虚拟仪器 LABVIEW 第3章3-2 频率周期测量和频谱分析
基于labview的频谱分析
摘要信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域,而频谱分析正是信号处理中一个非常重要的分析手段。
一般的频谱分析都依靠传统频谱分析仪来完成,价格昂贵,体积庞大,不便于工程技术人员的携带。
虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路,用软件代替了硬件。
使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。
关键字：Labview；信号处理；频谱分析。
目录1 目的及基本要求 12 频谱分析仪程序设计原理 13频谱分析仪设计和仿真 23.1 总体程序设计 23.2各功能模块详细设计 83.3 程序存在的不足 114 结果及性能分析 124.1 运行结果 124.2性能分析 13参考文献 141 目的及基本要求熟悉LabVIEW开发环境，掌握基于LabVIEW的虚拟仪器原理、设计方法和实现技巧，运用专业课程中的基本理论和实践知识，采用LabVIEW开发工具,实现梦幻钢琴程序游戏的设计和仿真。
要求通过本课程设计使学生熟悉LabVIEW开发环境，掌握基于LabVIEW的虚拟仪器设计原理、设计方法和实现技巧，使学生掌握通信系统设计和仿真工具，为毕业设计做准备，为将来的学习及今后从事科学研究、工程技术工作打下较坚实的基础。
利用LabVIEW强大的虚拟仪器开发功能，可实现基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪功能，采用数字方法直接由模拟／转换器(ADC)数字对输进信号取样，再经滤波，加窗函数处理后获得频谱图。
2频谱分析仪设计原理采用数字处理式频谱分析原理设计虚拟频谱分析仪.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LabVIEW强大的数字信号处理功能,对数据进行滤波、加窗、FFT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FFT变换前,应先进行滤波处理.本文设计采用巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、椭圆(Ellipse)、贝塞尔(Bessel)等滤波器进行滤波.3 频谱分析仪设计与仿真3.1总体程序设计本文设计的虚拟频谱分析仪由周期性信号发生器和频谱分析器两个子模块组成。
毕业设计基于labview的信号频谱分析仪设计[管理资料]
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基于LABVIEW的信号频谱分析仪设计摘要随着科学技术的进步，对测量技术的要求越来越高。
电子测量技术在各个领域得到越来越广泛的应用，传统的电子测量仪器由于其功能单一，体积庞大，已经很难满足实际工作的需要。
集成电路和计算机技术的迅猛发展使电子测量仪器逐渐向数字化、智能化方向发展，与传统仪器相比表现为：功能更强、处理速度更快、频带更宽、用途更广、操作更简单、体积更小、可扩充性更好。
微型计算机的普及程度和性能不断提高，使得基于PC平台的虚拟仪器系统应运而生。
虚拟仪器可以充分利用计算机的运算、存储和显示功能，因而在降低仪器成本的同时使仪器的灵活性和数据处理能力大大提高，可以很好地满足学校科研和教学改革的需要。
本文论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统的实现方案，重点讨论了在数据传输、显示和处理中的关键技术。
使用USB数据采集卡，最终实现了基于 PC 平台的，具有频率计和频谱分析仪功能的数字存储示波器系统。
本文所选用的软件 LabView 是美国 NI 公司的创新软件产品，也是日前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。
它具有开发周期短、运行速度快、可重用性、使用方便灵活等优点。
因此LabView 对虚拟存储示波器的设计是一种最理想的方法。
关键词：虚拟仪器；数字存储示波器；谐波分析仪；LabView仪器驱动程序THE DESIGN OF SIGNAL SPECTRUM ANALYSER BASED ON LABVIEWABSTRACTWith the advancement of science and technology, the development of measurement technique is getting more and more important. The application of electronic measurement technique has extended to more fields than ever. Due to limited functions and big size, traditional electronic measurement equipment is no longer suited for common purposes. Thanks to the rapid development of integrated circuit and computer technology, measurement instruments are becoming digitized and with traditional equipment, the new instruments have more functions,higher processing speed, wider bandwidth, friendlier interface,smaller size and better expandability. The prevalence and rocketing development of personal computers give birth to a new kind of instrument, Virtual Instrument (VI). VI is based on PC platform, and can make use of the software and hardware resources of a PC. Compared with its ability of data processing and flexibility, VI has a low price, which means it is a good choice for research and teaching reform inuniversities.This dissertation discusses the implementation of a signal acquisition system,based on the concept of VI and focuses on key techniques in data transmission, display and processing. With a USB data acquisition card connectedto PC, a digital storage oscillograph (DSO) with the function of cymometer and spectrum analyzer is is the innovate software of national instruments corps, of is also the most widely used、the most quickly developing and the strongest function gragh has short epolder and fast LabView is the best way of design virtual digital storage oscillogragh.Key words: virtual instrument；digital-storage oscillograph；Harmonic-Analyser LabVIEW-instrument driver equivalent目录1 绪论 (6)虚拟仪器的概念 (6)虚拟仪器的组成 (6)虚拟仪器的特点及优势 (7) (10)本课题的意义 (10)2 数据采集和谐波分析理论 (13)数据采集理论基础 (13)快速傅立叶变换(FFT) (15)准同步采样 (18)谐波分析理论 (21)谐波分析原理 (21)谐波参数定义 (23)功率概念 (24)3 系统软硬件开发平台 (25)系统软件开发平台-LABVIEW (25)系统硬件平台 (28)4系统软件体系结构 (19)软件总体构成 (19)数据采集过程 (33)系统应用程序设计 (34)5 仿真结果和误差分析 (44)仿真结果 (30)误差分析 (34)6 结论和展望 (36)结论 (36)展望 (36)参考文献 (50)致谢 (40)1 绪论虚拟仪器的概念虚拟仪器[1](Virtual Instrument ,VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)最先提出的。
基于LabVIEW和MATLAB的频谱分析仪设计
固《计量与洲斌桂术）２００７牟第３４卷第９期基于ＬａｂＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ的频谱分析仪设计ＤｅｓｉｇｎｏｎｔｈｅＶｉｒｔｕａｌＳｐｅｃｔｒｕｍＡｎａｌｙｓｉｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＢａｓｅｄｏｎＬａｂＶＩＥＷａｎｄＭＡＴＩＡＢ陈华丽（武汉科技大学，湖北武汉４３００８１）摘要：介绍丁基于ＬａＪ）ＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ的虚拟频藩分析仪的设计过程。
重点阐述了基于ＬａｂＶＩＥＷ的前赍用户界面设计、基于ＭＡＴＬＡＢ的后台信号分析算法研制两部分。
该仪器充分发挥了ＭＡＴＬ＾＿Ｂ的数值运算功能、ＬａｂＶＩＥＷ的动态显示和虚拟仪器特睦，以极小的成本实现了传统频谱分析仪的功能，且具有鏖好的扩展性和人机界面。
关键词：囝彤化编程；频谱分析仪；虚拟仪器１引言信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域，面频谱分析又是信号处理中一个非常重要的分析手段。
一般的频学分析都依靠传统频谱分析仪来完成，价格昂贵，体积庞大，不便于工程技术人员的携带。
虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路，用软件代替了硬件，使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。
在工程领域中，ＬａｂＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ是倍受程序开发人员青睐的两种语言，剐于一些需要做大量数据运算处理的复杂应用以及某些复杂的频谱分析算法ＬａｂＶＩＥＷ显得有些力不从心。
而ＭＡＴＬＡＢ不能实现端口操作和实时控制，在界面方面也稍逊一筹。
在实际工程应用中将二者结合起来取长补短，具有非常实用的价值。
本文将重点介绍基于ＬａｂＶＩＥＷ和ＭＡＴ—ＬＡＢ的虚拟频谱分析仪的设计。
２基于ＬａｂＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ的虚拟频谱分析仪的设计２．１基于ＬａｂＶＩＥＷ的前台用户界面设计信号分析模块的前面板设置了一个ＷａｖｅｆｏｒｍＧｒａｐｈ控件进行波形显示，显示对信号进行各种分析的结果。
分析仪能够同时进行时域分析和频域分析，时域分析包括微分、积分、卷积、自相关和互相关，频域分析包括Ｆ丌、Ｈｉｌｂｅｒｔ变换、小波变换、Ｈａｒｔｌｅｙ变换和ＩＦＦＴ变换，时域分析和频域分析可根据实际需要进行扩展。
第3章虚拟仪器的软件开发平台
2. 信号的频域分析
频域分析是采用傅立叶变换将时域信号X(t)变换为 频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解 信号的特征；
信号的频域描述：应用傅里叶变换，对信号进行变 换(分解)，以频率为独立变量，建立信号幅值、相 位与频率的关系;
特点：频域描述抽取信号内在的频率组成，信息 丰富，应用广泛。
2.利用NI USB-6009数据采集卡实现数据采集
主要技术指标： 8个模拟通道（14位、48 位kS/s采样速度）； 2路14位模拟输出通道； 12个I/O通道； 1个32位计数器/定时器。
产品通过USB接口供电，不需要任何外接电源。它们均包括用于直接信号 连接可拆卸螺孔端子、用于支持外部设备以及传感器1个参考电压、低噪音高精 度的4层电路板，以及高达±35v的模拟输入过电压保护。
优点:形象、直观 缺点:不能明显揭示信号的内在结构
信号的时域分析举例一相关分析
所谓“相关”是指变量之间的线性关系； 相关性是指信号的相似和关联程度，相关分析不
仅可用于确定性信号，也可用于随机信号的检测、 识别和提取等； 相关分析常用相关函数（自相关函数和互相关函 数）或相关系数来描述； 相关函数和功率谱(密度)是一对傅立叶变换。
1.前面板
前面板是VI的用户界面。创建VI时，通常应 先设计前面板，然后设计程序框图执行在前 面板上创建的输入、输出任务。
2. 程序框图
程序框图是图形化源代码的集合，图形化源 代码又称G代码或程序框图代码。
程序框图由接线 端、节点、连线 和结构等构成。
程序框图对象
程序框图由接线端、节点、连线和结构等构 成:
内容包括:
① 频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱； ② 功率谱分析：包括自谱和互谱； ③ 频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱之比； ④ 相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱的相关 程度。
LabVIEW虚拟仪器第3章
通过局部变量实现
通过移位寄存器实现
反馈节点（Feedback Node）
通过反馈节点实现a++
4.3 While循环
两个参数：当前循环次数和条件布尔判断量；循环 次数由布尔量来判断决定。循环的条件有两种： “真
时停止”和“真时继续”。
添加定时器
3.2 波形显示—波形图表
Chart可以将新测得的数据添加到曲线的尾端， 从而反映实时数据的变化趋势，它主要用来显 示实时曲线。
右键菜单及属性框
带状 示波器 扫描图 图表 图表
对于标量数据，Chart图表直接将数据添加 在曲线的尾端。
对于一维数组数据，它会一次性把一维数组的 数据添加在曲线末端，即曲线每次向前推进的 点数为数组数据的点数。
波形数据控件位于控件选 板“All Controls—>I/O — >Waveform”
波形数据包括以下组成部分： 1）起始时间t0,为时间标识类型； 2）时间间隔dt,为双精度浮点类型； 3）波形数据Y,为双精度浮数据是一种预定义格式的簇，但是必须用 专用的波形数据操作函数才能对它进行操作，其中 某些操作函数与簇的操作函数非常类似。
结构功能相同，相互之间可以进行转换，右键 菜单中的“替换—>替换为平铺式/层叠式顺序”
在Stacked Sequence Structure的Frame间 传递数据 ，不能通过数据线直接传递，要借助 局部变量（右键菜单中的”添加顺序局部变量）
在Flat Sequence Structure的Frame间传递 数据，可以通过数据线传递，不需要局部变量。
簇作为输入时需要指定三个元素：起始位置x0、 数据点间隔dx和数组数据。
基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪及频域测量误差分析
=cos 0
+0
0
1/2 O
1/2
t
0
O
0
1/2 O
1 /2
t
主瓣 旁瓣
2/1 O 2/1
1/2
O
1/2 t
0O
0
图 2 余弦信号加矩形窗对频谱的影响
综上所述， 与
之间的近似程度取决于信号数字
化 (采样、A/D 转换、截断) 及傅里叶变换产生的量化误差、混
max
max
(a) 采样前信号的频谱
0
图 3 栅栏效应
max
max
max max
(b) 采样后信号的频谱
(c) 信号发生混叠
图 1 混叠现象
(2) 实 际 的 测 试 信 号 时 间 长 度 可 以 是 无 限 长 的 ，而 采 样 时 间 总 是 有 限 的 ，因 此 用 计 算 机 处 理 的 是 有 限 长 的 信 号 ，相 当 于 截 取 无 限 长 信 号 的 一 部 分 进 行 分 析 处 理 。这 种 截 取 相 当 于 对 被处理信号加了一个矩形窗，加窗后的信号频谱 与原信 号的频谱 是不同的。
例如，图 2 所示为一余弦信号加矩形窗后的频谱 与 原信号的频谱 。余弦信号加矩形窗截断后，两根冲激谱 线变成了以± 0为中心的 Sa ( )形的连续谱，相当于频谱从 0 处“泄 漏”到 其 它 频 率 处 ，即 原 来 一 个 周 期 内 只 有 一 个 频 率 上 有 非 零 值 ，而 现 在 几 乎 所 有 频 率 上 都 有 非 零 值 ，这 就 是 频 谱 泄 漏 现 象 。复 杂 信 号 会 造 成 更 复 杂 的 频 谱 泄 漏 ，信 号 互 相 叠 加 ， 难 以 分 辨 。因 此 ，信 号 在 时 域 只 要 加 了 窗 ，在 频 域 就 会 不 可 避 免 地 产 生 频 谱 的 泄 漏 ，造 成 频 谱 失 真 。 频 谱 泄 漏 是 不 可 避 免 的 ，只 有 尽 量 减 小 泄 漏 。
本科论文--LabVIEW测频率
摘要采用虚拟仪器技术对高精度的频率源进行测量，具有简单、易行、精度高的特点。
这与以往利用实际仪器仪表对频率进行测量在方法上有着很大的不同。
LabVIEW就是基于虚拟仪器的开发环境，本文阐述了基于虚拟仪器技术在频率测量中的实际应用，根据电子测量的基本原理、计算方法和流程，实验利用了LabVIEW的特有语言—G语言—对被测对象进行程序编译、运行、修改并最终显示运行结果。
在实现频率测量的过程中，利用声卡代替了数据采集卡，把声音数据采集上来作为信号源，通过测量声音的频率，对外界声音信号进行仿真实验，最后给出了被测信号频率的仿真结果。
实验结果以图形显示和数据显示的方式，对被测对象进行了准确地测量。
通过实验，实现了虚拟仪器对信号频率的测量。
虚拟仪器是电子测量中的新技术，有着广阔的发展前景，是实验、教学及检测领域的重要技术。
关键词: 虚拟仪器；电子测量；频率测量ABSTRACTAdopting virtual instrument technique in the frequency source that high accuracy has characteristics of simplify、easy operation and high accuracy .This has the very big difference with the former frequency measurement method.LabVIEW was based on the virtual instrument development environment, and this article elaborates the practical application of virtual instrument technology in the frequency measurement. According to the basic theories、the computational method and the flow of electronic measurement, the experiment used the LabVIEW unique language (G language) to compile, run, correct the measured subject and eventually display the result. During the process of realizing the frequency measurement, there are some steps including using the sound card instead of data acquisition card as the signal source, measuring the frequency of sound, carrying out simulation experiment for outside voice acquisition and finally giving out the simulation results of the frequency of the measured signals. The result of experiment has measured the subject accurately by the means of displaying graph and data. The experiment has realized the measurement of signal frequency in the virtual instrument.Virtual instrument is a new technique in electronic measurement, having vast development foreground, and is the important technique of experiment, teaching and in the field of detection.Keywords: Virtual instrument; Electronic measurement; Frequency measurement目录引言 (1)1 电子测量 (2)1.1 测量概述 (2)1.1.1 测量的基本概念 (2)1.1.2 测量的重要意义 (2)1.2 电子测量的特点和应用 (3)2 虚拟仪器及LabVIEW基础 (6)2.1 虚拟仪器概述 (6)2.1.1 定义 (6)2.1.2 比较与差异 (6)2.1.3 虚拟仪器对电子测量的影响 (8)2.2 LabVIEW概述 (8)2.1.1 LabVIEW简介 (8)2.1.2 LabVIEW的体系结构 (9)3 时间与频率的测量 (11)3.1 概述 (11)3.1.1 时间、频率的基本概念 (11)3.2 数据采集 (11)3.2.1 数据采集系统的构成 (11)3.2.2 数据采集卡简介 (12)4 设计方法 (15)4.1 可行性研究及需求分析 (15)4.1.1 开发背景 (15)4.1.2 需求分析 (15)4.1.3 设计思想 (22)4.2 设计方法在Labview中的实现 (22)4.2.1 总设计的程序图 (22)4.2.2 程序框图分解分析 (24)4.2.3 设计图的前面板演示及结果 (29)4.2.4 程序中一些模块的功能 (35)5 虚拟仪器的发展前景 (37)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录A 英文原文 (42)附录B 汉语翻译 (51)引 言现代科学技术的发展是建立在精密测量基础上的，目前人们所涉及到的物理量和物理常数中，频率时间是最精密、准确的计量单位，其他许多测量可以转化为频率时间的测量。
基于LabVIEW的音频信号数据采集和频谱分析
毕业设计（论文）基于LabVIEW的音频信号数据采集和频谱分析系别自动化工程系专业名称测控技术与仪器班级学号学生姓名指导教师XXXX年6月10日基于LabVIEW的音频信号数据采集和频谱分析摘要虚拟仪器是20世纪80年代兴起的一项新技术，是现代仪器仪表发展的重要方向，在建模仿真、设计规划和教育训练等方面都有应用。
目前NI公司所提供数据采集设备性能好，但是价格昂贵，构建信号分析系统成本偏高。
计算机声卡具备数据传输和A/D转换功能，作为数据采集卡具有价格低廉、开发容易和系统灵活等优点。
基于上述分析，本文用计算机声卡代替普通采集卡作为硬件，在LabVIEW平台上设计了一个信号分析系统，并在信号分析实验中进行了应用。
主要贡献为下述几点: l)提出了采用声卡作为数据采集设备构建虚拟音频信号分析系统并应用于实验教学的设想。
通过高校实验室现状的调研和对声卡性能的分析，分析了由声卡组建可以用于实验教学的信号分析系统的必要性和可行性。
2)构建了基于LabVIEW的音频信号采集分析系统，具有信号采集、分析、波形显示、存储以及数据文件再调用分析等功能。
分析、解决了设计及实现过程中出现的问题。
关键词：LabVIEW，声卡数据采集，信号分析A Signal Analysis System Based on LabVIEWAuthor：Du WenjuanTutor：XXAbstractVirtual instrument technology is a new technology, and it is an important direction in modern instrumentation development. Virtual instruments are often used in modeling and simulation, design and planning, education and training. The acquisition equipment from NI has a good performance, but constructing signals analysis system will cause high cost.Sound card with data transmission and A/D converter functions as a DAQ card has low-price, easy-developing and flexible-system such virtues. Based on the above analysis, taking the computer sound card instead of DAQ card as hardware, designs the system based on LabVIEW, and implements it in the signal analysis experiments. The main contents are listed as follows:l)An envisage for using sound card as a virtual audio data acquisition equipment to construct the signals analysis system and implements it in the experiments is put forward. The necessity and feasibility by the sound card system to set up signals analysis system based on research of teaching program of experiments in the number of traditional college is analyzed.2)Audio signal acquisition and analyze system is constructed based on LabVIEW, it has functions of virtual signal acquisition, analysis, waveform display, storage and transfer of data files to meet the needs of the experimental teaching.Key Words：LabVIEW, Sound card data acquisition, Signals Analysis目录1 绪论 (1)1.1 课题开发背景和发展现状 (1)1.2 研究的意义 (2)2 虚拟仪器、声卡及数据采集理论 (3)2.1 虚拟仪器介绍 (3)2.1.1虚拟仪器的特点 (3)2.1.2虚拟仪器的组成 (4)2.1.3 虚拟仪器与传统仪器的比较 (4)2.2 LabVIEW简介 (6)2.2.1 LabVIEW程序的基本构成 (6)2.2.2 LabVIEW的应用 (7)2.3声卡 (7)2.3.1声卡的基本功能 (8)2.3.2声卡的工作原理 (8)2.3.3声卡的性能指标 (9)2.4 信号分析理论 (10)2.4.1 数据采集理论基础 (10)2.4.2快速傅立叶变换（FFT） (12)2.4.3 谐波分析理论 (14)3 信号分析系统解决方案 (18)3.1声卡作为数据采集卡的可行性分析 (18)3.2信号分析系统设计方案比较 (19)3.3 系统模块划分 (20)4 信号处理程序设计 (22)4.1 系统欢迎界面的设计 (22)4.2系统主页面的设计 (23)4.3实时采集信号模块的设计 (25)4.4 历史重载信号模块的设计 (26)4.5信号采集和处理模块 (26)4.5.1音频信号的采集 (26)4.5.2音频信号的分析 (28)4.6辅助模块 (29)4.7帮助模块 (29)4.8程序的运行与调试 (30)4.8.1运行VI (30)4.8.2调试VI (30)5 实验结果 (32)总结和展望 (34)致谢 (35)参考文献 (36)附录 (38)附录A (38)附录B (40)1 绪论本文旨在运用虚拟仪器开发软件LabVIEW8.5，设计开发基于声卡的音频信号数据采集和频谱分析系统，使其具有通过普通声卡进行声音数据的采集、分析、显示以及存储的功能。
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（2）混叠误差
如果模拟信号x(t)的频谱是一限带信号 如果模拟信号x(t)的频谱是一限带信号，其信号中最高 的频谱是一限带信号， 频率为 ，对时域作采样时的采样频率 如果小于所处 理信号中的最高频率的两倍，就会产生频谱混叠。 理信号中的最高频率的两倍，就会产生频谱混叠。
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3.6 信号和系统的频率分析技术 及其软件实现
测试技术中的谱分析 测试技术中的谱分析是指把时间域的各种动态信号通过 谱分析是指把时间域的各种动态信号通过 傅里叶变换转换到频率域进行分析，内容包括： 傅里叶变换转换到频率域进行分析，内容包括： 频谱分析：包括幅值谱和相位谱、 ① 频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部 频谱； 频谱； 功率谱分析：包括自谱和互谱； ② 功率谱分析：包括自谱和互谱； 频率响应函数分析： ③ 频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱 之比； 之比； 相干函数分析： ④ 相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱的 相关程度。 相关程度。
减小混叠误差： 减小混叠误差：
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（3）泄漏或截断误差
计算机可处理的长度总是有限的，而信号的长度可以 是无限长的，这样在处理信号时必然就进行了长度上的截 断，截断方法是：将无限长的信号乘以窗函数(Window function)。 信号被截断以后，其频谱等于原信号的频谱和窗函数 频谱的卷积，其频谱会发生畸变，原来集中的能量会被分 散到一个比较宽的频带中去，这种现象称之为泄漏。 • 减小泄漏或截断误差
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1. Express Ⅵ中的频谱测量VI 中的频谱测量VI Express Ⅵ中的Spectral Measurements.vi可以对 中的Spectral Measurements.vi可以对 单个信号进行频谱分析和功率谱分析( 单个信号进行频谱分析和功率谱分析(包含功率密 度谱分析) 到达途径为 度谱分析)。其到达途径为Functions → Signal Analysis。 Analysis。 由于Spectral Measurements.vi是一个比较综合的 由于Spectral Measurements.vi是一个比较综合的 Vl，其需要设置的参数基本上囊括了后面将要讲 Vl， 到的频谱分析和功率谱分析VI中的所有参数 中的所有参数. 到的频谱分析和功率谱分析VI中的所有参数.
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以上4种误差比较， 以上4种误差比较，
量化误差是无论如何都无法完全避免的， 量化误差是无论如何都无法完全避免的，只能尽量减 是无论如何都无法完全避免的 小； 混叠误差在选取合适的采样频率及预先进行抗混滤波 混叠误差在选取合适的采样频率及预先进行抗混滤波 后是完全可以避免的； 后是完全可以避免的； 泄漏和 泄漏和栅栏效应 对于周期信号而言， 对于周期信号而言，如果进行了整周期截取是可 以完全避免的； 以完全避免的； 对非周期信号而言， 对非周期信号而言，这两种误差无法完全避免而 只能尽量减小。 只能尽量减小。
在计算机中处理的信号是采样后的离散有限长时间序 x(n)， 列x(n)，时域与频域转换使用的算法是离散傅里叶变换 DFT）和反变换（IDFT），对应的离散频谱为X(K)， ），对应的离散频谱为 （DFT）和反变换（IDFT），对应的离散频谱为X(K)， 计算公式如下： 计算公式如下：
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Amplitude
f3 f2
Amplitude
Frequency
f0
Hale Waihona Puke f1Frequencyf3 f2 f1
Time Time
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例：方波信号
f (t ) = 4A 1 1 1 (sin ωt + sin 3ωt + sin 5ωt + sin 7ωt + ⋯) π 3 5 7
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3.6.2 在LabVIEW中的频谱分析VI LabVIEW中的频谱分析VI
在LabVIEW中实现频谱分析计算的3个层次的 LabVIEW中实现频谱分析计算的 中实现频谱分析计算的3 VI分别为 VI分别为
Express Ⅵ中的Spectral Measurements. vi ， 中的Spectral 波形VI中的 中的FFT (Mag波形VI中的FFT Spectrum (Mag-Phase). vi 和FFT Spectrum (Real-Im). vi ， (Real基本函数VI的 基本函数VI的Amplitude and Phase Spectrum. Vi 。 其中波形VI中的频谱分析 还特别给出了FFT 其中波形VI中的频谱分析Ⅵ还特别给出了FFT Spectrum 中的频谱分析Ⅵ (Real(Real-Im). VI以计算信号的实部频谱和虚部频谱。 VI以计算信号的实部频谱和虚部频谱 以计算信号的实部频谱和虚部频谱。
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3.3.2 信号的时间特征值
周期和频率是周期信号或准周期信号特有的时间特征值； 周期和频率是周期信号或准周期信号特有的时间特征值； 周期信号的周期和频率分别反映了周期信号波形重复出 现的时间间隔和出现的频率，它们互为倒数关系。 现的时间间隔和出现的频率，它们互为倒数关系。 LabVIEW中 能够求取信号频率和周期的ExpressⅥ 在LabVIEW中，能够求取信号频率和周期的ExpressⅥ Measurements． 是Timing and Transition Measurements．Vi 。 它的到达路径是Functions Analysis或 它的到达路径是Functions → Signal Analysis或All Functions → Analyze → Waveform Measurements。 Measurements。
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第22页 Measurements．vi参数设置对话框 图3-41 Spectral Measurements．vi参数设置对话框
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参数设置
（1）根据频域分析目的选择不同的谱分析种类(Spectral 根据频域分析目的选择不同的谱分析种类(Spectral Measurement)。 Measurement)。 （2）幅度结果的表示Result：线性还是分贝值。 幅度结果的表示Result：线性还是分贝值。 （3）窗函数Window的类型：窗函数选取原则应力求其 窗函数Window的类型 的类型： 频谱的主瓣宽度窄、旁瓣幅度小。 频谱的主瓣宽度窄、旁瓣幅度小。 （4）平均Averaging参数：有平均模式Mode、平均权重 平均Averaging参数 有平均模式Mode、 参数： Weighting、平均次数Numbers averages和平均输出类 Weighting、平均次数Numbers of averages和平均输出类 spectrum。 型Produce spectrum。 （5）相位谱输出的变换Phase：反卷及将弧度转换为度。 相位谱输出的变换Phase：反卷及将弧度转换为度。
测量原理是什么？
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• Timing and Transition Measurements．vi还给出了 其他几个波形参数的求取，其对应含义见表3-6。
表3-6 Timing and Transition Measurements.vi设置参数含义 Measurements.vi设置参数含义
减小量化误差，提高量化精度的方法： 减小量化误差，提高量化精度的方法：
选用量化位数多的模数转换集成芯片； 选用量化位数多的模数转换集成芯片； 在信号进行模数转换之前先经过程控放大器进行放大，这样小 在信号进行模数转换之前先经过程控放大器进行放大， 电压经过放大后再进行模数转换， 电压经过放大后再进行模数转换，量化误差的值相对原始信号 值就小了。 值就小了。
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• 例：用Timing and Transition Measurements. vi求 取一个三角波的幅值、时间等特征值。如图3-20
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图3-20 a) 后面板
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用 VI可以专门针对多谐信号进行 这3个VI可以专门针对多谐信号进行 幅值和频率测量。 幅值和频率测量。 用 这3个波形Ⅵ可以测量不规则信号在 个波形Ⅵ 一个周期中的波形参数： 一个周期中的波形参数：从其图标中可以很明显 地看出来， 地看出来，这3个Ⅵ分别求取的是一个波形的瞬 态幅值信息、时间轴信息和类似于峰— 态幅值信息、时间轴信息和类似于峰—峰值的参 数。
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怎样测量频谱？ 怎样测量频谱？
用适当的滤波器，可以把波形分解成若干正 用适当的滤波器， 弦波；——模拟式 弦波；——模拟式
•时域采样，A/D量化，FFT计算。——数字式 时域采样，A/D量化，FFT计算。——数字式
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FFT分析仪原理 FFT分析仪原理
栅栏效应解决措施
——“整周期截取” 而对于非周期信号， ——“整周期截取”。而对于非周期信号，如果希望减 小栅栏效应的影响，尽可能多地观察到谱线， 小栅栏效应的影响，尽可能多地观察到谱线，则需要提 高频谱的分辨率。 高频谱的分辨率。频谱的分辨率等于处理信号的时间长 度的倒数， fs/N。 度的倒数，即△f=1/T= fs/N。
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时域电信号都是由一个或多个不同频率、不同幅 时域电信号都是由一个或多个不同频率、 度和不同相位的正弦波组成。 度和不同相位的正弦波组成。 频谱就是表示信号所包含的正弦分量幅度和相位 随频率的变化关系。 随频率的变化关系。