基于LabVIEW的频谱分析仪

基于LabVIEW的频谱分析仪姓名：***学号：*********专业：机械工程2015年12月20日1基于LabVIEW的频谱分析仪摘要----------------------------------------------2引言----------------------------------------------2第一章设计任务及思路----------------------------31.设计任务2.设计思路第二章LabVIEW的简介----------------------------3第三章虚拟频谱分析仪的前面板设计----------------4第四章程序框图的设计----------------------------61.仿真信号的产生及各种干扰噪声的叠加2.对信号进行滤波和加窗函数处理3.对信号进行时域分析、频域分析及谐波分析第五章结束语-----------------------------------13参考文献-----------------------------------------142摘要：介绍了基于LabVIEW的频谱分析仪的设计和实现。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。关键词：LabVIEW；频谱分析引言频谱分析仪是信号频域分析的重要工具,能提供时域观测中所不能看到的独特信号,如正弦信号的频谱纯度、非正弦波的频谱、谐波失真等,也是电子产品研发、生产、检验的常备工具,需求十分广泛。传统频谱分析仪价格昂贵、体积较大、功能固定,使其应用场合受到一定限制。虚拟仪器把测试技术与计算机技术结合起来,由软件实现信号采集、分析处理、结果显示等功能。图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内敲有前途的发展方向。3第一章设计任务及思路1.设计任务（1）仿真产生各种信号，频率幅值可调；（2）可以叠加各种干扰噪声；（3）对上述信号进行滤波和加窗函数处理；（4）显示输出波形，同时进行时域分析、频域分析及谐波分析。2.设计思路设计思路如下图1所示。图1第二章LabVIEW的简介LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制仿真信号的产生信号的处理信号的输出4开发，与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。第三章虚拟频谱分析仪的前面板设计前面板、后面板的设计分别如图2、图3所示。5图26图3虚拟频谱分析仪前面板主要是由频谱显示器组成。这个程序放在一个大的While循环中，这个循环是由采样触发开关控件来控制，当控件输出的信号为真时，循环会一直持续下去，否者循环结束。最后将采集到的数值送到各种频谱分析模块，得出采集数据的动态变化量输出显示。第四章程序框图的设计71.仿真信号的产生及各种干扰噪声的叠加信号生成VI库里提供了两个信号生成ExpressVI可快速生成所需要的信号，它们分别是“仿真信号”和“仿真任意信号”。在这里采用“仿真信号”来仿真产生各种信号。仿真信号ExpressVI的适用场合与基本信号的生成类似，可以根据指定参数生成正弦波、三角波、方波、锯齿波、直流信号等几种基本类型的信号。在框图上放入改VI后，弹出的配置对话框如图4所示。图48从对话框中不仅可以配置基本的信号类型、频率、初始相位、幅度、偏移量、采样率等参数，还可以选择是否叠加上某种类型的噪声,噪声类型同样也提供了多种常见类型可选，以及是否微移采样率以保证整周期采样。在这里选择添加噪声，来实现干扰噪声的叠加。2.对信号进行滤波和加窗函数处理（1）对信号进行滤波滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器两类。依靠软件实现的数字滤波器与模拟滤波器或硬件实现的滤波器相比，有着活性强、可靠性高、稳定性好等突出的优势，而且具有极低的成本优势。数字滤波器可分为无线冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR)滤波器两大类，两者划分的主要标准是系统函数对单位的样值的响应是否无线长。IIR滤波器具有幅频特性较平坦的特点，FIR滤波器则可以做到严格的线性相移。LabVIEW中提供了数目众多的滤波器函数，无论是IIR滤波器还是FIR滤波器都可以实现，可传递的信号数据类型也包括波形信号和数组信号两种，可以灵活的调用。在这里选择IIR滤波器对信号进行滤波。输出结果如图5所示。9图5（2）对信号进行加窗函数处理窗函数的作用包括截断信号、减少谱泄漏和用于分离频率相近的大幅值信号与小幅值信号。LabVIEW提供了多种窗函数，包括Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Triangle窗、FlapTop窗、Force窗等等。对一个数据序列加窗时，LabVIEW认为此序列即是信号截断的序列，因此窗函数输出的序列与输入的序列的长度相等。本设计对信号进行的加窗函数的处理选择用Hanning窗。原始信号与Hanning窗函数处理后的信号输出波形图如6所示。10图63.对信号进行时域分析、频域分析及谐波分析（1）时域分析时域信号分析函数有值交流成分检测、卷积、逆卷积、相关分析、微分、积分、尖峰捕获、门限检测和过度分析等。本设计在对原始信号进行时域分析时，是利用自相关函数来检测信号中是否含有周期成分。如果信号中含有周期成分，则其相关函数11衰减很慢且具有明显的周期。如图7所示，原始信号为一正弦波与噪声信号叠加而成，当噪声幅度与正弦幅度相当时，可以看到自相关函数的衰减很慢而且具有明显的周期性。如果使噪声信号幅度远大于正弦波幅度，从自相关函数中就很难看到周期成分了，因为正弦信号已经被噪声信号淹没了，如图8所示。图7图812（2）频域分析信号频域分析指将时域信号通过傅里叶变换等方法转换到频域上，然后进行分析。它的基本思想是将信号表示为一系列不同周期、不同相位的正弦信号的集合，从而将信号的频域信息展现出来。在LabVIEW中有多个与FTT分析相关的VI。本设计在对信号进行频域分析时，采用FTT频域（幅度-相位）来分析所产生的原始信号。在使用Hamming窗情况下所得到的程序前面板和框图如图9所示。可以看出，相位频谱虽然比较杂乱，到幅度中很容易看出两个明显的峰值，频率位置也正好与正弦波的频率相对应。图9（3）谐波分析13对于自然界中采集到的正弦波信号，往往不是只含有基波频率的纯正弦波信号，而是带有二次谐波，三次谐波甚至高次谐波的复杂信号。这些谐波的存在有时会为系统的响应性能带来很大影响，所以需要进行谐波分析，测出信号中各次谐波分量的大小，为后续的信号处理过程做准备，如滤除、消弱某些次数的谐波等。LabVIEW中为谐波和失真度分析方面的应用提供了一个功能完善的VI谐波失真分析VI。应用次VI对原始信号分析所得到的程序前面板和框图如图10所示。图10第五章结束语本次设计我研究了基于LabVIEW的频谱分析，我感觉这样的设计很实用，程序设计编程简单、直观、开发效率高，节约成本。通过本次虚拟频谱分析，我对基于LabVIEW的程序设计有了进一步的掌握，在对虚拟频谱的分析中对LabVIEW的程序设计产生了浓厚的兴趣，提高了理论结合实际的能力。由于本人水平有限，时间紧促，对其中的14原理和实际操作方法或许存在不足之处，以后还得更加努力的研究，论文中有不对或者欠缺的地方请老师斧正。这学期的习很快就结束了，在指导老师的帮助下我解决了许多问题，巩固了专业知识，发现了许多不足，明白了专业重心所在，专业运用于何处。对于自己专业知识掌握不扎实，缺乏独立思考探索的意识等等缺点，我将在今后的学习与工作中不断加以改正，认真学好专业知识，以求真正地将理论运用于实践，用实践指导理论。参考文献[1]陈锡辉.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通.北京：清华大学出版社.2007[2]陈国顺，张桐，郭阳宽，王正林.精通LabVIEW程序设计.北京:电子工业出版社.2012