Labview_頻譜儀設(shè)計(jì)_東南大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)： 利用LabVIEW進(jìn)行仿真信號(hào)及實(shí)測(cè)信號(hào)的分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：1. 學(xué)習(xí)LabVIEW 軟件特點(diǎn)及工作環(huán)境。 2利用LabVIEW進(jìn)行頻譜儀的設(shè)計(jì)，并對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行分析。3. 利用DAQ將函數(shù)發(fā)生器中的信號(hào)進(jìn)行采集，再對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)頻譜分析儀，對(duì)正弦波、方波、三角波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析產(chǎn)生疊加諧波，并分析疊加諧波的周期信號(hào)的頻譜分析非周期信號(hào)的頻譜分析分兩種情況測(cè)量：不經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集的仿真經(jīng)過(guò)myDAQ數(shù)據(jù)采集卡備注：界面盡可能美觀大方程序盡量簡(jiǎn)短、占用系統(tǒng)資料盡可能少三實(shí)驗(yàn)要求：實(shí)現(xiàn)仿真信號(hào)的生成，實(shí)際信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)觀察信號(hào)的波形，存儲(chǔ)、回放信號(hào)的波形，并利用

2、FFT對(duì)所得仿真信號(hào)、實(shí)際信號(hào)進(jìn)行頻譜分析進(jìn)而得到信號(hào)的頻譜。采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、信號(hào)頻率、幅值和初相位可調(diào)分析正弦波、方波、三角波和白噪聲的頻譜特性前面板上既可顯示信號(hào)的時(shí)域圖形(其X軸為時(shí)間軸)、又可觀察到信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT后的幅值譜（其X軸為頻率軸）四. 實(shí)驗(yàn)方案選擇1.仿真波形的產(chǎn)生與疊加由于后期需要疊加諧波，所以要產(chǎn)生5個(gè)頻率的波，使用5個(gè)函數(shù)發(fā)生器的話資源比較浪費(fèi)，所以我們采用一個(gè)函數(shù)發(fā)生器加5個(gè)鎖存器循環(huán)的方式產(chǎn)生五個(gè)頻率的波。利用五個(gè)緩存器分別存儲(chǔ)5個(gè)頻率的波。疊加我們采用的是利用公式節(jié)點(diǎn)編程控制選中頻率的波輸出進(jìn)行疊加。2.白噪聲的產(chǎn)生直接在周期信號(hào)進(jìn)入顯示屏前疊加一個(gè)均勻白噪聲

3、發(fā)生器產(chǎn)生白噪聲。通過(guò)幅值調(diào)整選擇或取消白噪聲。3.仿真信號(hào)頻譜分析我們調(diào)用了頻譜測(cè)量函數(shù)，只需將波形輸入調(diào)節(jié)dt即可。4.非周期信號(hào)的產(chǎn)生我們采用了兩種方法產(chǎn)生非周期信號(hào)第一，我們通過(guò)for循環(huán)產(chǎn)生大量隨機(jī)數(shù)構(gòu)造非周期波形。第二，利用兩個(gè)周期不存在公倍數(shù)的正弦波疊加得到非周期信號(hào)。5.波形保存與回放波形存儲(chǔ)與回放我們采用的是TDMS保存與讀取。由于保存功能會(huì)多次使用，所以將其做成子VI。6.實(shí)測(cè)信號(hào)采集我們參考了案例中的DAQ信號(hào)采集并加以修改，主要是利用DAQmx的子VI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。五方案的優(yōu)缺點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)可以在一次運(yùn)行下做到多次修改周期信號(hào)的各個(gè)參數(shù)以及疊加諧波的次數(shù)?？梢赃M(jìn)行任意頻率諧

4、波的疊加，而且所有周期波形均可疊加諧波。有兩種非周期信號(hào)可供選擇界面簡(jiǎn)單明了，外形美觀2.缺點(diǎn)調(diào)節(jié)相位后要重新運(yùn)行程序才能看到相位的改變疊加諧波的范圍只能在15倍頻之間，如果想要加入更高頻率要加入更多的鎖存器。軟件設(shè)計(jì)我們將界面分成了仿真信號(hào)及其分析、實(shí)測(cè)信號(hào)及其分析、回放三個(gè)界。下面我將分成三個(gè)部分分別介紹。六.軟件部分（一）仿真信號(hào)及其分析整體設(shè)計(jì)思路為：仿真信號(hào)部分前面板設(shè)計(jì)為：1.周期信號(hào)我們首先對(duì)其功能進(jìn)行了分析，次界面既要產(chǎn)生各種波形，還要能夠疊加諧波并進(jìn)行頻譜測(cè)量。要能夠疊加諧波就要求能夠產(chǎn)生不同頻率的波形進(jìn)行選擇性疊加。因此我們選擇了采用一個(gè)基本函數(shù)發(fā)生器并通過(guò)for循環(huán)實(shí)現(xiàn)不

5、同頻率波形的產(chǎn)生。其基本思路見(jiàn)框圖3-2-1。程序框圖如下：為了達(dá)到頻率、幅值、相位可調(diào)，波形類(lèi)型可調(diào)，我們分別為相應(yīng)參數(shù)設(shè)置了數(shù)據(jù)輸入控件和文本下拉列表控件。通過(guò)簇變量我們完成了采樣頻率和采樣數(shù)的可調(diào)。對(duì)于諧波的疊加，我們?cè)O(shè)計(jì)了4個(gè)諧波頻率選擇按鈕，以便用戶(hù)選擇添加諧波的次數(shù)。本程序中，基波為默認(rèn)存在的，用戶(hù)25倍頻中自由選擇疊加。我在公式節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中添加了5個(gè)布爾型輸入變量，5個(gè)數(shù)組型輸出變量，通過(guò)for循環(huán)將之前產(chǎn)生的不同頻率的波形有選擇的輸出到公式節(jié)點(diǎn)外進(jìn)行疊加。其程序流程圖可簡(jiǎn)單示意為“實(shí)現(xiàn)該流程圖的源代碼為：float outone1000;float outtwo1000;floa

6、t outthere1000;float outfour1000;float outfive1000;int p=0; int j=0 ; for(j;j1000;j+) outonej=aj;if (intwo=1) int j=0 ; for(j;j1000;j+) outtwoj=bj;if (inthere=1) int j=0 ; for(j;j1000;j+) outtherej=cj;if (infour=1) int j=0 ; for(j;j1000;j+) outfourj=dj;if (infive=1) int j=0 ;2.白噪聲的產(chǎn)生為了產(chǎn)生白噪聲，我使用了均勻白噪

7、聲發(fā)生器函數(shù)產(chǎn)生幅值可調(diào)的白噪聲信號(hào)。將這個(gè)白噪聲信號(hào)與之前疊加好的基波加諧波進(jìn)行疊加，再利用創(chuàng)建波形函數(shù)將數(shù)組波形轉(zhuǎn)換成波形，輸出到“仿真信號(hào)”顯示屏上。與此同時(shí)，將輸出波形送入頻譜測(cè)量函數(shù)進(jìn)行頻譜分析，將分析結(jié)果通過(guò)“仿真信號(hào)頻譜”屏幕顯示。3.頻譜分析及頻譜圖X坐標(biāo)修改插入頻譜測(cè)量函數(shù)，將產(chǎn)生的波形接入，并將FFT設(shè)為峰值模式。由于頻譜的X軸單位應(yīng)該為HZ，所以，我給“仿真信號(hào)頻譜”顯示屏添加了X標(biāo)尺偏移量與縮放系數(shù)屬性節(jié)點(diǎn)，使得X軸數(shù)值表示HZ，如下圖黃色圈內(nèi)部分所示。我們將圖片保存功能做成了子VI（詳細(xì)介紹見(jiàn)下文），連接上保存選擇開(kāi)關(guān)和“仿真信號(hào)”顯示屏上實(shí)現(xiàn)波形的保存。以上13點(diǎn)功

8、能程序框圖如下：4.非周期信號(hào)1我們采用for循環(huán)中加入隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生多個(gè)隨機(jī)數(shù)作為非周期信號(hào)的y值，經(jīng)過(guò)創(chuàng)建波形產(chǎn)生可以輸出的非周期信號(hào)。一位整個(gè)仿真信號(hào)是放在一個(gè)while循環(huán)中的，而隨機(jī)數(shù)不能一直產(chǎn)生，否則會(huì)造成波形混亂，所以我們將隨機(jī)數(shù)循環(huán)放在了大while循環(huán)的外面。我們還在for循環(huán)框中加了一個(gè)時(shí)間延時(shí)，并將頻譜分析中的dt改為0.01。其程序框圖如下：5.非周期信號(hào)2與非周期信號(hào)1的產(chǎn)生方式不同，非周期信號(hào)2采用的是兩個(gè)不同頻率的正弦波疊加的形式。我們分別用頻率為7HZ和11HZ的兩個(gè)周期信號(hào)進(jìn)行疊加，并對(duì)疊加波進(jìn)行FFt，輸出到頻譜屏幕上。其程序框圖如下：6.圖像保存功能子VI圖像

9、保存功能在本儀器中經(jīng)常會(huì)使用到，所以我將圖像保存功能做成了子（保存功能）。其程序框圖如下：這個(gè)框圖我是參考范例中的一個(gè)保存案例。當(dāng)布爾開(kāi)關(guān)選擇為真時(shí)進(jìn)入保存功能，此時(shí)文件對(duì)話框函數(shù)會(huì)令前面板彈出保存路徑選擇，將選擇好的路徑送給TDMS打開(kāi)函數(shù)在相應(yīng)的路徑位置創(chuàng)建一個(gè)TDMS文件。接著TDMS寫(xiě)入函數(shù)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入創(chuàng)建好的TDMS文件中，TDMS關(guān)閉函數(shù)執(zhí)行關(guān)閉TDMS文件任務(wù)。范例中還加了一個(gè)建議錯(cuò)誤處理器來(lái)反饋錯(cuò)誤。我將這個(gè)保存功能設(shè)計(jì)成了子VI，外部輸入為布爾開(kāi)關(guān)和波形數(shù)據(jù)。其圖標(biāo)為：7.波形回放功能波形回放實(shí)際就是對(duì)已經(jīng)保存的波形的一個(gè)讀取，其設(shè)計(jì)思路與波形保存十分類(lèi)似。先添加一個(gè)“波形回放

10、”選擇按鈕，當(dāng)按鈕選中時(shí)打開(kāi)文件函數(shù)選擇路徑后TDMS打開(kāi)函數(shù)打開(kāi)相應(yīng)文件，TDMS讀取函數(shù)讀取數(shù)據(jù)后TDMS關(guān)閉函數(shù)關(guān)閉文件完成波形回放功能。（二）實(shí)測(cè)部分實(shí)測(cè)部分的前面板設(shè)計(jì)為：其程序框圖為：這個(gè)模塊我們參考了幫助案例，先添加一個(gè)DAQmx開(kāi)始任務(wù)函數(shù)開(kāi)啟DAQ子VI，并將任務(wù)通道設(shè)置為物理通道。再通過(guò)DAQmx采樣時(shí)鐘函數(shù)配置采樣數(shù)和采樣頻率并創(chuàng)建緩存區(qū)。為了能夠進(jìn)行連續(xù)采樣我們將采樣類(lèi)型改為連續(xù)采樣。通過(guò)DAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)調(diào)用創(chuàng)建虛擬通道VI。然后通過(guò)DAQmx讀取函數(shù)讀取虛擬通道中的數(shù)據(jù)，將采樣部分放入一個(gè)while循環(huán)中用于連續(xù)獲取數(shù)據(jù)并在最后調(diào)用DAQmx清除任務(wù)函數(shù)清除

11、多余的緩沖數(shù)據(jù)。七. 軟硬件的調(diào)試調(diào)試步驟（1）開(kāi)始產(chǎn)生正弦波、方波、三角波（2）調(diào)整它們的頻率及相位觀察波形和頻譜特性（3）調(diào)試各種正弦波的疊加并觀察它們的波形及頻譜特性（4）觀察白噪聲的波形及頻譜特性（5）觀察非周期信號(hào)的波形及頻譜特性（6）觀察實(shí)測(cè)信號(hào)的波形及其頻譜特性（7）信號(hào)的保存（8）信號(hào)的回放調(diào)試結(jié)果分別產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析。（下圖中的各個(gè)波形頻率均為20HZ）疊加白噪聲后：對(duì)周期波疊加諧波。下圖分別為頻率為20HZ的正弦波疊加2倍、5倍頻諧波后波形圖以及頻譜圖；以及對(duì)方波進(jìn)行諧波疊加。非周期信號(hào)1非周期信號(hào)2保存波形功能回放波形功能如果取消保存則

12、會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤對(duì)話框：這個(gè)對(duì)話框的出現(xiàn)主要是因?yàn)樵诒４婧突胤殴δ茏詈蠖继砑恿私ㄗh錯(cuò)誤處理器函數(shù)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)。因?yàn)闆](méi)有得到正確的路徑輸入而終止了整個(gè)程序。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)七. 實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)這是我們繼MFC后第二次合作完成大型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。labview是圖形化的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)的，相對(duì)來(lái)說(shuō)更容易上手。然而到后期很多函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)方法以及使用法也讓我們絞盡腦汁。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，labview可以算是更人性化，各種功能都已經(jīng)被做成了函數(shù)可以直接調(diào)用，這大大減少了編程量，在公式節(jié)點(diǎn)中還有大量的函數(shù)可以調(diào)用。我個(gè)人感覺(jué)labview是一個(gè)很使用也是我們生醫(yī)學(xué)生必須要掌握的一款軟件。很多情況下并不需要實(shí)際的儀器，虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，僅需要一臺(tái)電腦就可以實(shí)現(xiàn)很多功能。這一點(diǎn)對(duì)于生物醫(yī)學(xué)儀器十分重要，如在遠(yuǎn)程醫(yī)療中可以利用虛擬儀器做為用戶(hù)的客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量功能并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)