1、. 學校代碼： 10128學號： 200710107062 本科畢業論文題 目：虛擬頻譜分析儀的設計學生姓名：學 院：系 別：專 業：班 級：指導教師：二 一 一 年 六 月.摘 要隨著科學技術的不斷發展，技術水平的不斷提高。電子技術正在受到人們的極大關注，而能夠代替實物，節約資源與成本的虛擬電子技術更是受到人們的追捧。頻譜分析儀作為信號分析的主要工具之一，受到人們的重視。虛擬頻譜分析儀正是在這樣一種背景下，得到了長足的發展。虛擬儀器是將儀器技術、計算機技術、總線技術和軟件技術緊密的融合在一起，利用計算機強大的數字處理能力實現儀器的大部分功能，打破了傳統儀器的框架，形成的一種新的儀器模式。la

2、bview(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一種圖形化的編程語言，利用labview可以方便地建立各種虛擬儀器。本課題中設計的虛擬頻譜分析儀，是基于軟件labview8.2設計的模塊化虛擬分析儀。本課題設計的虛擬頻譜分析儀主要實現的功能，是對信號的采集，然后進行濾波除噪，加窗修復，傅里葉變換等一系列處理，分析原始信號各個頻率成分的的幅值和功率，即獲得幅值譜和功率譜。關鍵詞：labview，虛擬儀器，頻譜分析，幅值，功率abstractwith the development of science and technolo

3、gy, and the technical levels rising， electronic technology is under peoples 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 peopl

4、e. 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 reali

5、ze 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 instrumen

6、t. 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, fouri

7、er 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 錄第一章 緒論11.1國內外現階段虛擬儀器的發展狀況11.2課題的目的和意義11.3課

8、題的主要工作2第二章 虛擬儀器及labview的相關理論知識42.1虛擬儀器簡介42.1.1虛擬儀器的兩個面板42.1.2 由軟件編程來實現虛擬儀器測量功能52.2虛擬儀器的組成52.2.1 虛擬儀器系統的硬件構成52.2.2虛擬儀器系統的軟件構成52.3虛擬儀器的特點與優勢62.4虛擬儀器的應用62.5 labview概述72.5.1 labview知識簡介72.5.2 labview的基本程序構成8第三章 頻譜分析儀的功能分析103.1傳統頻譜分析儀的基本原理103.1.1 傳統頻譜分析儀的基本概念103.1.2 傳統頻譜分析儀的基本分類及技術指標103.1.3傳統頻譜分析儀的主要功能11

9、3.2虛擬頻譜分析儀的工作原理113.3虛擬頻譜分析儀的功能分析123.4虛擬頻譜分析儀的發展前景13第四章 虛擬頻譜分析儀的設計144.1信號頻譜分析的知識簡介144.1.1 信號頻譜分析的方法144.1.2 周期信號的頻譜分析154.1.3快速傅里葉變換（fft）164.2虛擬頻譜分析儀的整體設計174.3硬件部分174.4 軟件部分的設計174.4.1 前面板的設計174.4.2 程序框圖的設計194.5 窗函數的設計214.6仿真信號的頻譜分析21結 論23參考文獻24謝 辭25第一章 緒論1.1國內外現階段虛擬儀器的發展狀況虛擬儀器從二十世紀八十年代開始引起人們關注，之后迅速發展。經

10、過數十年的發展，其所涉及領域不斷擴大，在對電子測量、實驗教學、測量分析、航天測控、工程過程控制等領域逐步替代了很大部分的傳統測量儀器，產生了很大的經濟和社會效益。在過去的幾十年里，儀器測量技術得到了長足的發展，發展過程大致經歷三個階段，即模擬儀器、數字儀器和智能儀器。但共同特點是“信號采集和控制、分析與處理、結果的表達與輸出三大功能模塊，而這些模塊原來只能由廠家來制造定義、，那樣的話就會使儀器功能固定化、靈活性差。在如今的計算機技術支持下，將儀器與計算機結合進行測試，如將儀器的信號分析處理、結果輸出表達放到計算機上完成，或將儀器的三大功能設計模塊全部放到計算機上來完成，是完全可以實現的，在這種

11、需求的背景條件下順理成章誕生了虛擬儀器。虛擬頻譜分析儀是在當今計算機技術與電子科學技術快速發展的大背景下，充分發揮了計算機的功能，用軟件發揮其更加重要的作用，推進了虛擬頻譜分析儀的迅速發展。在這種背景下，虛擬頻譜分析儀向著高速、高效、高可靠性和高精度以及智能化、自動化、網絡化和模塊化的方向發展，并且越來越能突顯其方便性和靈活性，并能夠滿足多數用戶的要求。虛擬頻譜分析儀技術兼顧了虛擬儀器的有點，因而它有虛擬儀器的便捷性和靈活性，因此構建虛擬頻譜分析儀的時候就會顯得非常方便。不論是在國內還是國外，相關專家指出，在今后一段時間，數據系統的開發和設計還將面臨一個非常重要的時期，無論是開發快速通信系統，

12、還是一些其它的計算機系統等，用戶都會越來越傾向于使用一臺頻譜分析儀和一臺示波器，同時從不同的角度全方位地分析和捕獲系統中的信號，進而解決來源于不同方面的問題。因此虛擬頻譜分析儀對于測試方面來說是非常重要的一方面。1.2課題的目的和意義本課題是基于現有的水平，通過對國內外期刊文獻的研究，在老師的指導下，開發一種低耗費，高效節能，方便快捷的虛擬頻譜分析儀。設計的儀器要能滿足普通教學的需要，還要具有對信號實測的功能。本課題的主要意義有：1.打破傳統的諸多局限性。虛擬儀器是將儀器技術、計算機技術、總線技術和軟件技術緊密的融合在一起，利用計算機強大的數字處理能力實現儀器的大部分功能，打破了傳統儀器的框架

13、，形成的一種新的儀器模式。虛擬儀器與傳統儀器相比，具有以下優勢：（1）虛擬儀器用戶可以才艮據自己的需要靈活地定義儀器的功能，通過不同功能模塊的組合可構成多種儀器，而不必受限于儀器廠商提供的特定功能。（2）虛擬儀器將所有的儀器控制信息均集中在軟件模塊中，可以采用多種方式顯示采集的數據、分析的結果和控制過程。這種對關鍵部分的轉移進一步增加了虛擬儀器的靈活性。（3）由于虛擬儀器關鍵在于軟件，硬件的局限性較小，因此與其他儀器設各連接比較容埸實現。而且虛擬儀器可以方便地與網絡、外設及其他應用連接，還可利用網絡進行多用戶數據共享。（4）虛擬儀器可實時、直接地對數據進行編輯，也可通過計算機總線總線 總線是將

14、信息以一個或多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線。通俗的說，就是多個部件間的公共連線，用于在各個部件之間傳輸信息。人們常常以mhz表示的速度來描述總線頻率。 全文將數據傳輸到存儲器存儲器存儲器是用來存儲程序和數據的部件，有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。它根據控制器指定的位置存進和取出信息。 全文或打印機。這樣做一方面解決了數據的傳輸問題，一方面充分利用了計算機的存儲能力，從而使虛擬儀器具有幾乎無限的數據記錄容量。 （5）虛擬儀器利用計算機強大的圖形用戶界面（gui），用計算機直接讀數。根據工程的實際需要，使用人員可以通過軟件編程或采用現有分析軟件，實時、直接地對測試

15、數據進行各種分析與處理。（6）虛擬儀器價格低，而且其基于軟件的體系結構還大大節省了開發和維護費用。2.促進教學質量，提高學生實踐能力。本課題是希望學生通過學習labview這個圖形化編輯語言來實現并深入研究信號頻譜分析的過程，通過此課題，可以加深學生對傳統信號頻譜分析儀和現代虛擬信號頻譜分析儀的認識。提高對計算機的實際應用能力，同時認識到虛擬技術在現代工程中的實際應用價值，與人才培養目標相符合。同時，通過親自對信號采集、信號分析、信號分析等專業理論知識的綜合應用，提高學生的實踐能力，為以后的工作學習打下基礎。此外，虛擬儀器的開發也為學校教學提供了一個彌補實物教學工具不足的強有力保證，改善了教學

16、的設施建設。1.3課題的主要工作基于labview8.2設計的本課題，主要涉及以下幾個方面的工作和問題。1. 熟悉了信號的基本概念、成分構成、特性以及一些基本的頻譜分析理論知識。2. 學習使用軟件labview的基本知識和使用方法。并能夠利用labview所設計的虛擬頻譜分析儀實現傳統頻譜分析儀的基本功能。3. 對典型信號能夠分析其頻率構成，通過信號采集、頻譜分析處理之后，給出幅值譜和功率譜等信息。在labview系統開發的軟件上進行仿真運行，調試，保證結果正確，界面美觀便捷。第二章 虛擬儀器及labview的相關理論知識2.1虛擬儀器簡介虛擬儀器技術即利用高性能的模塊化硬件，結合靈活高效的軟

17、件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將ni labview圖形化開發工具應用于產品設計周期的各環節，從而改善了產品的質量、縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品生產開發和生產效率。使用集成化虛擬儀器環境與現實世界的信號相連接，分析數據以獲取需要的實用信息，共享信息科技成果，有助于在較大的范圍內提高生產效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們任何項目需要。其實所謂的虛擬儀器（virtuai instruments）簡單來說，就是通用計算機為核心的硬件平臺，由用戶設計自定義，具有虛擬可視面板，測試功能由測試軟件來實現的一種計算機虛擬儀器系統。用戶

18、用鼠標或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺傳統專用的實際測量儀器。虛擬儀器的誕生使測量儀器和個人計算機的界限模糊了。虛擬儀器的實質就是利用計算機顯示器的屏幕顯示功能來模擬傳統儀器的控制顯示面板，以多種可視形式表達輸出檢測結果，利用計算機軟件的強大功能實現信號數據的分析、運算和處理，利用i/o串口接口設備完成信號數據的采集、測量與調理，從而完成各項要求測試功能的一種計算機虛擬儀器系統。“虛擬”主要包含以下兩個方面。2.1.1虛擬儀器的兩個面板虛擬儀器前面板和后面面板上的各種控件與傳統儀器面板上的各“儀器”所完成的功能是完全相同的。如各種按鍵、開關、顯示器等實現儀器電源的“閉合”、“斷開”，測量數據

19、結果的“數值顯示”、“波形顯示”等。傳統儀器面板上的所有器件都是實物，而且是用人工手動進行操作的，而虛擬儀器面板上的控件是外形與實物相似的虛擬圖標，設計虛擬面板就是在面板設計的窗口中擺放完成固定功能所需要的控件，然后編寫相應的程序。大多數初學者都可以利用虛擬儀器的軟件來開發簡單的測量工具（如labwindows/cvi/、labview等軟件編程語言），在較短時間里輕松完成實用而又美觀的虛擬儀器前面板的設計。2.1.2 由軟件編程來實現虛擬儀器測量功能在pc為核心組成的硬件平臺支持下，虛擬儀器不僅能通過軟件編程來實現傳統儀器的基本測試功能，還可以通過不同測試分析功能的軟件模塊組合來實現多種測試

20、功能。因此在硬件平臺確定后就有“軟件就是儀器”的說法。這也充分體現了測試技術與計算機虛擬技術的結合。2.2虛擬儀器的組成虛擬儀器由軟件和硬件兩部分組成。虛擬儀器的硬件主體是電子計算機。為計算機配置的電子測量儀器硬件模塊是各種傳感器、信號調理器、模擬數字/轉換器（adc）、數字/模擬轉換器（dac）、數據采集器（daq）等。電子計算機及其配置的電子測量儀器硬件模塊組成了虛擬儀器硬件的平臺的基礎。2.2.1 虛擬儀器系統的硬件構成 虛擬儀器硬件系統一般可分為測控功能硬件和計算機硬件平臺。計算機硬 件平臺可以是各種各樣類型的計算機，如臺式機、pc機、嵌入式計算機、工作站等。硬件管理著虛擬儀器的所有軟

21、件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因而，計算機技術在顯示、處理器性能、存儲能力、總線標準、網絡等方面的發展，促進了虛擬儀器系統的快速發展。 依據測控功能硬件的不同分類，vi可分為daq、vxi、gpib、pxi和串口總線五種標準體系結構，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數轉換等。 2.2.2虛擬儀器系統的軟件構成 測試軟件是虛擬儀器的主心骨。ni公司推出第一批實用成果并提出虛擬儀器系統概念時，就用軟件系統就是用儀器來表達虛擬儀器的特征，強調設計軟件在虛擬儀器中的重要位置。ni公司從一開始就推出豐富而又簡明的虛擬儀器開發軟件平臺。用戶可以根據不同的測試任務，在虛擬儀器開發軟件平臺的提示下編

22、制不同的滿足需要的測試軟件，來實現當代科學技術復雜而又多變的測試任務。在虛擬儀器系統中，傳統儀器的某些硬件用靈活強大的計算機軟件代替，特別是系統中，測試信號的產生和測量特性的分析應用計算機直接參與，使傳統儀器中的某些硬件甚至整個儀器都從系統中消失，而由計算機的軟硬件資源來代替完成它們的預期功能。虛擬儀器測試系統的軟件主要分為以下四部分，即儀器面板控制軟件、數據分析處理軟件、儀器驅動軟件、通用i/o接口軟件等。2.3虛擬儀器的特點與優勢比起傳統測試儀器，虛擬儀器有著無可比擬的優勢，總體來說，虛擬儀器有以下優點。1.虛擬儀器的軟硬件具有模塊化、開發性強、可重復使用及互換性等特點。為提高測試系統的功

23、能，可以方便隨意的加入或更換一些通用儀器模塊，而不用花費另外的經費購買一個完全新的系統，有利于測試系統的擴展，并且產生了一定的經濟效益。2.用戶可以自由定義實現儀器功能。由于儀器的特定功能可以在用戶級上產生，它不再完全由儀器生產廠家來提前設定，用戶可以完全根據自己的需要，通過修改或增加軟件，為虛擬儀器增加新的測試功能而不用去購買一臺全新的儀器3.測試分析輸入信號特性（如頻率、電壓、上升時間等）只需要一個量化的數據模塊即可，需要的信號特性能被數據處理器計算顯示出來，這種將多種測試功能集于一體的方法縮短了測試的時間，提高了測試的效率。4.嵌入式數據信息處理器的出現能夠建立一些功能的數學模型，使測試

24、數據不會隨時間推移發生變化，因此可以保證測量的重復性和精度，不需要定期的進行校準維護。由于虛擬儀器系統測量值不會受電纜的阻抗、長度和修正因子差異等因素的影響，從而進一步提高了可重復性和測量精度。2.4虛擬儀器的應用虛擬儀器技術應用面十分廣泛。尤其在檢測計量、科研開發、測量測控等領域更是不可多得的好工具。它功能特別強大，可實現編輯分析儀、示波器、信號發生器、頻譜儀等多種普通傳統儀器全部的功能，再配以專用的軟件和探頭還可以檢測特定系統的數據參數，如血液脈搏、汽車發動機參數、爐窯溫度、心電參數等多種數據。在工業生產控制領域中，大部分閉環類控制系統要求精確的信息采樣，及時的數據信息處理和快速的數據計算

25、傳輸。開發的虛擬儀器系統恰恰符合上述的特點，十分適合測控一體化的研究與設計。在產品的制造業，虛擬儀器巨大的數據吞吐能力和卓越突出的計算能力使其在線監控系統、溫度壓力測控系統、電力儀表系統、流程控制系統等工控領域發揮著更大更多的作用。當今社會科學技術的迅速發展，無所不在的計算機現實應用為虛擬儀器的推廣傳播提供了良好的基礎。虛擬儀器適于一切需要計算機輔助進行數據處理、數據存儲、數據傳輸的計量測試場合。更進一步來說，一切的計量測試系統，只要在技術上可行，理論上都能用虛擬儀器代替。虛擬儀器強大的功能和價格優勢，使得在儀器計量測試領域具有十分廣闊的發展前景和強大的生命力。2.5 labview概述2.5

26、.1 labview知識簡介labview是一種程序開發軟件環境，由美國國家儀器（ni）公司研制并開發的，有點類似于basic和c的開發環境，但是labview與其他計算機程序語言的顯著區別是：其他計算機程序語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而軟件labview使用的是易懂的圖形化編輯語言g來編寫程序，產生的程序是以框圖的形式展現。與c和basic一樣，labview也是通用的編程語言系統，有一個用來完成任何編程任務的龐大控件函數庫。labview的函數庫包括數據采集、數據分析、gpib、數據顯示、串口控制及數據存儲等等。labview也擁有傳統的程序調試工具，如設置斷點、單步執行、以動畫方

27、式顯示數據及其子程序（子vi）的結果等，便于程序的設計調試。labview的圖標如下圖：圖2-1 labview圖標labview（laboratory virtual instrument engineering workbench）廣泛地被學術界、工業界和研究開發實驗室所接受，是一種圖形化軟件編程語言的開發環境，被視為一個標準的數據采集和儀器測試控制軟件。labview集成了滿足vxi、gpib、rs-485和rs-232協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內部設置了便于應用tcp/ip、activex等軟件標準的庫函數。這是一個功能十分強大并且靈活多變的軟件。用戶利用它可以方便地建

28、立自己所需要的虛擬儀器，其圖形化的設計界面使得編程及使用過程都生動有趣。 圖形化的軟件程序語言，又稱為“”語言。它主要的方便之處就是，在只有一個硬件的情況下，可以通過改變軟件，來實現不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當于軟件即硬件。現在的編程圖形化主要是指上層的系統，國內已經開發出圖形化的單片機語言編程系統（支持32位嵌入式系統，并且可以擴展），并且在不斷的完善中(搜索cpuview會有更詳細信息）。2.5.2 labview的基本程序構成labview主要包括兩個面板。一個是直接面向用戶用于人機交流的前面板，另一個則是程序面板。前面板窗口（如圖22）是圖形化用戶界面，即人機信息交流界面，也

29、就是vi的虛擬儀器設計面板，相當于實際傳統儀器的控制面板，它將程序和用戶聯系起來，是程序運行時輸入和顯示的信息交互窗口。如下圖2-2所示，圖中可直接看到用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現有圖形、開關旋鈕、修飾、列表以及其他控制對象。圖2-2 labview前面板程序框圖窗口（如圖2-3）是提供vi的圖形化程序，相當于實際傳統儀器箱內的東西，在程序框圖中程序員需要用圖形化語言來編寫labview程序源代碼，以能夠操作和控制定義在前面板上的信號輸入和輸出功能。如圖2-3所示，程序框圖中主要包含前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒有的，但在編程時必須有的圖形化功能模塊，例如信號處理、結構和

30、連線、數組等。圖2-3 labview程序面板在程序框圖種，模塊接口之間的連線即數據線。信息數據通過數據線在功能模塊之間傳遞。labview不像一般程序語言那樣，按照語句的順序一行一行的執行，它是依靠在數據線上傳輸的信息數據來控制程序的，只有當模塊所要求的輸入數據完全到達這個功能模塊時才能運行，然后向其所有的輸出端口輸出處理后的信息數據，這些數據再沿數據線流向其它的功能模塊進行數據信號分析。第三章 頻譜分析儀的功能分析3.1傳統頻譜分析儀的基本原理3.1.1 傳統頻譜分析儀的基本概念 頻譜分析儀是研究電信號頻譜成分結構的儀器，可用于信號失真度、譜純度、調制度、頻率穩定度和交調失真等信號參數的測

31、量，也可用以濾波器和測量放大器等電路系統的某些參數測量，是一種多用途的電子信號測量儀器。它又被稱為跟蹤示波器、諧波分析器、頻域示波器、分析示波器、傅里葉分析儀或頻率特性分析儀等。現代化的信號頻譜分析儀能以數字方式或者模擬方式顯示輸出分析結果,能分析1赫以下甚至低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號參數。儀器內部如果采用微處理器和數字電路，具有存儲和運算功能；配置標準接口，就容易構成自動測試系統。頻譜分析儀是對無線電信號進行測量處理的必備手段，是從事電子產品研究開發、工業生產、科研檢驗的常用工具。因此，應用十分的廣泛，被人們稱為工程師的射頻萬用表。現代頻譜分析儀則是基于快速傅里葉變換(fft)

32、的頻譜分析儀，通過傅里葉變換運算將被測信號分解成各自分立的頻率分量,達到與傳統頻譜分析儀同樣的測量結果。新型的這種頻譜分析儀采用數字方法直接由模擬/數字轉換器(adc)對輸入信號數據進行取樣,再經fft處理后獲得頻譜分布圖，然后進一步進行處理輸出。 圖3.1 頻譜分析儀3.1.2 傳統頻譜分析儀的基本分類及技術指標1.頻譜分析儀分為掃頻式和實時分析式兩類。 掃頻式頻譜分析儀它是具有顯示輸出裝置的掃頻超外差接收機，主要用于周期信號和連續信號的頻譜分析。它的基本工作原理是：掃頻振蕩器作為本地振蕩器，它的輸出信號和被測量信號中的各個頻率成分分量在混頻器內按序依次來進行差頻變換，其所產生的中頻波段信號

33、通過窄帶濾波器后再經過檢波和放大，加到視頻放大器作為示波管的垂直偏轉信號，使顯示屏幕上的垂直顯示結果正比于各頻率分量的實際幅值。鋸齒波掃描發生器所產生的鋸齒電壓控制本地振蕩器的掃頻，鋸齒波電壓同時還用作示波管的水平掃描，從而使得屏幕上的水平結果顯示正比于頻率。 實時式頻譜分析儀在存在被測信號的有限時間內來進行提取信號的全部頻譜信息進行分析并顯示其結果的儀器主要用于分析持續時間很短的暫態過程和非重復性平穩隨機過程，也能分析40兆赫以下低頻信號或者極低頻連續信號，能顯示相位和幅度。傅里葉分析儀是實時式信號頻譜分析儀，其基本的工作原理就是把被分析信號的模擬信號經模數變換電路轉換成數字信號后，加到后續

34、的數字濾波器進行傅里葉分析；由中央處理器控制的正交型數字本地振蕩器產生按余弦律變化和按正弦律變化的數字本振信號，也加到數字濾波器中與被測量信號作傅里葉分析。分析結果也可直接送到打印繪圖儀或通過標準接口與計算機相連。2.頻譜分析儀的主要技術指標頻譜分析儀的主要技術指標有頻率范圍、分析譜寬、分辨力、分析時間、靈敏度、掃頻速度、顯示方式和假響應。3.1.3傳統頻譜分析儀的主要功能頻譜分析儀的主要功能為以下六項： 1.頻率設置 2.基準電平設置 3.帶寬、掃描時間、觸發控制設置 4.跟蹤發生器設置 5.跟蹤控制設置 6.利用標記功能測量回波損耗(以db為單位)3.2虛擬頻譜分析儀的工作原理虛擬頻譜分析

35、儀用戶可以通過鍵盤或鼠標操作labview前面板上的旋鈕、按鍵、開關、數值輸入等，去選用設計頻譜分析儀的功能，設置各種參數，啟動或者停止一臺儀器，用戶還可以根據自己的需要來定義儀器的其他附加功能。虛擬頻譜分析儀主要由labview軟件來設計，控制完成信號的數據采集、信號波形處理和結果輸出顯示功能。其設計思想的流程圖如下圖3-2所示。 圖3-2 流程圖基于labview設計的虛擬頻譜分析儀，包括前面板后和面板的設計。先利用仿真信號進行測試。前面板提供了信號的類型選擇卡，可以通過其選擇輸入的仿真信號，例如，可以選擇加噪聲的正弦波信號、方波信號、三角波信號等。此外類似的設計還有濾波器的選擇等。此外，

36、對信號的頻率、幅值，濾波器的采樣頻率等，在前面板都是可以調節的。此外，在前面板上，可以顯示輸入的原始波形，濾波后的波形，以及進行信號處理之后的結果顯示，例如，幅值譜，功率譜，以及功率幅值的峰值估計等。虛擬頻譜分析儀根據用戶的需要，由用戶自主設計開發，簡便高效。3.3虛擬頻譜分析儀的功能分析根據實驗所用真實傳統頻譜分析儀前面板和功能要求，設計虛擬示波器主要功能有：（1）信號類型選擇的控制：；（2）動態顯示通道選擇控制送來信號的波形；（3）分別顯示濾波前后信號的波形變化；（4）可以動態調節信號的頻率、幅值，以及濾波器的采樣頻率及類型的選擇；（5）動態的測量并顯示信號分析后幅值譜、頻率譜等相關的參數

37、；依照上述的這個設計目標和功能要求，借助虛擬儀器開發軟件labview構建虛擬頻譜分析儀，利用顯示器件及相關控件模塊構建頻譜儀前面板，利用相關函數模塊編制框圖程序，通過軟件中的仿真信號實現測試對象到計算機之間的信號數據采集、傳輸，從而完成虛擬頻譜分析儀的整體功能要求。這樣就將一個具有測試功能的頻譜分析儀完成了。與傳統的頻譜分析儀相比，有以下幾大優點：1.用戶可根據自己的需要，自主設計頻譜儀的功能，可開發性強。不再像傳統分析儀一樣，只能由廠家生產設定。2.設備維護費用低，產生了經濟效益。3.功能強大，設計快捷，攜帶方便。3.4虛擬頻譜分析儀的發展前景虛擬頻譜分析作為一種新興的儀器儀表，其優勢在于

38、用戶可自行定義儀器的功能和結構等，且構建容易、轉換靈活，它已被廣泛應用于波形測量、信號的性能分析、聲學分析、生物醫療、教學及科研等諸方面。隨著各種計算機新技術的發展，虛擬頻譜分析儀將會向高效、高速、高精度、高可靠性以及自動化、網絡化和智能化的方向發展，并且會越來越大眾化和小型化。再加上開放式數據采集標準將使虛擬頻譜分析儀走上標準化、通用化、系列化和模塊化的正規道路。虛擬頻譜分析儀作為教學的一種新手段，已經慢慢地走進了電子技術的課堂和實驗室，正在改變著電子技術教學的傳統教學模式，這也是現代發展、時代教育發展的必然趨勢。隨著測試測量儀器的數字化、計算機化的發展趨勢，傳統的測試儀器漸漸的有著被取代的

39、趨勢。如果運用虛擬儀器的技術，以計算機作為基礎，構建集成化測試平臺，代替常規儀器儀表，不但滿足電工電子實驗教學的需要，而且將這批微機可作為其他有關計算機課程的教學使用，大大的提高了設備利用率，降低了實驗室的教學建設成本。當前應該解決的是如何使虛擬儀器和現有儀器的結合，挖掘現有儀器的潛力，達到逐步淘汰和取代傳統儀器的目的。總之，電子測試儀器的數字化、計算機化的發展方向，是電工電子實驗室的最佳選擇。目前國家正在加大對教育改革的投入，這正是革新實驗室裝備的黃金階段。同時，虛擬儀器技術的出現，又在技術上提供了一定的條件支持。這樣也就使我們以可以承受的代價趕上國外的電工電子實驗室的最先進水平成為了可能。

40、通過使用虛擬儀器教學，學生可以在相同課時內同時學習電子技術和計算機技術的使用技巧。不但掌握了通用電路的測試技巧，同時加強對電路原理的理解，而且還接觸了先進的技術，從一個更高的起點面對明天的世界。第四章 虛擬頻譜分析儀的設計4.1信號頻譜分析的知識簡介在利用labview軟件進行設計前，對信號的理論知識必須清楚。如一些常用信號的頻譜分析理論結果，傅里葉變換的知識等。信號的時域描述只能反映信號的幅值隨時間的變化情況，一般很難明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量的大小。圖4-1是一受噪聲干擾的多頻率成分周期信號，從信號波形上很難看出其特征，但從圖4-2的功率譜上卻可以判斷并識別出信號中的四個周期分量和

41、它們的大小。信號的頻譜x(f)代表了信號在不同頻率分量處信號成分的大小，它能夠提供比時域信號波形更直觀、更豐富的信息。圖4-1 受噪聲干擾的多頻率成分周期信號的波形圖4-2 受噪聲干擾的多頻率成分周期信號的功率譜頻譜是構成信號的各頻率分量的集合，它完整地表示了信號頻率的結構。即信號由哪些諧波組成，各諧波分量的幅值大小及初始相位，從而揭示了信號的頻率信息。頻域分析的意義在于使人們能夠在頻域中觀察一個信號的特征，通過頻譜可以方便地觀察和分析信號的頻率組成成分。4.1.1 信號頻譜分析的方法信號的頻譜可以分為幅值譜、相位譜、功率譜等等。對信號做頻譜分析的儀器主要是頻譜分析儀，它把信號按數學關系作為頻

42、率的函數顯示出來，其工作方式有模擬式和數字式兩種。模擬式頻譜分析儀以模擬濾波器為基礎，從信號中選出各個頻率成分的量值；數字式頻譜分析儀以數字濾波器或快速傅立葉變換為基礎，實現信號的時域頻域的關系轉換分析。本文設計的是數字式頻譜分析儀，設計過程中采用快速傅立葉變換。傅立葉變換是信號頻譜分析中常用的一個重要工具8910,它把一些復雜的信號分解為無窮多個相互之間具有一定關系的正弦信號之和，并通過對各個正弦信號的研究來了解復雜信號的頻率成分和幅值。信號頻譜分析是采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號x(f)。時域信號x(t)的傅立葉變換為： (4-1)式中x(f)為信號的頻域表示，x(t)為信

43、號的時域表示，f為頻率。4.1.2 周期信號的頻譜分析周期信號是經過一定時間可以重復出現的信號，滿足條件： (4-2)。從數學分析已知，任何周期函數在滿足狄利克利（dirichlet）條件下，可以展開成正交函數線性組合無窮級數，如正交函數集是三角函數集或復指數函數集,則可展開成為傅立葉級數，通常有實數形式表達式： （4-3）直流分量幅值為： （4-4）各余弦分量幅值為： （4-5）各正弦分量幅值為： （4-6）周期信號的三角函數展開式的另一種形式為： （4-7）直流分量幅值為： （4-8）各頻率分量幅值為： （4-9）各頻率分量的相位為： （4-10）式中，t周期，；-基波圓頻率；f0基波頻率

44、；。為信號的傅立葉系數，表示信號在頻率f0處的成分大小。傅立葉級數的復指數展開式： （4-11） （4-12）其中：；。工程上習慣將計算結果用圖形方式表示，若分別以作圖，則可得其幅頻譜圖和相頻譜圖；也可以分別以的實部或虛部與頻率的關系做幅頻圖，并分別稱為實頻譜圖和虛頻譜圖。周期信號的頻譜具有三個特點：1、周期信號的頻譜是離散的，由一系列沖擊函數組成離散頻譜。2、每條譜線只會出現在基波頻率的諧波頻率處。3、各頻率分量的譜線高度表示該諧波分量的幅值或相位角。4.1.3快速傅里葉變換（fft）快速傅里葉變換是對dft的算法進行改進獲得的。能在工程實際中用來減少計算次數，縮短計算時間的快速算法，簡稱f

45、ft。當信號的采樣點數是2的冪時，就可以采用這種方法。labview提供了fft圖標，可供直接調用進行快速頻譜分析。問題在于如何選取采樣的時間間隔，取多少個采樣點n，截取長度應為多大，以保證頻率分析的精度。1、柵欄效應對于一個無限長的信號，其頻譜是連續的，要利用計算機對它進行頻譜分析時，必須將它截斷，使其成為有限長度為的信號。經過有限截取的信號就轉化為周期為的周期信號。相應的，頻率由原來的連續譜變為離散譜。于是在離散譜之間的頻率分量就被“擋住”而丟掉，這就相當于透過柵欄觀賞風景，只能看到頻譜的一部分，而其它頻率點看不見，由于用數值方法只能算出連續頻譜中n個抽樣點處的值，因此很可能使一部分有用的

46、頻率成分漏掉，它不能代表頻譜的完整分布，這以現象稱為柵欄效應。例如：截取信號長度為,則可獲得譜線的頻率為(基波)，,。如果信號有的峰值分量，則被柵欄擋住而無法檢驗出來。這種情況可以通過提高頻率的分辨率f來改善：。增大t將會減小采樣頻率，故需注意必須保證滿足采樣定律。增大n，要滿足的要求。對于某些衰減信號可以采取補零來增加n的數值。2、泄漏時域無限長信號被截斷，相當于用矩形窗函數或0（其它）與相乘，窗外時域信息全部損失，導致頻域增加頻率分量的現象。4.2虛擬頻譜分析儀的整體設計本課題設計的虛擬頻譜分析儀即可以對虛擬信號發生器所產生的仿真信號進行頻譜分析。也可對經數據串口采集系統采集到的外部信號進

47、行頻譜分析。其中，在對外部信號進行頻譜分析時，外界被測信號經數據采集卡進行ad轉換，將模擬信號轉換為數字信號，然后由軟件對被測試信號進行頻譜分析和處理，最后得到測試結果，并按要求將它們顯示或儲存起來。虛擬頻譜分析儀主要由數據采集部分和虛擬儀器前后面板組成。其中虛擬儀器面板的軟件設計部分為重點。數據采集主要通過labview中的visa控件來對數據進行采集。而儀器面板部分的設計則是根據用戶自己的需要來設定。本文中設計的虛擬頻譜分析儀，可以實現仿真輸入信號的需要參數的自主設定。4.3硬件部分 計算機與數據串口組成了虛擬頻譜分析儀的硬件平臺的基礎。數據串口是虛擬頻譜分析儀的重要組成部分，其性能指標直

48、接影響著虛擬頻譜分析儀的采樣速率、精度等重要指標的因素。本課題中是基于計算機串口和labview控件中visa讀入與寫出模塊對試驗臺信號進行數據采集的。由于時間有限，且實驗室的計算機串口協議不通，此部分未能完成，在設計中只用仿真信號對程序進行了驗證試驗。4.4 軟件部分的設計4.4.1 前面板的設計此次設計是應用的labview8.2版本。對于前面板模塊設計是用于設置輸入數值和觀察輸出量，模擬真實頻譜分析儀的前面板。虛擬面板由于直接面向用戶，因此是頻譜分析儀控制軟件的核心。我們設計這部分時，主要考慮界面美觀、操作簡潔、滿足需要，用戶能通過前面板上的各種按鈕、開關等控制鍵來控制虛擬頻譜分析儀的工

49、作。根據傳統頻譜分析儀的面板控鍵功，利用labview中的控制模板，分別在設計面板上放入模擬實際控鍵的顯示器、選項卡選擇控鍵、濾波器選擇控件、信號參數設定控件、結果顯示控件等。圖4-3就是本次設計的頻譜分析儀前面板，從前面板上可看出此頻譜分析儀有如下的功能：1、仿真信號選擇功能。在前面板上設定了信號類型的選擇工具條。用戶可以通過此自由選擇輸入需要的仿真信號，例如，加噪聲的正弦波、方波、三角波等。此外，還另外設置了初始信號的頻率、幅值等的可供選擇性。2、波形顯示功能。在前面板放置有波形顯示模塊，點擊窗口左上角的“連續運行”按鈕，即可顯示出濾波前后信號波形的效果。另外，還可以顯示出信號處理分析后的

50、結果，幅值譜的圖形顯示和功率譜的圖形顯示。且可對信號幅值的峰值、功率的峰值進行數字顯示。3、濾波器選擇功能。本設計中，濾波器模塊添加了巴特沃斯濾波器、貝塞爾濾波器、fir加窗濾波器、低通濾波器、帶通濾波器等，用戶可通過前面板的選擇按鈕來選擇不同的濾波器觀察其濾波效果。此外，還可自主對濾波器的采樣頻率、階數等進行調整。4、控制仿真信號的幅值和頻率以及濾波器的采樣頻率、階數的功能。這些設計功能引用的是同一種模塊，所以設置6個這樣的模塊來控制仿真信號的幅值和頻率，濾波器的采樣頻率、階數和類型選擇。這樣就可以直接改變仿真信號的幅值、頻率模塊上的值來放大或縮小仿真信號的幅值、頻率，以方便適應不同情況，同

51、樣也可直接改變濾波器的階數、采樣頻率來實現在不同情況下的各種波形。還可以實現不同頻率仿真信號的濾波，從而不受仿真信號頻率的控制。這樣就可以不管輸入什么頻率的仿真信號，你都可以通過改變濾波器的階數、采樣頻率和類型來實現不同的的濾波效果。圖4-3 虛擬頻譜分析儀前面板上述介紹的這些功能就是本次設計虛擬頻譜分析儀的到所有功能，將這些功能模塊集合在一起就組成了本次虛擬示波器的前面板 ，再將這些功能模塊合理的放置一下就使得前面板顯得更加的簡潔、美觀。虛擬示波器前面板圖具體見圖4-3。如圖所示，在顯示模塊的左邊共有六個控制輸入參數的按鈕。信號參數設定模塊可以設定仿真輸入信號的頻率、幅值和類型的選擇。濾波器

52、模塊可以輸入設定濾波器的采樣頻率、階數、和類型的選擇。在右邊有三個數值顯示模塊，可以分別顯示濾波后波形的正峰、反峰和峰峰值的大小。在功率譜中也添加了功率譜峰值估計的數值顯示模塊，可以直接多出功率峰值。4.4.2 程序框圖的設計每一個程序前面板都對個流程應著一圖程序。前面板的設計完成后，可進行流程圖程序的設計。打開labview設計壞境中的窗口顯示程序框圖，進入流程圖的編輯窗口，與前面板各控鍵對應的端口圖標自動出現在流程圖的編輯窗口中。利用labview中的功能模板，根據虛擬頻譜分析儀前面板的各控鍵的作用與聯系，虛擬示波器運作后數據流的控制，分別在流程圖設計面板中放置各個功能模塊，合理擺放后，用

53、連線工具依次連接，以實現虛擬示波器的功能。數據流的編輯主要是對端口圖標的連接，用連線工具進行連接時，如果端口閃爍，說明相連的數據類型匹配，否則不能連接。本課題設計的程序框圖如下圖4-4所示。 圖4-4 程序框圖4.4.2.1 仿真信號生成模塊labview的函數庫中有豐富的仿真信號，如方波、正弦波、三角波等。設計時只需將所要的各個子vi放入一個case結構即可構成典型的信號生成模塊。也可以利用聲卡采集到的聲音信號進行處理分析。仿真信號生成的程序框圖設計如圖4-5所示。在設計過程中，包含了一個case結構，在case結構中有正弦+均勻白噪聲、方波、三角波。如果想得到其它噪聲的波形，則可以在設計的

54、程序框圖中對其屬性進行更改，即可以得到想要的噪聲，例如：本課題中添加的是均勻白噪聲。也可以對采樣率進行設置，從而滿足采樣定理。聲卡采集部分的電路設計將在硬件部分介紹。圖4-5 仿真信號生成程序框圖4.4.2.2 濾波器的設計濾波器模塊是在頻譜分析之前對信號進行模擬和數字兩種濾波處理，使輸出信號中存在的干擾噪聲盡量減小，提高頻譜測量的精準度。濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，極大的衰減其它頻率成分。在測試測量裝置中利用濾波器的這種選頻特性，可以濾除與輸入信號頻率不同的各種干擾噪聲信號的干擾。本課題中，分別選擇了巴特沃斯、貝塞爾、fir加窗、低通、帶通等濾波器，供選擇，在前面板

55、通過選擇不同的濾波器可以觀察到不同的濾波效果。濾波器的程序框圖如圖4-6所示， 圖4-6 低通濾波器的程序框圖下圖是本課題供選擇的濾波器中，低通濾波器的濾波效果圖，如下圖4-7所示。下圖中展示的是測試仿真信號方波信號波形的濾波效果。其中，左圖是加均勻白噪聲的方波，右圖是經過低通濾波器濾波后的信號。通過效果圖形可以明顯的看出，經過濾波后，噪聲的毛刺明顯減少，并且原始測試信號失真度不大。濾波達到了理想的效果。圖4-7 濾波的程序框圖4.5 窗函數的設計數字信號處理的主要數學工具是傅里葉變換而傅里葉變換是研究整個時間域和頻率域關系的橋梁。不過，當運用計算機實現工程測試信號處理時，不可能對無限長的信號進行測量和運算，而是取其有限的時間片段內的信號波形進行分析。做法是從信號中截取一個時間片段，然后用觀察的信號時間片段進行周期延拓處理，從而得到虛擬的無限長的信號，然后就可以對信號進行傅里葉變換、相關處理分析等數學處理。無線長的信號被截斷以后，其頻譜發生了一定的畸變，原來集中在處的能量被分散到兩個較寬