基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计_杜伟宁

　第47卷　第3期吉林大学学报(理学版)V o l .47　N o .3　2009年5月J o u r n a l o f J i l i nU n i v e r s i t y (S c i e n c e E d i t i o n )

M a y 2009基于L a b V I E W 的虚拟频谱分析仪设计

杜伟宁,赵晨光,王　冕,王洪伟

(吉林大学仪器科学与电气工程学院,长春130061)

摘要:基于虚拟仪器原理,采用L a b V I E W 软件平台,构建一种虚拟频谱分析仪.该仪器能同

时进行时域与频域分析,对复杂信号进行加窗和滤波处理,得到信号的频率、频率响应等参

数,并具有数字显示、图形绘制、数据存储和查看存储数据等功能.实验结果表明,该仪器解

决了传统测试仪器的成本高、开发周期长、数据人工记录等问题.

关键词:频谱分析;虚拟仪器;L a b V I E W ;数据采集

中图分类号:T P 391 文献标识码:A 文章编号:1671-5489(2009)03-0548-05

D e s i g n o f V i r t u a l S p e c t r u m A n a l y z e r B a s e d o n L a b V I

E W

D UW e i -n i n g ,Z H A OC h e n -g u a n g ,WA N GM i a n ,W A N GH o n g -w e i

(C o l l e g e o f I n s t r u m e n t a t i o na n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,J i l i nU n i v e r s i t y ,C h a n g c h u n 130061,C h i n a )

A b s t r a c t :

B a s e d o nt h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l i n s t r u m e n t ,av i r t u a l s p e c t r u m a n a l y z e r w a s c o n s t r u c t e dv i at h e s o f t w a r e p l a t f o r m o f L a b V I E W .T h e i n s t r u m e n t c a ni m p l e m e n t t h ea n a l y s i s o f t i m e -d o m a i na n df r e q u e n c y -d o m a i n p r o c e s s t h e c o m p l e x s i g n a l v i a a d d i n g w i n d o w s a n d f i l t r a t i o n ,g e t t i n g t h e p a r a m e t e r ,s u c h a s f r e q u e n -c y ,f r e q u e n c y r e s p o n s e w i t h t h e d i s p l a y o f d i g i t a l ,t h e p l o t o f f i g u r e ,t h e s a v e a n d e x a m i n e o f d a t a e t c ,w h i c h m a k e s h i g h c o s t l o w e r ,l o n g d e v e l o p m e n t c i r c l e s h o r t e r ,a n d m a n u a l r e c o r d r e p l a c e d .

K e y w o r d s :s p e c t r u m a n a l y s i s ;v i r t u a l i n s t r u m e n t ;L a b V I E W ;d a t a a c q u i s i t i o n

收稿日期:2008-12-05.作者简介:杜伟宁(1984～),男,汉族,硕士研究生,从事集成电路设计及虚拟仪器技术的研究,E -m a i l :d w n i n g 8@s i n a .c o m .随着微电子、计算机、网络通信和软件技术的高速发展,一些传统仪器开始向计算机化方向发展,虚拟仪器(V I )应运而生.虚拟仪器可借助P C 机强大的计算及处理能力,以软件替代硬件,由用户自定义和扩展功能,且价格低廉,应用广泛.

在测试领域[1]

中,频谱分析仪是一种重要的常用仪器.传统频谱分析仪的硬件电路复杂,生产技术要求较高,价格昂贵.本文基于L a b V I E W 设计了一台虚拟频谱分析仪,并用软件代替硬件,基于计算机强大的分析处理能力,将一些先进的数字信号处理方法[2]运用于软件设计中,实现了虚拟仪器代替传统频谱分析仪,并得到很好的效果.在已有的硬件基础上,通过软件重构,还可以构成虚拟示波器、虚拟失真度测试仪、虚拟频率特性测试仪等其他仪器.1　虚拟频谱分析仪的结构

1.1　原理及其实现方法

本文采用数字处理式频谱分析原理设计虚拟频谱分析仪[3-4]

.工作流程如下:连续时间信号经过采样变为离散时间信号,利用L a b V I E W 强大的数字信号处理功能,对数据进行滤波、加窗、F F T 运算处理,得到信号的幅度谱、相位谱及功率谱等.

采样过程中,对不同的频率信号,选用合适的采样速率,以满足采样定理,防止频率混叠.进行傅DOI :10.13413/j .cn ki .jd xblxb .2009.03.042

里叶变换的数据在理论上应为无限长的离散数据序列.实际上,只能对有限长的信号进行分析与处理,所以必须对无限长的离散序列进行截断,只取采样时间内的有限数据,从而存在着频谱泄漏问题.本文设计中分别用矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布来克曼窗等窗函数减少频谱泄漏.由于取样信号中混叠噪声信号,因此为了消除干扰,在进行F F T 变换前,应先进行滤波处理.本文设计采用巴特沃斯(B u t t e r w o r t h )、切比雪夫(C h e b y s h e v )、椭圆(E l l i p s e )、贝塞尔(B e s s e l )等滤波器进行滤波.

1.2　系统构架

本文设计一个双通道虚拟频谱分析仪,是由计算机(应用L a b V I E W 8.2软件开发)、数据采集硬件板卡(前置程控放大、高速数据采集、C P L D 逻辑控制等)以及数据通信接口总线(选用支持U S B 2.0接口的E Z -U S BF X 2系列芯片)组成,总体设计框图如图1所示.

图1　虚拟频谱分析仪的设计框图

F i g .1　B l o c kd i a g r a m o f v i r t u a l s p e c t r u m a n a l y z e r

被测信号通过放大、滤波和隔离等处理[5],调理后的信号经数据采集卡进行A /D 转换,将模拟信号转换为数字信号,最后由控制软件对测试信号进行频谱分析和处理,得到测试结果,并按要求显示和存储结果.采用吉林大学仪器科学与电气工程学院自主研制的“V I E T S 虚拟仪器实验教学系统”中数据采集卡V I -5102进行数据采集,有两个模拟输入通道,支持两路单端或差动模拟信号输入,具有双8位的连续A /D 转换,3个10位的定时计数器,允许系统设置D M A 、中断和基本的输入/输出地址,避免了与系统中其他板卡的地址冲突.最大抽样速率为40M S /s ,输入信号为-5～+5V 或0～10V ,采集的数据通过U S B 总线上传至上位机进行数据处理.

2　虚拟频谱分析仪的设计

2.1　软件开发平台

图2　系统的软件流程

F i g .2　F l o w c h a r t o f s y s t e m s o f t w a r e 本文设计采用美国N I 公司的L a b V I E W 平台,L a b V I E W 是基于图形化编程语言的开发环境[6],它

通过建立和连接图标构成虚拟仪器程序,而无需像传统的文本编辑形式一样编写源代码实现.L a b V I E W 虚拟仪器程序[7]

(简称为V I ),主要包括三部分:前面板、框图以及图标和连接器,其中前面板是V I 的交互式用户界面,是用户和程序代码发生联系的窗口;框图是V I 的源代码,由图标、连线等符号组成;图标和连接器则用于指定数据流进和流出的路径,图标是V I 的图形符号,连接器则对输入和输出进行定义.完整的L a b V I E W 程序设计包括前面板设计、框图程序设计、程序调试及可执行程序生成.

2.2　软件流程

组建虚拟频谱分析仪系统的关键是软件编程,即根据功

能要求编制相应的功能模块[8],基于L a b V I E W 8.2调用动态

链接库采集波形数据[9],实现通信并将采集到的数据进行软

件处理,实现频谱分析的功能,软件流程如图2所示.

2.3　部分模块设计

2.3.1　频谱分析模块　将时域信号变成频域信号再分析称

为频谱分析.多数情况需要观察频谱图进行频率分析.图3

为频谱分析功能程序框图,程序采用“复数至极坐标转换”函

数将F F T 的输出分解为幅值和相位,其中相位的单位为弧度549　第3期 杜伟宁,等:基于L a b V I E W 的虚拟频谱分析仪设计