关键词虚拟频谱分析仪 相位差 教学装置一、前言传统的电子仪器是自封闭的系统，它具有信号输入、输出的能力并有固定的用户接口，它的功能是由制造商决定的，用户不能随意更改，用户如按自己的要求定制仪器，则价格比较昂贵。虚拟仪器的设想正式处于人们对这种仪器的需求，利用软件的易于修改性，利用软件来实现信号的的处理算法部分和人机接口部分。虚拟仪器以图形化编程语言LabVIEW为开发平台，是随着计算机技术与仪器、仪表技术的发展而产生的一门新型科学。虚拟仪器具有升级周期短,费用低廉；很强的数据处理、存储和分析能力；针对不同的测试需求,不需要进行硬件升级,便可自行开发软件；开放、灵活的架构可以随计算机同步发展,易于同周边设备及网络互连等众多优点。相位差的测量方法很多,可以采用模拟和数字的方法，模拟方法电路复杂，而数字方法的测量精度又受到计数脉冲工作频率的限制。本文采用近年得到广泛应用的虚拟频谱仪器技术，从很大程度上摆脱了硬件方面的限制，既可以避免上述缺点，又可以消除硬件电路的温漂、噪声和干扰的影响。这种基于虚拟仪器开发平台LabVIEW频谱分析法测量相位差的方法具有测量结果准确度高,抗干扰能力强等优点，同时，扩展性好，可以方便地扩展其他功能。二、LabVIEW简介LabVIEW是由美国国家仪器（National Instrument）公司研制开发的一种标准虚拟仪器开发平台。LabVIEW中的虚拟仪器相当于常规语言（类似于C和BASIC）中的程序模块。是一种基于G语言(Graphical programming language)的可视化(图形化)优秀开发平台，它使用“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，省却了复杂、繁琐、费时的代码编写输入；连线表示数据传递，简化了图形编程方式；用数据流程语言编写程序并且还提供了调试功能，支持多种系统平台，提供大量库函数，包含有从底层VXI仪器、数据采集板到总线接口硬件和CPIB的程序的应用模块。三、虚拟频谱分析仪的功能频谱分析在生产实践和科学研究中有着广泛的应用。例如，对各类旋转机械、电机、机床等机器的主体或部件进行实际运行状态下的谱分析，可以提供设计数据和检验设计结果，或者寻找震源和诊断故障，保证设备的安全运行等。在声纳系统中，为了寻找海洋水面船只或潜艇，需要对噪声信号进行谱分析，以提供有用信息，判断舰艇运动速度、方向、位置、大小等。因此，对频谱分析方法的研究一直是当前信号处理技术中一个十分活跃的课题。虚拟频谱分析仪可以实现时间域分析、幅值域分析、谐波分析。从时域分析中可做出一些原始判断如测量信号经滤波后的特征值，并确定下一步分析的方向和目标。频率域分析一般用直方图，根据信号的频域描述来估计和分析信号的组成和特征量。频率域分析可以进行频谱分析、功率谱分析、相关函数分析及频率响应函数分析。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、平方可和和军方可和，所以对应的频谱也分为多种。频率响应函数FRF（Frequency Response Function）也是虚拟频谱分析仪的常用分析功能，它可作为原始数据提供给应用这个模态分析货或在曲线拟合时使用。谐波分析则重点在于测量周期信号波形的畸变情况，包括谐波失真THD、基波信号相对噪声或谐波信号的均方根比例SINAD。此外，分析仪还具有到频谱分析、希尔伯特变换等特殊功能及加窗、平均等辅助功能。四、虚拟频谱分析仪的结构模块一个虚拟仪器由硬件部分和软件部分构成。硬件部分系统由虚拟信号发生器模块和频谱分析模块两部分组成。传统的测试仪器通过硬件实现数据的采集、分析和处理，因此实现复杂的测试任务将会有复杂的电路，带来的结果是仪器的价格随测试功能的增加而成倍的增加。而虚拟仪器的硬件主要功能是采集数据以及将数据数字化，至于数据的分析和后期处理显示都将由软件来实现，因此，设计仪器时，在硬件结构上虚拟仪器十分简单，与传统仪器有着本质的区别。虚拟信号发器模块产生各种类型的数字信号并可叠加噪声。虚拟频谱分析仪，首先，对模拟信号进行预处理，实现对模拟信号频率值。然后，经过数字滤波（由FPGA模块实现），选择合适的通频带宽和相应的滤波器截止频率，将获取信号需要的频率成分提取出来,而将不需要的频率成分迅速衰减掉。然后，经过加窗处理以减少每个采样周期边界上信号不连贯的程度。以上过程，我们需要选择数字信号处理芯片DSP进行处理。一方面，DSP芯片会输出控制信号，通知滤波器如何进行操作，另一方面，信号经过A/D转换器进入DSP后为频谱分析工作做准备。频谱分析模块主要是对滤波和加窗处理后的信号进行分析，包括时域分析、频域分析以及谐波分析，可以分别实现时域特性和谐波特性显示，频域分析可以进行快速傅立叶变换（FFT）和功率谱测量，并能分别实现显示。其中，显示功能的实现是有两个D/A转换器组成。在硬件电路的设计中，还要注意A/D，D/A转换器、DSP和计算机之间的通信问题，它们之间的数据线连接和I/O连接要按照相关的接口协议和通信协议进行连接和通信。本文设计的虚拟频谱分析仪主要需要实现的功能分为两大部分（虚拟分析仪的原理如图1所示）:（1）虚拟示波器的功能，包括实时波形的显示，信号电参数的测量，信号基波频率的测量，数据的存储，存储数据后期的提取和分析，打印等。（2）虚拟频谱分析仪的功能，包括信号基波频率、幅值、相位的测量，谐波频率、幅值、相位的测量，信号幅值和相位谱的显示，信号谐波总畸变率的测量，谐波含量柱状图的显示，分析结果报表的输出等。其原理流程为：输入的数字信号经过移频让有用信号进入滤波器，然后，经低通数字滤波器降低数据密度，再对信号重新采样，这部分操作称为选带细化FFT,信号经过选带细化以后经过1024处理芯片后显示。我们可以用VB语言提供的控件轻松实现信号处理结果的显示和工作流程的控制与监督。五、虚拟频谱分析法测量相位差1.频谱分析法原理频谱是通过对被检测信号进行频谱分析,获得信号的相频特性,然后计算两信号在主频率处的差值即可测得两个信号的相位差。设两个周期信号x(t)、y(t) 在有限区间(t,t+T)内绝对可积,则有: 频谱分析法是将信号变换到频域范围内进行比较,检测结果受采样点数的影响较大。为了达到一定的精度, 其采样点不能太少, 由此引起的计算量很大, 而且存在“栅栏效应”和“泄漏”现象。为防止由泄漏引入的误差,应加入窗函数且使窗长等于信号周期的整倍数。2.虚拟频谱分析法测量相位差基于虚拟频谱分析仪测量相位差的方法很多，可以采用FFT谱分析法、相关法等方法。本文采用的虚拟频谱分析法测量相位差其实质上仍然是频谱分析,只是求信号的基频分量而已。值得注意的是，在虚拟频谱法测量相位差的主程序中,需要确定模拟信号的周期T,并确定一个周期内的 虚拟频谱分析仪及相位差测量在教学中的实现是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，虚拟频谱分析仪及相位差测量在教学中的实现是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，虚拟频谱分析仪及相位差测量在教学中的实现的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。N个采样值,这是通过调用求过零点的子程序来实现的,这是减小测量误差的基本保证。过零点检测的原理很简单，只要求出信号单位时间内经过零点的次数就可以求得信号的周期。另外，需要对采集到的数据进行A/D转换，将信号离散化，信号幅值分辨率与A/D转换器的位数有关，时间分辨率与A/D转换器的采样率有关。六、结束语本文利用图形化编程语言LabVIEW设计和实现了一种虚拟频谱分析仪，并介绍了基于此分析仪的相位差测量的原理。这种虚拟频谱仪具有分析、判断、显示、储存和数据生成等功能,有利于对个别特殊的实验现象进行仔细地观察和研究。这种方法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，不仅可以缓解学校实验仪器短缺的问题；还可以减少实验过程中元器件的耗费。参考文献：1张爱平.LabVIEW入门与虚拟仪器M.北京:电子工业出版社,2004.2刘君华.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程M.西安:西安电子工业出版社,2001.3李冰,曲宝等.基于LabVIEW 的虚拟频谱分析仪设计J.煤矿机械，2005，(2).4侯国屏,王坤,叶齐鑫. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计M.北京：清华大学出版社，2005.5The Measurement and Automation CatalogueM.U.S.National Instrumens,2002.6MALLATSG. A theory for multi-resolution signal Decomposition: The Wavelet representationJ. IEEE TransPattern Analysis and Machine Intel, 1989,PAMI-11.7PEDERSEN PC. Digital Generation of Coherent Sweep SignalsJ.IEEE Transaction on Instrument and Measurement,1990,49(3).（作者单位：浙江理工大学信息与电子学院）其他参考文献Baker, Sheridan. The Practical Stylist. 6th ed. New York: Harper & Row, 1985.Flesch, Rudolf. The Art of Plain Talk. New York: Harper & Brothers, 1946.Gowers, Ernest. The Complete Plain Words. London: Penguin Books, 1987.Snell-Hornby, Mary. Translation Studies: An Integrated Approach. Amsterdam: John Benjamins, 1987.Hu, Zhuanglin. 胡壮麟, 语言学教程 M. 北京: 北京大学出版社, 2006.Jespersen, Otto. The Philosophy of Grammar. London: Routledge, 1951.Leech, Geoffrey, and Jan Svartvik. A Communicative Grammar of English. 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