頻譜分析儀-LabVIEW課程設(shè)計

1、LabVIEW課程設(shè)計虛 擬 儀 器 技 術(shù)課 程 設(shè) 計 課 題： 頻譜分析儀 班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 揚州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院2012年2月目 錄1課程設(shè)計的目的及任務(wù)（1）1.1課程設(shè)計的目的（1）1.2課程設(shè)計的任務(wù)（1）1.3課程設(shè)計的要求及技術(shù)指標(biāo)（1）2總方案的確定并畫出原理框圖（2）3各基本單元原理及設(shè)計（3）3.1數(shù)據(jù)采集模塊（3）3.2正弦信號產(chǎn)生模塊（3）3.3加窗函數(shù)模塊（4）3.4濾波函數(shù)模塊（4）3.5功率譜轉(zhuǎn)換模塊（5）4總原理圖，工作原理、工作特性（6）5電路安裝與調(diào)試（8）5.1電路安裝調(diào)試步驟（8）5.2實驗結(jié)果分析（8）5.3改進(jìn)意見及

2、收獲（9）6體會(10)附錄1：課程設(shè)計任務(wù)書（11）111 課程設(shè)計的目的及任務(wù)1.1 課程設(shè)計目的（1）掌握LabVIEW軟件編程方法；（2）掌握LabVIEW硬件的應(yīng)用；（3）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識來指導(dǎo)實踐的能力。1.2 課程設(shè)計的任務(wù)頻譜分析儀是在科學(xué)研究和工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。本課題將結(jié)合虛擬頻譜分析儀的設(shè)計過程，了解使用基于圖形化編程語言LabVIEW進(jìn)行虛擬儀器編程的方法與實現(xiàn)技術(shù)，基本實現(xiàn)傳統(tǒng)頻譜分析儀的功能。1.3 課程設(shè)計的要求及技術(shù)指標(biāo)（1）將采集到的時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號；（2）對信號進(jìn)行簡單的濾波和加窗處理；（3）求出信號的頻率、頻率響應(yīng)等參數(shù)；（4）能完

3、成數(shù)據(jù)顯示、繪制圖形、存儲和查看測量數(shù)據(jù)等功能且具有友好的人機界面。2 總方案的確定并畫出原理框圖本設(shè)計的虛擬頻譜分析儀即可以對虛擬信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號進(jìn)行頻譜分析，由此確定設(shè)計總方案也可以對通過信號調(diào)理器，基于PCI總線的DAQ卡組成的采集系統(tǒng)所采集到的外部信號進(jìn)行頻譜分析。其中，在對外部信號進(jìn)行頻譜分析時，外界被測信號首先傳送到信號調(diào)理電路，且由信號調(diào)理電路對它進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理后，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后由軟件對被測試信號進(jìn)行頻譜分析和處理，最后得到測試結(jié)果，并按要求將它們顯示或儲存起來。原理框圖如圖一所示。圖一3 各基本單元原理及設(shè)計3.1

4、 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊采用Acquire Waveform VI子程序來控制PCI-1200數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集操作，參數(shù)設(shè)置模塊可以設(shè)置的參數(shù)主要包括：設(shè)備與通道，采樣點數(shù)，觸發(fā)控制，掃描率。3.2 正弦信號產(chǎn)生模塊正弦信號產(chǎn)生模塊采用Sine Wave VI子程序（在Analysis>Signal Generation子模板中），用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦信號在實驗時驗證頻譜分析功能，設(shè)置的參數(shù)包括：采樣點數(shù)，采樣頻率，信號頻率，幅值和初始相位。3.3 加窗函數(shù)模塊加窗函數(shù)模塊可由Scaled Time Domain Windows.vi模板來完成。該模板有兩個輸入和兩個輸出端。首先從輸

5、入端輸入一個時域信號，再進(jìn)行窗體類型的選擇，可根據(jù)實際情況選擇不加窗、漢寧窗、漢明窗、布萊克曼窗、平頂窗等8種窗體，最后輸出一個已加窗的時域信號，這樣便可以減少窗口效應(yīng)帶來的柵欄效應(yīng)和泄漏問題。設(shè)計中運用了漢明窗。3.4 濾波函數(shù)模塊數(shù)字濾波器用于改變或消除不需要的波形。它是應(yīng)用最廣泛的信號處理工具之一。兩種數(shù)字濾波器分別是：FIR（有限脈沖響應(yīng)）和IIR（無限脈沖響應(yīng)）濾波器。FIR濾波器可以看成一般移動平均值，它也可以被設(shè)計成線性相位濾波器。IIR濾波器有很好的幅值響應(yīng)，但是無線性相位響應(yīng)。設(shè)計中選用了巴特沃思濾波器（0-低通，1-高通，2-帶通，3-帶阻）。3.5 頻譜分析模塊頻譜分析模

6、塊根據(jù)設(shè)計要求有三個選擇功能：0-頻譜分析，1-功率譜分析，2-FFT。幅度和相位譜功率譜快速傅里葉變換5 總原理圖，工作原理、工作特性這一種虛擬頻譜分析儀能夠提供一個高精度的頻譜分析功能，并且可以同時觀察輸入信號的時域和頻域顯示。但該虛擬頻譜分析儀受數(shù)據(jù)采集卡采樣速率的限制，其頻率范圍僅為050kHz，用戶可以通過改變采樣速率和數(shù)據(jù)長度來選擇頻率分辨率。在虛擬頻譜分析儀的設(shè)計中可以通過程序直接讀出基波頻率和峰值大小，并將它們顯示在面板上，用戶參考這個值可以手動調(diào)整采樣速率的大小和顯示圖形中X、Y軸的坐標(biāo)來觀察所需要的頻譜圖，因此操作更加直觀、簡便。可以用標(biāo)準(zhǔn)正弦信號模擬實驗，也可以采集外部數(shù)

7、據(jù)，采集的數(shù)據(jù)若有干擾可以根據(jù)情況選擇濾波和加窗，使獲得的結(jié)果更加滿意。信號頻譜分析儀的主要數(shù)據(jù)處理工作就是對待分析信號進(jìn)行傅立葉變換，然后分析其頻譜、功率譜特性，并顯示計算結(jié)果。程序如圖二，圖三所示。圖二圖三5 電路安裝與調(diào)試5.1電路安裝調(diào)試步驟（1）根據(jù)原理框圖設(shè)計程序（2）檢查程序接線和各個判斷框?qū)?yīng)情況（3）采用正弦信號模擬，驗證程序是否正確（4）接入外部信號，根據(jù)情況濾波或加窗，分析實驗結(jié)果5.2實驗結(jié)果分析當(dāng)接入標(biāo)準(zhǔn)正弦信號時，設(shè)置采樣頻率=100，采樣數(shù)=200，幅度=5，初始相位=0，信號頻率=5，所得結(jié)果如下： 當(dāng)接入外部信號時，設(shè)置設(shè)備號=1，通道=1，采樣頻率=200，

8、采樣數(shù)=500，所得結(jié)果如下：5.3 改進(jìn)意見及收獲經(jīng)過試驗和結(jié)果分析，設(shè)計的虛擬頻譜分析儀基本實現(xiàn)了任務(wù)要求，但在試驗中也發(fā)現(xiàn)了一些問題還有待改進(jìn)。應(yīng)該使用選擇結(jié)果使濾波和加窗方式更多樣化，因為在采集外部數(shù)據(jù)時存在各種干擾，單一的濾波和加窗方式并不能滿足所有情況的要求，有時用巴特沃思濾波器反而使所得信號變得更糟糕，應(yīng)該根據(jù)不同的情況選擇不同的濾波或加窗方式。頻譜分析也比較簡單，可以用數(shù)據(jù)框顯示峰峰值、響應(yīng)值等，使所得結(jié)果更加直觀可讀。頻譜分析方式在實際工作時應(yīng)更加豐富，可以加入單邊譜、雙邊譜、諧波分析等內(nèi)容。在實驗時如使用外部采集數(shù)據(jù)應(yīng)注意接共地端，否則將有很大的干擾，甚至完全淹沒信號。 6

9、 體會一周半的虛擬儀器課程設(shè)計很快就過去了，但這短短一周半的時間卻讓我們學(xué)到了很多，最終的結(jié)果也還算滿意，但是在設(shè)計程序、設(shè)置參數(shù)，調(diào)試電路等一系列過程中我們也遇到了很多問題。采集的信號有較大干擾，經(jīng)過濾波和加窗處理仍實現(xiàn)不了預(yù)期效果等情況，但我們沒有互相埋怨而是通過仔細(xì)地檢查，問老師問同學(xué)等許多積極的方式來解決問題，最重要的是我們小組兩人分工明確，而且又相互協(xié)作。通過一周半的課程設(shè)計，加強了查找資料、思考和解決問題的能力。我覺得做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用各個函數(shù)模塊的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我

10、們了解了很多VI子程序的功能，并且對于其各個端點的含義、接線方法有了更深入的了解。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完設(shè)計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實踐讓我們對各個VI函數(shù)模塊印象深刻。另外很多內(nèi)容也是書上沒有的，通過自己查資料，反復(fù)看說明書才得以解決，這對我今后工作有很多幫助。認(rèn)識來源于實踐，實踐是認(rèn)識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這次的設(shè)計對我們的作用是非常大，提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固等。 這次課程設(shè)計的

11、順利完成了，離不開老師的辛勤指導(dǎo)和同學(xué)的幫助，我也從老師何同學(xué)的身上我們學(xué)也到很多實用的知識，在此我向所有幫助過我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝 ！附錄1：1.設(shè)計目的（1）掌握LabVIEW軟件編程方法（2）掌握LabVIEW硬件的應(yīng)用（3）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識來指導(dǎo)實踐的能力2.設(shè)計所用儀器及器件(1) NI公司的數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)理卡。NI DQA-6024卡，NI SC-2075卡各一套。(2) P計算機一臺。(3)各種相關(guān)的實驗材料和設(shè)備。 3.實物內(nèi)容及要求（1）設(shè)計成果一份。（2）課程設(shè)計論文一份。4.進(jìn)程安排1布置任務(wù)、查閱資料，方案設(shè)計（兩天）根據(jù)設(shè)計要求，查閱參考資料，進(jìn)行方案設(shè)計及可行性論證，確定設(shè)計方案，畫出詳細(xì)的原理圖。2上機在LabVIEW環(huán)境下按要求進(jìn)行設(shè)計 （三天）要求在虛擬儀器上觀測到正確的波形并達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。3硬件的裝配及調(diào)試（三天）使用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行裝配調(diào)試，使其全面達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，最終通過驗收。4總結(jié)報告 （一