基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计_杜伟宁

　第47卷　第3期吉林大学学报(理学版)V o l .47　N o .3　2009年5月J o u r n a l o f J i l i nU n i v e r s i t y (S c i e n c e E d i t i o n )

M a y 2009基于L a b V I E W 的虚拟频谱分析仪设计

杜伟宁,赵晨光,王　冕,王洪伟

(吉林大学仪器科学与电气工程学院,长春130061)

摘要:基于虚拟仪器原理,采用L a b V I E W 软件平台,构建一种虚拟频谱分析仪.该仪器能同

时进行时域与频域分析,对复杂信号进行加窗和滤波处理,得到信号的频率、频率响应等参

数,并具有数字显示、图形绘制、数据存储和查看存储数据等功能.实验结果表明,该仪器解

决了传统测试仪器的成本高、开发周期长、数据人工记录等问题.

关键词:频谱分析;虚拟仪器;L a b V I E W ;数据采集

中图分类号:T P 391 文献标识码:A 文章编号:1671-5489(2009)03-0548-05

D e s i g n o f V i r t u a l S p e c t r u m A n a l y z e r B a s e d o n L a b V I

E W

D UW e i -n i n g ,Z H A OC h e n -g u a n g ,WA N GM i a n ,W A N GH o n g -w e i

(C o l l e g e o f I n s t r u m e n t a t i o na n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,J i l i nU n i v e r s i t y ,C h a n g c h u n 130061,C h i n a )

A b s t r a c t :

B a s e d o nt h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l i n s t r u m e n t ,av i r t u a l s p e c t r u m a n a l y z e r w a s c o n s t r u c t e dv i at h e s o f t w a r e p l a t f o r m o f L a b V I E W .T h e i n s t r u m e n t c a ni m p l e m e n t t h ea n a l y s i s o f t i m e -d o m a i na n df r e q u e n c y -d o m a i n p r o c e s s t h e c o m p l e x s i g n a l v i a a d d i n g w i n d o w s a n d f i l t r a t i o n ,g e t t i n g t h e p a r a m e t e r ,s u c h a s f r e q u e n -c y ,f r e q u e n c y r e s p o n s e w i t h t h e d i s p l a y o f d i g i t a l ,t h e p l o t o f f i g u r e ,t h e s a v e a n d e x a m i n e o f d a t a e t c ,w h i c h m a k e s h i g h c o s t l o w e r ,l o n g d e v e l o p m e n t c i r c l e s h o r t e r ,a n d m a n u a l r e c o r d r e p l a c e d .

K e y w o r d s :s p e c t r u m a n a l y s i s ;v i r t u a l i n s t r u m e n t ;L a b V I E W ;d a t a a c q u i s i t i o n

收稿日期:2008-12-05.作者简介:杜伟宁(1984～),男,汉族,硕士研究生,从事集成电路设计及虚拟仪器技术的研究,E -m a i l :d w n i n g 8@s i n a .c o m .随着微电子、计算机、网络通信和软件技术的高速发展,一些传统仪器开始向计算机化方向发展,虚拟仪器(V I )应运而生.虚拟仪器可借助P C 机强大的计算及处理能力,以软件替代硬件,由用户自定义和扩展功能,且价格低廉,应用广泛.

在测试领域[1]

中,频谱分析仪是一种重要的常用仪器.传统频谱分析仪的硬件电路复杂,生产技术要求较高,价格昂贵.本文基于L a b V I E W 设计了一台虚拟频谱分析仪,并用软件代替硬件,基于计算机强大的分析处理能力,将一些先进的数字信号处理方法[2]运用于软件设计中,实现了虚拟仪器代替传统频谱分析仪,并得到很好的效果.在已有的硬件基础上,通过软件重构,还可以构成虚拟示波器、虚拟失真度测试仪、虚拟频率特性测试仪等其他仪器.1　虚拟频谱分析仪的结构

1.1　原理及其实现方法

本文采用数字处理式频谱分析原理设计虚拟频谱分析仪[3-4]

.工作流程如下:连续时间信号经过采样变为离散时间信号,利用L a b V I E W 强大的数字信号处理功能,对数据进行滤波、加窗、F F T 运算处理,得到信号的幅度谱、相位谱及功率谱等.

采样过程中,对不同的频率信号,选用合适的采样速率,以满足采样定理,防止频率混叠.进行傅DOI :10.13413/j .cn ki .jd xblxb .2009.03.042

里叶变换的数据在理论上应为无限长的离散数据序列.实际上,只能对有限长的信号进行分析与处理,所以必须对无限长的离散序列进行截断,只取采样时间内的有限数据,从而存在着频谱泄漏问题.本文设计中分别用矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布来克曼窗等窗函数减少频谱泄漏.由于取样信号中混叠噪声信号,因此为了消除干扰,在进行F F T 变换前,应先进行滤波处理.本文设计采用巴特沃斯(B u t t e r w o r t h )、切比雪夫(C h e b y s h e v )、椭圆(E l l i p s e )、贝塞尔(B e s s e l )等滤波器进行滤波.

1.2　系统构架

本文设计一个双通道虚拟频谱分析仪,是由计算机(应用L a b V I E W 8.2软件开发)、数据采集硬件板卡(前置程控放大、高速数据采集、C P L D 逻辑控制等)以及数据通信接口总线(选用支持U S B 2.0接口的E Z -U S BF X 2系列芯片)组成,总体设计框图如图1所示.

图1　虚拟频谱分析仪的设计框图

F i g .1　B l o c kd i a g r a m o f v i r t u a l s p e c t r u m a n a l y z e r

被测信号通过放大、滤波和隔离等处理[5],调理后的信号经数据采集卡进行A /D 转换,将模拟信号转换为数字信号,最后由控制软件对测试信号进行频谱分析和处理,得到测试结果,并按要求显示和存储结果.采用吉林大学仪器科学与电气工程学院自主研制的“V I E T S 虚拟仪器实验教学系统”中数据采集卡V I -5102进行数据采集,有两个模拟输入通道,支持两路单端或差动模拟信号输入,具有双8位的连续A /D 转换,3个10位的定时计数器,允许系统设置D M A 、中断和基本的输入/输出地址,避免了与系统中其他板卡的地址冲突.最大抽样速率为40M S /s ,输入信号为-5～+5V 或0～10V ,采集的数据通过U S B 总线上传至上位机进行数据处理.

2　虚拟频谱分析仪的设计

2.1　软件开发平台

图2　系统的软件流程

F i g .2　F l o w c h a r t o f s y s t e m s o f t w a r e 本文设计采用美国N I 公司的L a b V I E W 平台,L a b V I E W 是基于图形化编程语言的开发环境[6],它

通过建立和连接图标构成虚拟仪器程序,而无需像传统的文本编辑形式一样编写源代码实现.L a b V I E W 虚拟仪器程序[7]

(简称为V I ),主要包括三部分:前面板、框图以及图标和连接器,其中前面板是V I 的交互式用户界面,是用户和程序代码发生联系的窗口;框图是V I 的源代码,由图标、连线等符号组成;图标和连接器则用于指定数据流进和流出的路径,图标是V I 的图形符号,连接器则对输入和输出进行定义.完整的L a b V I E W 程序设计包括前面板设计、框图程序设计、程序调试及可执行程序生成.

2.2　软件流程

组建虚拟频谱分析仪系统的关键是软件编程,即根据功

能要求编制相应的功能模块[8],基于L a b V I E W 8.2调用动态

链接库采集波形数据[9],实现通信并将采集到的数据进行软

件处理,实现频谱分析的功能,软件流程如图2所示.

2.3　部分模块设计

2.3.1　频谱分析模块　将时域信号变成频域信号再分析称

为频谱分析.多数情况需要观察频谱图进行频率分析.图3

为频谱分析功能程序框图,程序采用“复数至极坐标转换”函

数将F F T 的输出分解为幅值和相位,其中相位的单位为弧度549　第3期 杜伟宁,等:基于L a b V I E W 的虚拟频谱分析仪设计

550 吉林大学学报(理学版) 第47卷　(r a d).

图3　频谱分析框图

F i g.3　B l o c kd i a g r a m o f t h e s p e c t r u m a n a l y s i s

2.3.2　幅频-相频特性分析　当一个测试系统输入任意信号为x(t),输出为y(t)时,输出和输入间的傅里叶变换比是一个关于频率的复变函数,称为频率响应函数H(jω)(=Y(jω)/X(jω)).在实际应用中,H(jω)常用其模A(jω)和相角φ(jω)表示,称为测试系统的幅频特性和相频特性.幅频-相频特性曲线可由幅频-相频特性分析程序获得,相应曲线绘制于程序的前面板,如图4所示.

图4　幅频-相频特性分析框图

F i g.4　B l o c kd i a g r a m o f t h e f r e q u e n c yc h a r a c t e r a n a l y s i s

2.3.3　谐波失真度分析　利用谐波失真度分析,可以实现正弦波的失真度测量.A u t o C o r r e l a t u o n.v i 输出的互相关序列为:

R x y j=∑X k X j+k,j=-(M-1),-(M-2),…,-1,0,1,…,M-2,M-1,k∈[0,N-1],

其中,X j=0(j<0或j≥N),Y j=0(j<0或j≥M).用谐波失真度分析程序可得自功率谱、功率谱、总谐波失真度(T H D%)、基波频率和N次谐波分量的幅度等,如图5所示.

2.3.4　互相关运算　L a b V I E W软件中对信号的互相关运算子V I已给出,可直接调用实现该功能.在频域分析中,以电压为例,将畸变的周期性电压分解成傅里叶级数:u(t)=∑U n s i n(nωt+αn),其中,ω表示基波的角频率(r a d/s),n表示谐波次数,U n表示第n次谐波电压的均方根值(V),αn表示第n次谐波电压的初相角(r a d),M表示所考虑的谐波最高次数,由波形的畸变程度和分析准确度的要求决定,通常取M≤50.

电压谐波总的畸变率T H D为:T H D=U1×100%.由于各次谐波的均方根值U n与其幅度A n存在关系,所以也有:T H D=A1(f1)×100%.图6为互相关运算子Ⅵ的框图.

2.3.5　频率响应　频率响应函数是描述测量系统动态特性的重要参数,是系统输出与输入的傅里叶变换之比,即

图5　谐波失真度分析框图

F i g .5　B l o c kd i a g r a m o f a c c u r a c yh a r m o n i c a n a l y s i s

H (j ω)=Y (ω)/X (ω),(2.1)

其中Y (ω)为加窗函数或滤波之后的输出,X (ω)为输入的原始波形.将式(2.1)乘以X (ω)的共轭复数可得

H (j ω)=Y (ω)X ＊(ω)/(X ＊

(ω)X (ω)),(2.2)

其中Y (ω)X ＊(ω)=S 为互功率谱密度,X ＊(ω)X (ω)=S 为自功率谱密度.因此,可以用测试系统激

励信号与输出信号的互功率谱密度函数除以激励信号的自功率谱密度函数求系统的频率响应函数.

图6　互相关运算子Ⅵ的框图F i g .6　B l o c kd i a g r a m o f c o r r e l a t i n g o p e r a t i o

nⅥ图7　数据存储及波形回放框图

F i g .7　B l o c kd i a g r a m o f t h e d a t a s t o r a g e a n dw a v e p l a y b a c k

2.3.6　窗函数设计　在实际应用的信号采样系统

中,即使考虑采样定理及采样条件,也只能取得一

部分局限的信号记录.但在实时系统中,局限的信

号记录将产生谱信息泄漏,导致实时系统的谱特征

对于原始连续时间谱特征形成假象,谱泄漏数量取

决于信号不连续的程度.可以使用平滑窗,减少每

个采样周期边界上信号的不连续程度.它包括一个

与时域信号相成定长的窗,该窗幅度变化较平缓,且在边缘处逐渐趋于零.因此,在对定长数据应用傅里叶变换或谱分析时,可以应用窗修正波形的转折沿,以减少谱泄漏.加窗函数类型有:H a r m i n g ,H a m m i n g ,B l a c k m a n -H a r r i s ,E x a c t B l a c k m a n ,B l a c k m a n ,F l a t T o p ,4T e r mB -H a r r i s 和7T e r m B -H a r r i s 等.它们的适用条件各不相同,可根据使用者的需求及输入波形的特点选择适当的窗.

2.3.7　数据存储及波形回放　用相位累加器的输出数据作为取样地址,对正弦波波形存储器进行相位幅值转换,即可在给定的时间内确定输出的波形幅值.图7为数据存储及波形回放程序框图,测量数据可以有选择的进行保存、回放及打印,避免了大量测试结果人工记录的烦琐,同时也为计算机处551

　第3期 杜伟宁,等:基于L a b V I E W 的虚拟频谱分析仪设计

理实验结果数据提供了方便.

3　虚拟频谱分析仪的功能测试

虚拟频谱分析仪选用通用函数信号发生器(E M1634)进行测试,该信号发生器可以自由设置输入信号的波形类型、频率及幅值.时域信号频谱分析可通过观察虚拟频谱分析仪面板上的显示与理论计算值的比较判断正确与否,以验证虚拟频谱分析仪模块的设计是否正确.实验测试信号如图8和图9所示,图8为输入10H z与20H z的正弦信号叠加,经分析后得到正确的频谱图,图9为一正弦波作为激励信号,激励信号的频率为10H z,幅值为1V,初始相位为0,响应信号是一个同频率、同幅值的余弦信号,两者之间的相位差为90r a d,计算频率响应的幅度谱和相频谱如前面板所示.实验结果表明,

虚拟频谱分析仪显示的信号较稳定,输出频谱分量明显,与理论计算值相符

.

图8　频谱分析结果前面板显示

F i g.8　R e s u l t s o f s p e c t r u m a n a l y s i s b y

f r o n t p a n e l d i s p l a y i n

g

图9　幅频-相频特性结果前面板显示

F i g.9　R e s u l t s o f f r e q u e n c y c h a r a c t e r a n a l y s i s b y

f r o n t p a n e l d i s p l a y i n g

综上可见,我们设计的虚拟频谱分析仪具有操作界面友好、可靠性高、价格低廉、实用性强等优点,它基于计算机的强大处理能力,采用软件替代硬件实现了频谱分析,用加窗的方法减少频谱泄漏并可以按要求存储数据,实现了存储波形回放等功能,具有广阔的发展前景.

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