虚拟频谱分析仪的设计及研究

Ｎｏ．２　Ｖｏ１．２６　陕西科技大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨ　Ａ　Ａ　ＩＸＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ａｐｒ．２００８　・９３・　

文章编号：１０００—５８１１（２００８｝０２—００９３—０４　

基于ＦＰＧＡ的数字频谱分析仪设计　

高　森，马令坤，郑恩让　

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安７１００２１）　

摘要：基于ＦＰＧＡ设计了一种数字频谱实时分析仪，该分析仪充分利用了ＦＰＧＡ并行运算　的特点，并结合ＮＩＯＳＩＩ软核处理器的可重构性，采用周期图法实现了在４８　ｋＨｚ采样频率下　

实时信号的频谱分析和信号的时域、功率谱密度的液晶显示．　

关键词：频谱分析仪；ＦＦＴ；ＦＰＧＡ；ＮＩＯＳ　ＩＩ　中图分类号：ＴＭ９３５．２１　文献标识码：Ａ　

０前言　

频谱分析作为近代的信号分析方法，是电子产品研发、生产、检验的重要工具，而高分辨率、宽频带数　字频谱分析方法的研究一直是该领域的热点［１　］．目前数字频谱分析在实现方式上主要有：基于计算机处　

理的准实时频谱分析（或称为软件频谱分析）、基于通用ＤＳＰ处理器（比如ＴＩ或ＡＤ公司器件）的实时频　谱分析和基于专用ＦＦＴ处理芯片（ＡＳＩＣ）的频谱分析系统．前者由于采用软件处理，故实时性很差（数据　

先采样、存储后处理），且系统成本很高．对于通用ＤＳＰ处理器实现的分析系统，在实时Ｉ生上虽远远高于前　

者，其乘加运算采用硬件实现（乘加器数量有限），且系统采用流水线方式，但数据本身的组织及处理过程　（顺序工作方式）使其在高速场合往往需多片并行应用，这样系统的设计和编程难度较大，且成本较高．基　于ＦＰＧＡ实现的ＤＳＰ［３　］，可以以并行或顺序方式工作且乘加运算全部采用硬件并行结构．在并行工作方　

面，ＦＰＧＡ中可以使用各种状态机或使用嵌入式微处理器来完成，同时系统在每个时钟周期都可同时完成　许多操作，使得即使在顺序执行方面也比通用ＤＳＰ处理器快［４］．ＮＩＯＳＩＩＥ　］是Ａｌｔｅｒ开发的第二代软核式　处理器，其性能超过了２００ＤＩＰＳ，设计能够从无限的系统配置组合中选择满足性能和成本的目标方案，而　

LabVIEW课程设计

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一、基础题 1、用labview的基本运算函数编写以下算式的程序代码：

首先在前面板创建一个数值输出控件，然后在程序框图中按照上图连接线路，点击运行，程序结果。

2、利用摄氏温度与华氏温度的关系C = 5(F − 32) / 9编写一个程序，求华氏温度（F）为32 , 64 , 4 , 98.6 , 104, 212时的摄氏温度。

在程序前面板创建一个数值输入控件和一个数值显示控件，在程序框图中添加一个公式节点，添加一个输出和一个输入分别输入和显示控件项链，在公式节点框图中输入温度转换公式，然后在面前扮输入相应的温度点击运行，得到相应的结果。

3、创建一个2行3列的二维数组控制件，为数组成员赋值如下：

00.600.500.400.300.200.1

在前面板创建一个数组显示控件，然后将1、2、3创建成数组第一行，4、5、6创建成数组第二行，再将两行创建成一个两行三列的二位数组，点击运行显示输出结果。

4、用数组创建函数创建一个二维数组显示件，成员为： 1 2 3 4 5 6

2 3 4 5 6 1

3 4 5 6 1 2

4 5 6 1 2 3

编程将上述创建的数组转置为：

1 2 3 4

2 3 4 5

3 4 5 6

4 5 6 1

5 6 1 2

6 1 2 3

先在面前板上创建一个上图这样的数组。再创建两个显示数组（一个为显示数组，另一个为转换后数组），在程序框图上面按照下图连线，在原数组和转换后数组之间接一个“二维数组转制”，

点击运行后显示为：

5、创建一个簇控制件，成员分别为字符型控制件姓名，数值型控制件学号， 布尔型控制件注册。从这个簇控制件中提取出簇成员注册，显示在前面板上。

虚拟仪器技术引入电工电子教学的思考

摘 要： 目前一些高校实验资源紧缺、教学效率低下，无法满足电子类、信号处理类等课程的实验和实践教学要求，将虚拟仪器技术应用到教学和实践中，强化了学生的实践动手能力和教学效果。文章结合labview 软件开放性对电工电子类课程教学工作给出参考思想，通过举出 labview 设计和替代几种常用教学仪器说明labview 在电工电子中测试仪器方面有广泛的应用，说明作为教学内容将labview补充到教学中的必要性。

关键词： 虚拟仪器 电工电子 labview

随着电子信息技术的高速发展及其在电子仪器测量技术中的应用，新的测试理论、测试方法及新的仪器机构不断出现，传统仪器显得越来越力不从心。许多学校存在仪器设备缺乏和过时陈旧、实验室设备利用率低的问题，严重影响教学科研效果。学生不能掌握实验方式，培养动手能力，并且通常根据学校教学要求，实验室所完成的实验都是一些简单的实验性实验，有些学生想要更深入地完成一些复杂的实验和一些设计性的实验，学校却不能提供相应的条件。

虚拟仪器是一种全新的仪器概念，在自动化监测领域的应用正方兴未艾，而labview是科学家和工程师进行虚拟仪器应用开发的首选工作平台。将虚拟仪器引入高校教学不但可以提高教学内容的实用性，而且可以为降低实验仪器成本提供有效的途径和方法。

一、传统电子仪器的缺点 从普通意义上看，传统电子仪器主要由三大模块组成：即对被测信号的采集与控制、分析与处理、测量结果的表达与储存。传统电子仪器的这些功能块都是以硬件或者固话的软件的形式存在的，存在一些弱点。

首先，灵活性和可拓展性差。传统意义的电子仪器是自封闭系统，具有固定的用户界面、组成模块和数据处理能力。

其次，成本高，技术更新慢。一般传统意义的电子仪器价格较贵，动辄十几万几十万甚至更多。开发周期较长，技术更新较慢，而且存在元器件老化等问题，维护费用高，使用寿命短。

最后，数据显示、分析和存储功能不够强大。传统意义的电子仪器的图形显示界面比较小，依靠人工读取数据从中获得的信息量小。由于硬件设备的限制往往无法实现更灵活、更特殊的数据分析功能，更难以实现数据编辑、存储、打印等功能。

4 虚拟仪器技术

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4 虚拟仪器技术

4.1 虚拟仪器的概念[22-23]

虚拟仪器(Virtual Instrument，简称 VI)是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术和仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果。其核心是：以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能式的功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与计算机结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义，自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。虚拟仪器可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC机或工作站等各种计算机平台(甚至可以是掌上电脑)加上应用软件而构成的。图4.1是虚拟仪器的外观图。

图4.1 虚拟仪器外观图

Fig.4.1 Face of virtual instrument

给定计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用VI的关键在于应用软件，这是因为应用软件为用户构造或使用VI提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。基于软件在VI技术中的重要作用，美国国家仪器公司(National Instrument，简称NI)提出的“软件即仪器”(The Software is the Instrument)形象地概述了软件在VI中的重要作用。 重庆大学硕士学位论文

36 一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驱动软件，他们在一起共同完成传统仪器的功能。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变，虽然PC机和集成电路技术在过去的20年里有显著的发展和提高，但是，软件才是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。以软件为中心的虚拟仪器系统为用户提供了创新技术并大幅降低了生产成本，有了虚拟仪器，工程师和科学家就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定（完全由厂家提供）的传统仪器的限制。