LabVIEW下虚拟频谱分析仪的设计与实现

x ( t) =
k= -
X (k
0
) ej
0t
( 1)
式中, X k
0
为第 k 次谐波的幅度。
+
X(j ) =

x ( t) e- j t d t
( 2)
式中, X j 称为 x t 的频谱密度函数或频谱函数。 设计中 , 模拟信号 x ( t) 进入计算机前先经过数据 采集卡 ( DAQ ) 中的采样器。在满足采 样定理的条件 下 , 将连续时间信号变为离散时间信号。计算机上实 现信号的频谱分析及其他方面的处理工作时, 对信号 的要求是: 在时域和频域都应是离散的, 且都应是有限 长的。 DFT 可以满足这个要求: 将采样后的连续信号 用窗函数截成 N 点序列。 DFT 运算中 包含大量的重 复运算 , 充分利用这一特点可以简化运算 , 于是出现了 快速傅里叶变换 ( FFT ), 在 L ab V IEW 中有相应的模块 进行快速傅里叶变换。
2 虚拟频谱分析仪的构成
虚拟频谱分析仪由硬件和 软件两个基本 要素构 成。硬件是基础 , 主要负责被测信号的获取、 传输、 存 储处理和输入 /输 出等工作 , 由计算机和 I /O 接口设备 组成。本设计中 , I/O 设备为基于 USB 的数据采集卡。 软件是虚拟仪器的关键 , 系统可以对两种不同信号进 行分析 , 分别是由数据采集卡得到的被测信号和软件 产生的虚拟信号。软件功能共分为 3 大部分: 数据采 集、 谱分析 ( 幅度、 相位、 功率 ) 和数据记录。图 1 为虚 拟频谱分析仪的前面板。
图 3 幅 度谱和相位谱函数
所以, 方波只包含奇次谐波分量 , 经过计算 : 4 2 基波分量: 频率为 100 H z, 振幅为 = 2 . 55 V, 有效值为 1 . 8 V; 3 次谐波分量: 频率为 300 H z , 振幅为 0 . 85 V, 有效值为 0 . 6 V; 1 3 4 2 =
x ( t) = 4 2 sin( t) + 1 1 sin( 3 t) + sin( 5 t) + 3 5 = 2 /T ( 10 )
4 . 2 编程实现 L abV I EW 在信号处理子模 板中提供了与 信号频 谱分析有关的函数供设计者调用。以幅度谱为例, 函 数的调用路径: 函数 信号处理 谱分析 幅度谱和 相位谱。执行上述操作后 , 出现函数如图 3 所示。
收稿日期 : 2010- 4- 09 作者简介 : 张黎 ( 1981 ), 女 , 讲师 , 硕士研 究生 , 主要 研究方向 为智能化信息处理系 统 。
3 数据采集
3 . 1 数据采集卡 硬件部分是由计算机和数据采集卡组成的多通道 多参数测量系统。电信号经调理电路转换为标准信号 后 , 由采集卡通过多路模拟开关、 A /D转换芯片等几
P (k) = 1 1 X ( k) X* ( k ) = X ( k ) 2, ( 0 N N k N - 1) ( 7)
*
6 测试实例
以方波信号为例 , 先理论分析各次谐波的分量 , 再 通过虚拟和实际采集两种方式进行实验验证。 分析对 象为图 5 中 的方波 , 幅度为 2 V, 频 率为 100 H z , 按照傅里叶级数公式展开
= 2 f )为横坐标变量 X ( k ) 为相位角。
( 6)
m [X ( k ) ] X ( k ) = a rctan I R e[ X ( k ) ]
它的大小不会影响各复指数频率分量的大小, 但 能提供这些频率的初始相位信息。 ( 3) 功率谱。 信号 x ( n ) 的离散傅里叶变换 X ( k ) 一般是一个复 数 , X ( k ) 与其共轭 X ( k ) 之积称为自功率谱, 简称自 谱或功率谱。
Abstract : T he v irtua l spectru m analyzer is desig ned based on the so ftw are deve lo pm ent p latfor m of LabV IEW. The system consist o f signal acquisit ion, spectrum analysis and data storage and p layback . Spectrum ana ly sis is com posed o f a m p litude spectrum, phase spectrum, and pow er spectrum. K ey w ord s : v irtua l instrum en; t spectrum ana ly zer ; LabV IEW 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。与传 统仪器相比 , 其特点是 : 硬件成 本大大降低; 用 户可自定义功能; 开放、 灵活 ; 便 于组成测试系 统。因此, 它成为频谱分析仪目前的发展方向。 写类似于流程图的构建; 高效性 , 提供了丰富的库函数, 包括数据采集、 分析及存储等, 使工程技术人员能够快速构造自己的 仪器系统; 开放性 , 可根据实际情况进行更新扩展; 网络编程功能强大 , 支持常用的网络协议, 便 于远程测控仪器的开发。
( 2) 相位谱。 信号的相位谱指以频率 f ( 来描述信号的相位变化规律,
5 数据记录
在自动测试过程中, 建立安全、 高效的数据记录是 非常重要的。 L ab VI EW 中提供很多模块, 这里采用的 是 波 形 记 录 的 方式。涉 及 到 的 核 心 函 数 有 3 个: W rite W avefor m s to F ile( 写入波形至 文件 ) , Read W aveform s from F ile ( 从 文 件 读 取 波 形 ) , Export W aveform s to Spreadsheet F ile( 导出波形至电子表格文 件) 。 函数调用方式为 : 函数 波形 波形文件 I /O 写入波形至文件。按照需求配置参数 , 就可以进行波 形文件的记录、 读出和格式转换。
X ( k) =
j X (k ) X ( k) e
27
Amp Spectrum P hase = p hase(FFT ( S ignal) /N ) ( 9)
( 4) 图 4 幅度谱程序
离散傅里叶变换的模表示信号 x ( n ) 各复指数信 号的频率分量的大小。
X ( k) = { R e[X ( k ) ] } 2 + { Im [ X ( k ) ] } 2 ( 5)
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测控技术 2011 年第 30 卷第 1 期
图 1 虚拟频谱分析仪前面板
个部件 将 模拟 信号 转 换成 数 字信 号。计 算机 通 过 L abV I EW 软件开发程序, 调用设备驱动 , 对数据采集 卡进行控制。 USB2013 采集卡通过 USB 电缆连接到计 算机构 成的数据采集硬件部分 , 其 A /D 转换器和 D /A 转换 器分辨率为 12 b i, t 提供了 16 路单端或 8 路双端的模 拟输入通道和 4 路 D /A 输出通道。 A /D 转换器输入 信号范围为 - 5~ + 5 V、 - 10~ + 10 V 和 0~ 10 V。 3 . 2 数据采集驱动程序 L abV I EW 提供的数据采集 卡驱动程序的 开发方 式有 3 种: 直接端口读 /写方式 ( I/O 方式 ); 调用 C 语言源代码方式 ( C I N 方式 ); 调用动态链接库的方式 ( CLF 方式 ) 。 本系统采用第 3 种方式。 动态链接是一种应用程序在运行时与库文件链接 起来的技术 , 它是在应用程序运行时被装入和链接的, 而不是把源代码复制到应用程序中去 , 因此使用动态 链接库可以实现多个应用程序之间代码和资 源的共 享。 L abV I EW 可以调用大多数编程语言编写 生成的 动态链接库。调用方法为 : 函数 互连接口 库与可执行程序 调用库函数 节点 Ca ll L ib rary Function Node 。之后双击 Ca ll Li brary Functio n Node , 将弹出 调用库函数 对话框, 可 以对要调用的动态链接库及其函数进行设定, 如库名、 路径、 函数名以及调用规范。单击 参数 , 将切换到 参数设定窗口, 可添加函数的参数。 需要注意的是, 调用规范的设置应与创建动态链 接库时的编译模式相一致, 否则会发生不可预见的错 误而退出程序。设定好后, 单击 确 定 按钮 , 配置库 函数后 , 可以按照图 2 的流程图通过采集卡的 A /D 设 备对模拟量进行采集。
1 LabV IEW 在虚拟仪器中的优势
软件 开 发 环 境 采 用 的 是 美 国 N I 公 司 的 Lab V IEW, 这是一个标准的数据采集和仪器控制软件。该 软件功能强大且灵活 , 利用它可以方便地建立自己的 虚拟仪器, 因此该软件很快成为测试、 测量和控制设计 的专用工具。 其特点如下 : 入门简单 , 采用图形化编程方式 , 使程序的编
N -1 nk x ( n )WN , ( k = 0, 1, n= 0
X (k) =
, N - 1) ( 3)
WN = exp - j
2 N
( 1) 幅度谱。 信号的幅度谱指以频率 f ( = 2 f )为横坐标变量
L abV I EW 下虚拟频谱分析仪的设计与实现 来描述信号的幅值变化规律。在对信号进行快速傅里 叶变换 ( FFT ) 之后 , 可以进行幅度谱的分析。N 点长 序列 x ( n ) 的 DFT 结果 X ( k ) 是离散的复序列 , 可以用 下式表示