基于LabVIEW的頻譜分析儀報告1

1、基于LabVIEW的簡易頻譜分析儀基于LabVIEW的頻譜分析儀機電學院測控技術(shù)與儀器系 晉芳摘要：以LabVIEW為平臺，設計了一個簡單的頻譜分析儀，該儀器能實時顯示采集到的信號的波形和FFT變換的圖形，并將該信號的各參數(shù)測量出來。關(guān)鍵字：LabVIEW FFT 頻譜分析一、設計任務基于目前智能儀器實驗室的硬件系統(tǒng)通過LabVIEW編程實現(xiàn)簡易頻譜分析儀，要求能采集1010V、頻率2Hz25KHz的各種信號并能顯示采集到信號的幅度頻譜。二、設計要求1、基本功能（1）能夠采集幅值范圍在-10V10V，頻率在25KHz以下的信號并顯示出來；（2）能夠?qū)⑺杉盘柕念l譜計算出來并顯示出來。（3）編

2、寫友好的人機界面；2、發(fā)揮部分（1）能夠?qū)Σ蓸有盘柌ㄐ问д娑冗M行測量；（2）能夠存儲頻譜波形；三、頻譜分析原理頻譜分析最常用的方法就是離散傅立葉變換（DFT），為了快速計算DFT，通常采用一種快速傅立葉變換(FFT)的方法。當信號的采樣點數(shù)是2的冪時，就可以采用這種方法。FFT的輸出都是雙邊的，它同時顯示了正負頻率的信息。通過只使用一半FFT輸出采樣點轉(zhuǎn)換成單邊FFT。FFT的采樣點之間的頻率間隔是fs/N，這里fs是采樣頻率。FFT和能量頻譜可以用于測量靜止或者動態(tài)信號的頻率信息。FFT提供了信號在整個采樣期間的平均頻率信息。因此，F(xiàn)FT主要用于固定信號的分析（即信號在采樣期間的頻率變化不大

3、）或者只需要求取每個頻率分量的平均能量。計算機只能處理有限長度的信號，原信號x(t)要以T(采樣時間或采樣長度)截斷，即有限化。有限化也稱為加“矩形窗”或“不加窗”。矩形窗將信號突然截斷，這在頻域造成很寬的附加頻率成分，這些附加頻率成分在原信號x(t)中其實是不存在的。一般將這一問題稱為有限化帶來的泄露問題。泄露使得原來集中在f0上的能量分散到全部頻率軸上。泄露帶來許多問題：如使頻率曲線產(chǎn)生許多“皺紋”（Ripple），較大的皺紋可能與小的共振峰值混淆；如信號為兩幅值一大一小頻率很接近的正弦波合成，幅值較小的一個信號可能被淹沒。f0附近曲線過于平緩，無法準確確定f0的值。為了減少泄露，人們嘗試

4、用過渡較為緩慢的、非矩形的窗口函數(shù)。常用的窗函數(shù)如下表所示。窗定義應用矩形窗（無窗） Wn=1.0區(qū)分頻域和振幅接近的信號瞬時信號寬度小于窗指數(shù)形窗Wn=expn*lnf/N-1f=終值瞬時信號寬度大于窗海寧窗Wn=0.5cos(2n/N)瞬時信號寬度大于窗普通目的的應用海明窗Wn=0.54-0.46cos(2n/N)聲音處理平頂窗Wn=0.2810639-0.5208972cos(2n/N)+0.1980399cos(2n/N)分析無精確參照物且要求精確測量的信號Kaiser-Bessel窗Wn=Iº()區(qū)分頻率接近而形狀不同的信號三角形窗Wn=1-（2n-N）/N無特殊應用在實際

5、應用中如何選擇窗函數(shù)一般說來是要仔細分析信號的特征以及最終希望達到的目的，并經(jīng)反復調(diào)試。窗函數(shù)有利有弊，使用不當還會帶來壞處。使用窗函數(shù)的原因很多，例如：1、規(guī)定測量的持續(xù)時間；2、減少頻譜泄漏；3、從頻率接近的信號中分離出幅值不同的信號。這里為了對比，采用了無窗，即矩形窗、海寧窗兩種窗函數(shù)對波形數(shù)據(jù)做FFT變換。四、設計過程1、LabVIEW簡介 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。Labview程序又稱為虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱

6、VI）。VI是由圖像、連線以及框圖構(gòu)成的應用程序，由Front Panel（前面板）和Block Diagram（后面板）兩部分構(gòu)成。它的表現(xiàn)形式和功能類似于實際的儀器，而它同時又很容易改變設置和功能。因此，Labview特別適用于實驗室、多品種小批量的生產(chǎn)線等需要改變儀器和設備參數(shù)和功能的場合，以及對信號進行分析、研究、傳輸?shù)葓龊稀?、數(shù)據(jù)采集（DAQ） 數(shù)據(jù)采集與儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術(shù)之一。NI公司提供了種類豐富的硬件設備以滿足不同的測量與控制需求，其中包括數(shù)據(jù)采集（DAQ）硬件、實時測量與控制、PXI與Compact PCI、信號調(diào)理、開關(guān)、分布式I/O、機器視覺、

7、運動控制、GPIB、串口和儀器控制等。 數(shù)據(jù)采集（Data AcQuisition，DAQ）是指從傳感器和其他待測設備等模擬或數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。一個完整的DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號調(diào)理設備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計算機、驅(qū)動程序和應用軟件等。3、功能介紹函數(shù)信號發(fā)生器提供波形，模擬波形從板卡上輸入，然后經(jīng)過采樣得到波形數(shù)據(jù)，再將波形圖實時顯示出來，同時進行FFT變換，并將FFT變換結(jié)果以線性和和對數(shù)顯示出來，并且把信號的頻率、幅度、有效值、峰峰值、正峰值、負峰值、直流偏置電壓，諧波失真、信噪比

8、測量出來。另外，設置了一個按鈕，當按鈕按下的時候就會暫停，所有波形都保持在某一時刻的情況。4、VI介紹（1）數(shù)據(jù)采集控件（DAQ Assistant） 選擇Measurement I/O » NI-DAQmx » DAQ Assist，進行初始化： 因為波形從板卡輸入，且采集的是電壓信號，所以在Create New選項卡中選擇Analog InputVoltage，然后在Dev1（PCI-6221）下的樹形結(jié)構(gòu)中選擇ai0，點擊finish，然后在Task Timing中選擇Continuous，單擊OK，這樣就創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)采集VI，系統(tǒng)會自動創(chuàng)建一個While循環(huán)，如圖

9、：真正用到的只有data、number of sample和rate。（2）Tone easurements 選擇Signal ProcessingWavform MeamentTone easurements，然后設置需要測量的量：Amplitude、Frequency，單擊OK，如圖：可以測量幅度和頻率。（3）Spectral Measurements 選擇signal ProcessingWavform MeamentSpectral Measurements，然后設置VI參數(shù)：Spectral Measurement組合框選Magnitude（Peak），Result組合框選Linea

10、r，然后就是窗函數(shù)的選取了，這里選了一種窗函數(shù)：漢寧窗（Hanning Window），對比了無窗和有窗兩種情況的圖形，如圖： 最后將兩種FFT變換結(jié)果顯示在Graph圖表顯示屏上。（4）波形分析控件Distortion Measurements 選擇ExpressSignal AnalysisDistortion Measurements，然后設置需要測量的量： SINAD(dB)和Total harmonic distortion，Highest harmonic 10，其他窗口用默認值，單擊OK鍵。如圖：（5）圖形顯示控件（Graph）共有兩個圖表顯示控件：第一個將實時采樣的波形數(shù)據(jù)顯示

11、出來，第二個將FFT變換結(jié)果以線性形式顯示。5、儀器界面及操作說明整個儀器界面如下圖：如界面所示，程序運行后同時在界面上顯示時域信號和頻域信號。顯示采樣信息的參數(shù)控制板卡A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率和采樣點數(shù)，輸入信號的頻率和幅度，以及失真率和THD等。 程序流程圖如下：五、結(jié)果分析將函數(shù)信號發(fā)生器的兩個輸出端連到板卡上模擬輸入通道的CH0-和CH0+端，并將CH0-端與板卡上的模擬地（AIGND）用導線連接在一起，防止因為信號發(fā)生器的地與板卡的地不一致而引起較大的干擾。下面是當輸入信號頻率分別為2Hz，10Hz，100Hz，1kHz，10kHz和25kHz時，波形為正弦波時測得的結(jié)果。頻率f=2Hz時，頻率f=10Hz時，頻率f=100Hz時，頻率f=1kHz時，頻率f=10kHz時，頻率f=25kHz時，六、小結(jié)本設計根據(jù)要求完成了頻譜分析儀的基本功能，并作了一些擴充，在現(xiàn)有條件下應該是完成了應該達到的或可以達到的功能。當然，本設計可以進一步豐富功能，但擴充需要根據(jù)需求來添加。還是說說本設