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![毕业设计基于labview的信号频谱分析仪设计[管理资料]](https://img.taocdn.com/s1/m/23f28ee7866fb84ae55c8d72.png)
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。
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。
虚拟仪器设计项目一、基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计可以执行在线测量和离线处理,包括数据采集、显示、进行时域分析、频域分析和数据存储等功能。
根据虚拟仪器功能的需要，程序至少应包含以下模块：1、操作类型选择操作类型选择用来确定操作类型:是进行实时数据采集,还是进行存储的历史数据图形回放。
2、数据采集数据采集部分在整个程序中有很重要的地位。
数据采集部分的参数设置正确与否,直接影响到后面的分析、处理、显示等功能能否实现。
这部分的参数设置主要包括:设备与通道设置、缓冲区大小设置、触发控制、扫描速率设置、电压范围设置。
3、数据存储模块数据存储模块的主要功能是将示波器上显示的图象所对应的时域数据存入文件，以便数据读取模块和用户使用。
4、数据读取模块利用LabVIEW丰富的文件操作函数库，可以方便地进行文件的读取操作。
5、数据处理模块(1) 频谱分析频谱分析模块可以进行滤波窗口的选择,可以选择矩形窗、三角窗、汉宁窗、汉明窗、布莱克曼窗等窗口中的一种,或是选择不要进行窗口滤波操作。
频谱分析功能包括幅度谱分析、功率谱分析、相交谱分析。
(2) 波形显示波形显示类型可选择频谱曲线显示或时域信号显示,还可以根据需要进行线性或对数显示。
此外,波形显示时还有标尺,可以用它方便的读出任意点的坐标值。
(3) 峰值点测量用函数实现找出基波峰值点的频率值和功率值,在面板上用数字显示。
也可以用图形里的标尺方便的读出它的值。
(4) 谐波峰值点测量可以读出二次谐波、三次谐波、四次谐波峰值点的频率值和功率值。
二、基于LabVIEW的虚拟数字示波器设计根据虚拟仪器功能的需要，程序至少应包含以下模块：1、操作类型选择操作类型选择用来确定操作类型:是进行实时数据采集,还是进行存储的历史数据图形回放。
2、数据采集数据采集部分在整个程序中有很重要的地位。
数据采集部分的参数设置正确与否,直接影响到后面的分析、处理、显示等功能能否实现。
这部分的参数设置主要包括:设备与通道设置、缓冲区大小设置、触发控制、扫描速率设置、电压范围设置。
文章编号:1003 0794(2005)02 0012 02基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计李 冰1,曲 宝1,刘金辉2(1.大庆石油学院计算机与信息技术学院,黑龙江大庆163318; 2.黑龙江省信息中心,哈尔滨150036)摘要:介绍基于LabVI EW的虚拟频谱分析仪的设计过程。
这个虚拟仪器(VI)能够同时进行时域分析与频域分析,在对复杂信号进行简单的滤波和加窗处理、分析后,得到信号的频率、频率响应等参数,并能完成数据显示、绘制图形、存储和查看测量数据等功能。
且具有友好的人机界面。
关键词:图形化编程;频谱分析仪;虚拟仪器中图号:TP31文献标识码:A1 前言随着计算机及信息技术的飞跃发展,虚拟现实技术已成为一个非常重要的领域。
虚拟现实技术是一种新的人机交互系统,利用计算机等设备及相应的软件对真实的物理世界进行实时仿真和实时交互作用,在虚拟的环境中,用户与系统直接而自然地交互,进行一定的操作,从而达到实际的效果。
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。
2 虚拟频谱分析仪的软件软件开发平台采用LabVIEW,它通过建立和连接图标来构成虚拟仪器程序。
LabVIEW(Laboratory of Virtual Instruments Engineering Workbench)是美国国家仪器公司NI(National Instruments)推出的标准虚拟仪器开发平台。
LabVIE W中的虚拟仪器相当于常规语言中的程序模块,通过它实现了软件重用。
它的最大特点是采用全图形化编程,在计算机屏幕上利用其内含的功能库和开发工具库产生软面板,用来为测试系统提供输入值并接受其输出值。
总之, LabVIEW以严格定义的概念,构成了一种易于理解和掌握的软件模块,并提供了一个理想的程序设计环境。
3 虚拟频谱分析仪的结构模块(1)滤波器设置工程测试中常用的滤波是指在信号频域的选频加工[1],因为测试中获取的信号往往含有多种频率成分,为了对其中某一方面的特征有更深的认识,或有利于对信号做进一步的分析和处理,需要将其中需要的频率成分提取出来,而将不需要的频率成分衰减掉。
目录1 设计任务..................................................................... 1.1.1 技术要求 ............................................................... 1...1.2 设计方案 ............................................................... 1...2 基本原理..................................................................... 1.3 建立模型..................................................................... 2.3.1 系统前面板设计3...3.2 系统程序框图设计3...3.3 系统程序运行结果4...4 结论与心得体会9...4.1 实验结论9...4.2 心得体会 ..............................................................1..0.5 参考文献...................................................................1..0..基于LABVIEW 的虚拟频谱分析仪设计1设计任务1.1 技术要求1）设计出规定的虚拟频谱分析仪，可对输入信号进行频域分析，显示输入信号的幅度谱和相位谱等2）设置出各个控件的参数；3）利用LabVIEW实现该虚拟频谱分析仪的设计；4）观察仿真结果并进行分析；5）对该虚拟频谱分析仪进行性能评价。
1.2 设计方案虚拟频谱分析仪的设计包括以下三个步骤：1）按照实际任务的要求，确定频谱分析仪的性能指标。
目录1 绪论 (4)课题研究的背景和意义 (4)虚拟仪器的国内外现状综述 (4)频谱分析技术发展现状及趋势 (5)本文所作的工作 (6)2 虚拟仪器及LabVIEW (7)虚拟仪器的简介 (7)虚拟仪器及其构成 (7)虚拟仪器的发展 (7)虚拟仪器与传统仪器的比较 (8)LabVIEW 的介绍 (9)LabVIEW软件的特点 (9)LabVIEW的基本开发环境 (9)LabVIEW模板简介 (9)3 LabVIEW虚拟信号频谱分析仪的设计与实现 (11)信号频谱分析基础 (11)周期信号与离散频谱 (11)傅立叶级数的三角函数展开式 (12)傅立叶级数的复指数函数展开式 (12)周期信号频谱的特点 (13) (13)频谱密度函数X(ω) (13)、非周期信号的傅立叶积分表示 (14).......................................................................................... 错误!未定义书签。
(i)及其频谱x s(ω) (15)(DFT) (16)信号的频谱分析 (17)栅栏效应 (17)泄漏 (18)窗平滑技术 (18)4 软件模拟平台的构建 (18)基于实验教学的频谱分析仪的设计 (19) (22) (22)数据处理模块 (23) (24)结果显示模块 (24)仪器面板和程序流程图 (25)程序的集成与调试 (27)频谱分析仪的波形显示 (28)正弦信号的频谱图和相位图 (28)加噪声的正弦信号的频谱图和相位图 (29)5结论 (30)6致谢 (30)7参考文献 (30)摘要本文设计的虚拟频谱分析仪结合了虚拟仪器技术，频谱教正技术和软件编程技术。
借助于数据采集系统将被测信号采集到主控计算机内，利用虚拟仪器进行测量和分析，并将结果输出大批屏幕或报表中，从而完成整个测试过程。
围绕虚拟频谱分析仪的设计和实现这个主题，本文研究了频谱分析仪的原理和仪器各项功能的实现方法。
目录
1 设计任务 (1)
1.1 技术要求 (1)
1.2 设计方案 (1)
2 基本原理 (1)
3 建立模型 (2)
3.1 系统前面板设计 (3)
3.2 系统程序框图设计 (3)
3.3 系统程序运行结果 (4)
4 结论与心得体会 (9)
4.1 实验结论 (9)
4.2 心得体会 (10)
5 参考文献 (10)
基于LABVIEW的虚拟频谱分析仪设计1设计任务
1.1 技术要求
1）设计出规定的虚拟频谱分析仪，可对输入信号进行频域分析，显示输入信号的幅度谱和相位谱等
2）设置出各个控件的参数；
3）利用LabVIEW实现该虚拟频谱分析仪的设计；
4）观察仿真结果并进行分析；
5）对该虚拟频谱分析仪进行性能评价。
1.2 设计方案
虚拟频谱分析仪的设计包括以下三个步骤：
1) 按照实际任务的要求，确定频谱分析仪的性能指标。
2) 按照实验原理想好设计思路，并且完成电路图及程序，然后在前面板和程序流程图中实现。
3) 完成电路设计，运行程序并且检查，直至无误后观察仿真结果并且分心。
2基本原理
本设计采用的是数字处理式频谱分析原理，方法为：经过采样，使连续时间信号变为离散时间信号，然后利用LabVIEW的强大的数字信号处理的功能，对采样得到的数据进行滤波、加窗、FFT 运算处理，就可得到信号的幅度谱、相位谱以及功率谱。
FFT的输出都是双边的，它同时显示了正负频率的信息。
通过只使用一半FFT输出采样点转换成单边FFT。
FFT的采样点之间的频率间隔是fs/N，这里fs是采样频率。
FFT和能量频谱可以用于测量静止或者动态信号的频率信息。
FFT提供了信号在整个采样期间的平均频率信息。
因此，FFT主要用于固定信号的分析（即信号在采样期间的频率变化不大）或者只需要求取每个频率分量的平均能量。
在采样过程中，为了满足采样定理，对不同的频率信号，选用合适的采样速率，从而防止频率混叠。
实际中，我们只能对有限长的信号进行分析与处理，而进行傅立叶变换的数据理论上应为无限长的离散数据序列，所以必须对无限长离散序列截断，只取采样时间
内有限数据。
这样就导致频谱泄漏的存在。
所以利用用加窗的方法来减少频谱泄漏。
由于取样信号中混叠有噪声信号，为了消除干扰，在进行FFT 变换之前，要先进行滤波处理。
本设计采用了巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、椭圆（Ellipse）、贝塞尔（Bessel）等滤波器。
以下说明时域分析与频域分析的功能
1）信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的特征值，这些特征值以一个数值的方式来表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。
将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信号特征值处理，并在测试VI前面板上直观地表示出信号的特征值，可以给测试VI的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。
信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值。
2）信号的频域分析就是根据信号的频域描述来估计和分析信号的组成和特征量。
测量时采集到的是时域波形，但是由于时域分析工具较少，往往把问题转换到频域来处理。
频域分析包括频谱分析、功率谱分析、相干函数分析以及频率响应函数分析。
通过信号的频域分析，可以确定信号中含有的频率组成成分和频率分布范围；还可以确定信号中的各频率成分的幅值和能量；同时还能分析各信号之间的相互关系。
3建立模型
本设计中用LabVIEW中的信号发生控件来代替信号采集部分产生信号。
整个系统的设计均由软件来仿真实现。
本设计的虚拟频谱分析仪由两个软件模块组成：信号发生器模块和频谱分析模块。
处理过程如下：首先将信号发生模块产生的测试信号送数字滤波器处理，滤除干扰噪声，然后分别进行时域分析、频域分析和谐波分析。
在对信号进行各
种分析之前，要进行加窗处理，得到有限长的序列信号。
以下具体介绍各个模块。
1）信号发生器模块主要是用来产生所需的各种测试信号。
它可以完成以下功能：可产生任意标准周期信号，包括正弦波、方波、三角波、锯齿波。
其中产生的周期信号的输入参数如频率、幅值、相位、占空比、噪声幅值、偏移量等均可一调节。
2）频谱分析模块主要是对信号发生器模块产生的测试信号进行分析以及处理。
它可以完成以下的功能：测试信号经滤波、加窗处理后，进行时域分析、频域分析以及谐波分析。
可以进行各种参数设置，包括采样设置、滤波器类型选择及其参数设置、窗函数类型选择等。
3.1 系统前面板设计
前面板的设计如图1所示：
图1 前面板设计3.2 系统程序框图设计
程序框图的设计如图2所示
图2 程序设计框图
3.3 系统程序运行结果
程序有多种运行结果，有正弦波，三角波、方波、锯齿波等不同的波形，其中波形的输入频率、幅值、相位、偏移量、方波占空比均可以变，还可以加入噪声幅值。
一下是程
序的集中运行结果：
图3 程序运行结果——正弦波。
