LabVIEW虚拟信号频谱分析仪的设计与实现-毕业设计

LabVIEW虚拟信号频谱分析仪的设计与实现-毕业设计目录1 绪论 (5)1.1 课题研究的背景和意义 (5)1.2 虚拟仪器的国内外现状综述 (5)1.3 频谱分析技术发展现状及趋势 (6)1.4 本文所作的工作 (7)2 虚拟仪器及LabVIEW (8)2.1 虚拟仪器的简介 (8)2.1.1 虚拟仪器及其构成 (8)2.1.2 虚拟仪器的发展 (8)2.1.3 虚拟仪器与传统仪器的比较 (9)2.2 LabVIEW 的介绍 (10)2.2.1 LabVIEW软件的特点 (10)2.2.2 LabVIEW的基本开发环境 (10)2.2.3 LabVIEW模板简介 (11)3 LabVIEW虚拟信号频谱分析仪的设计与实现 (12)3.1 信号频谱分析基础 (13)3.1.1 周期信号与离散频谱 (13)3.1.1.1 傅立叶级数的三角函数展开式 (13)3.1.1.2 傅立叶级数的复指数函数展开式 (14)3.1.1.3 周期信号频谱的特点 (14)3.1.2非周期信号与连续谱线 (15)3.1.2.1 频谱密度函数X(ω) (15)3.1.2.2、非周期信号的傅立叶积分表示 (15)3.1.3离散时间信号的频谱 (16)3.1.3.1.信号x s(i)及其频谱x s(ω) (16)3.1.3.3.离散傅立叶变换(DFT) (17)3.1.4信号的频谱分析193.1.4.1栅栏效应 (19)3.1.4.2泄漏 (19)3.1.4.3窗平滑技术 (19)4 软件模拟平台的构建 (20)4.1 基于实验教学的频谱分析仪的设计 (20)4.2基于FFT变换的频谱分析仪设计 (24)4.2.1典型信号生成模块 (24)4.2.2 数据处理模块 (25)4.2.3数据读取存储模块 (26)4.2.4 结果显示模块 (27)4.2.5 仪器面板和程序流程图 (27)4.3 程序的集成与调试 (29)4.4频谱分析仪的波形显示 (30)4.4.1 正弦信号的频谱图和相位图 (30)4.4.2加噪声的正弦信号的频谱图和相位图315结论 (32)6致谢 (32)7参考文献 (32)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。

虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发。

本文采用模块化设计方法，详细描述了典型信号生成模块、显示模块等软件开发的全过程，分析、解决了设计及实现过程中出现的问题，并给出了已实现的虚拟信号频谱分析仪的前面板图和程序流程图。

由这些仪器组成的系统，可用于电路基础、电子技术基础、信号与系统、自动控制理论等专业基础课程的实验教关键词：虚拟仪器频谱分析LabVIEW（英文翻译还没写）1 绪论1.1 课题研究的背景和意义目前国内使用的频谱分析仪往往是进口产品，即使是国产仪器也大多不兼容，不能共享软、硬件资源，不能进行二次开发，并且价格昂贵。

如果自己组建系统，为了完成较复杂的测试任务，往往需要根据特定的测试任务购买专用的硬件产品。

除此之外，一般每个仪器大多都有自己的显示器、内存、CPU等硬件，这就造成了硬件资源的浪费。

虚拟仪器的出现突破了以往传统仪器的特点，充分利用不断发展和完善的计算机技术，以通用计算机和标准总线技术为平台，利用计算机的硬件资源，并辅以软件作为其开发平台。

用户利用面向测量仪器的控制和管理的视窗软件平台((LabVIEW, LabWindows/CVI, HP-VEE等)，开发集测量、管理和控制于一身的应用软件，实现测试要求。

一台普通的电脑、若干软件包和基本的硬件电路(如数据采集电路、GPIB仪表、VXI仪表等)就可以构成一套完整的测试系统，并具备数据处理的功能和友好的人机界面(通常称为虚拟面板)。

这种仪器即具有普通仪器的基本功能，又有一般仪器不具备的特殊功能，并且在仪器成本、仪器维护上节约人力物力。

因此，将虚拟仪器的思想应用频谱分析上设计并实现虚拟频谱分析仪有着它一定的实际意义。

1.2 虚拟仪器的国内外现状综述测试仪器从模拟仪器、数字仪器到智能仪器，从单台仪器、总线插卡式仪器到虚拟仪器系统的发展历程中，经历了3个发展过程:分立仪器时期，局部总线时期和总线时期。

传统的专用测试系统很难在领域内扩散，极易造成重大浪费。

采用总线结构的虚拟仪器则由于在系统体系结构上发生了重大变化，从而使得情况有了很大变化。

虚拟仪器就是VI(Virtual Instrument)，这一概念最早由美国NI (NationalInstrument)公司提出。

它突破了以往传统仪器的特点，充分利用不断发展和完善的计算机技术，以通用计算机和标准总线技术为平台，利用计算机的硬件资源，并辅以软件作为VI的开发平台。

虚拟仪器利用现有的计算机，加上特殊设计一的仪器硬件和专用的计一算机软件，形成的既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档次低价格的新型仪器。

虚拟仪器由于计算机的介入，其数据处理功能变得强大而且方便。

模块化的结构式系统的组建变得灵活容易，计算机软件在虚拟仪器中占有重要地位。

从某种意义上说，他充当着某些“硬件”的角色。

应用软件的再开发性，极大的拓展了系统的应用范围。

同时，计算机软件运行的可重复性，可以避免传统仪器因漂移等原因造成的结果的不稳定性。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有多功能化、通用化、小型一体化、智能化、高效、实时等优点。

在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是解决信号的输入/输出问题的方法和软件赖以生存、运行的物理环境，软件才是整个仪器的核心构件。

目前，在一些发达国家VI技术非常发达，VI产品的应用非常普遍，而在我国基校中得到研究，并未推出产品，VI的发展潜力很大，研究与应用VI技术，可以迅速发展我国的电子仪器产业，提高工业界的测试水平，将有更深远的意义。

虚拟仪器技术虽然诞生只有几十年的历史，但其发展速度是惊人的，原因在于其极大的灵活性和测试自动化程度高的特点，又具有成本低的优势。

计算机技术的发展位VI的发展奠定了物质基础。

软件世界更是异彩纷呈。

计算机与仪器的结合，具有无穷的发展潜力，VI技术为测试人员提供更加良好的测试环境。

本上还处于传统测试仪器与计算机脱离的状态，VI技术仅限在一些高1.3 频谱分析技术发展现状及趋势频谱分析在生产实践和科学研究中有着广泛的应用。

例如，对各类旋转机械、电机、机床等机器的主体或部件进行实际运行状态下的谱分析，可以提供设计数据和检验设计结果，或者寻找震源和诊断故障，保证设备的安全运行等。

在声纳系统中，为了寻找海洋水面船只或潜艇，需要对噪声信号进行谱分析，以提供有用信息，判断舰艇运动速度、方向、位置、大小等。

因此对频谱分析方法的研究一直是当前信号处理技术中一个十分活跃的课题。

1965年库利一图基在((计算数学))杂志上发表快速傅里叶变换(FFT算法，FFT和频谱分析很快发展成为机械设备故障诊断、振动分析、无线电通信、信息图像处理和自动控制等多种学科重要的理论基础。

然而长期的应用和近年来的理论分析表明，经快速傅里叶变换得到的离散频谱，在频率、幅值和相位方面均可能产生较大误差，单谐波加矩形窗时最大误差从理论上分析可达36. 4}}'"'，即使加其他窗时，也不能完全消除此影响。

在加Harming窗时，只进行幅值恢复时的最大幅值误差仍高达15. 3%，相位误差高达士90度。

因此，频谱分析的结果在许多领域只能定性而不能精确的定量分析和解决问题，大大限制了该技术的工程应用，特别是在机械振动和故障诊断中的应用受到极大限制。

从70年代中期，有关学者开始致力于频谱校正理论的研究以期解决离散频谱误差较大的问题。

1975年约翰等从事电学领域研究工作的学者采用插值法对加矩形窗的离散化频谱进行校正，解决了电学中的离散高次谐波参数的精确测量问题;1983年托马斯提出了加Hanning窗的内差法，进一步提高了离散高次谐波参数的分析精度。

1993年，丁康和谢明提出了三点卷积法幅值校正法￡5s7，提高了频率间隔较大的信号的离散频谱幅值精度，解决了工程实际中的一些问题。

1994年，丁康、谢明等提出和发展了比例频谱校正方法，使内差法系统的发展成为一种通用的频谱校正方法，解决了频率间隔较大的离散化频谱幅值、相位和频率的精确求解问题，并对离散频谱的校正方法和误差分析惊醒了深入的分析和研究。

1996年，余加兵等提出了采用复调制细花谱分析将已产生频谱干扰的密集频率成分分离开，消除干扰，再用比例法进行校正以解决密集频率成分的离散频谱的校正问题。

1997年，丁康等分析了离散频谱中的负频率成分和多频谱成分的干扰现象，提出了离散频谱中用相位判据和傅值判据综合判定和识别单频率成分的方法，实现了单频率成分和频率间隔较大的多频率成分的自动识别和自动校正。

并提出了在不采长样的基础上利用轴系旋转识别和校正两个己发生干扰的密集频率成分的自动判定和校正的方法。

1999年，丁康等提出了对连续时域信号分前后两段做傅里叶变换，利用其对应离散谱线的相位差矫正出谱峰处的精确频率和相位的校正方法—相位差矫正法。

该方法可在不知道窗谱函数表达式的情况下，直接利用其相位差进行频率和相位校正。

2001年，徐培民等提出了自动识别和修正离散频谱中两临近谱峰参数的方法，不仅能识别间隔不到一个频率分辨率的两个密集频率成分，而且能识别峰间隔距为1-6个频率的临近谱峰参数。

从目前国内外学者所进行的大量研究工作来看，主要是对单频率信号(或频率间隔较大的多频率信号)离散频谱的自动识别和校正，密集频率的校正也只限十两个临近频率成分的校正，未能深入到连续频率成分频谱的误差和校正方法的研究。

而实际工程中的许多信号是密集频率成分或连续频率成分的信号，比如在旋转机械、故障诊断和非线性动力系统分析中，常常出现密集频谱现象。

在有限样本长度下，由此类信号的FFT谱很难识别其频率构成，确定个频率的参数，而且1.4 本文所作的工作基于虚拟仪器的概念，使用目前最为流行的虚拟仪器软件开发环境——LabView，设计并实现了一个虚拟频谱分析仪。

该虚拟频谱分析仪的系统结构框图如图1-1所示。

测试信号经传感器传至数据采集模块，采集到计算机内，通过调用虚拟仪器测试采集到的数据，分析处理的结果输出到文件形成测试报告，或者输出到打印机，完成检测。

整个系统的设计分为硬件和软件两部分。

硬件部分主要是运用已经成熟的产品，本次设计的研究重点只要放在软件的编制和实现上。

作者主要完成了如下工作:(1)研究频谱分析理论以及频谱校正的方法。