基于LabVIEW的頻譜分析儀報(bào)告

1、基于LabVIEW的簡(jiǎn)易頻譜分析儀基于LabVIEW的頻譜分析儀機(jī)電學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器系晉芳摘要：以LabVIEW為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的頻譜分析儀，該儀器能實(shí)時(shí)顯示采集到的信號(hào)的波形和FFT變換的圖形，并將該信號(hào)的各參數(shù)測(cè)量出來(lái)。關(guān)鍵字：LabVIEWFFT頻譜分析一、設(shè)計(jì)任務(wù)基于目前智能儀器實(shí)驗(yàn)室的硬件系統(tǒng)通過(guò)LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易頻譜分析儀，要求能采集-1010V、頻率2Hz25KHz的各種信號(hào)并能顯示采集到信號(hào)的幅度頻譜。、設(shè)計(jì)要求1、基本功能(1)能夠采集幅值范圍在-10V10V,頻率在25KHz以下的信號(hào)并顯示出來(lái);(2)能夠?qū)⑺杉盘?hào)的頻譜計(jì)算出來(lái)并顯示出來(lái)。(3)編寫(xiě)友好

2、的人機(jī)界面；2、發(fā)揮部分(1)能夠?qū)Σ蓸有盘?hào)波形失真度進(jìn)行測(cè)量；(2)能夠存儲(chǔ)頻譜波形；三、頻譜分析原理頻譜分析最常用的方法就是離散傅立葉變換(DFT),為了快速計(jì)算DFT,通常采用一種快速傅立葉變換(FFT)的方法。當(dāng)信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)是2的哥時(shí)，就可以采用這種方法。FFT的輸出都是雙邊的，它同時(shí)顯示了正負(fù)頻率的信息。通過(guò)只使用一半FFT輸出采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成單邊FFT。FFT的采樣點(diǎn)之間的頻率間隔是fs/N,這里fs是采樣頻率。FFT提供了信號(hào)在整個(gè)采(即信號(hào)在采樣期間的頻率變FFT和能量頻譜可以用于測(cè)量靜止或者動(dòng)態(tài)信號(hào)的頻率信息。樣期間的平均頻率信息。因此，F(xiàn)FT主要用于固定信號(hào)的分析化不大)或者

3、只需要求取每個(gè)頻率分量的平均能量。計(jì)算機(jī)只能處理有限長(zhǎng)度的信號(hào)，原信號(hào)限化。有限化也稱為加“矩形窗”或“不加窗”寬的附加頻率成分，這些附加頻率成分在原信號(hào)為有限化帶來(lái)的泄露問(wèn)題。泄露使得原來(lái)集中在來(lái)許多問(wèn)題：如使頻率曲線產(chǎn)生許多“皺紋”x要以T(采樣時(shí)間或采樣長(zhǎng)度)截?cái)?，即有。矩形窗將信?hào)突然截?cái)?，這在頻域造成很x(t)中其實(shí)是不存在的。一般將這一問(wèn)題稱f0上的能量分散到全部頻率軸上。泄露帶(Ripple),較大的皺紋可能與小的共振峰值混淆；如信號(hào)為兩幅值一大一小頻率很接近的正弦波合成，幅值較小的一個(gè)信號(hào)可能被淹沒(méi)。f0附近曲線過(guò)于平緩，無(wú)法準(zhǔn)確確定f0的值。為了減少泄露，人們嘗試用過(guò)渡較為緩

4、慢的、非矩形的窗口函數(shù)。常用的窗函數(shù)如下表所示。窗定義應(yīng)用矩形窗(無(wú)窗)Wn=1.0區(qū)分頻域和振幅接近的信號(hào)瞬時(shí)彳言號(hào)寬度小于窗指數(shù)形窗Wn=expn*lnf/N-1f=終值瞬時(shí)信號(hào)寬度大于窗1基于LabVIEW的簡(jiǎn)易頻譜分析儀海寧窗Wn=0.5cos（2n兀/N）瞬時(shí)信號(hào)寬度大于窗普通目的的應(yīng)用海明窗Wn=0.54-0.46cos（2n兀/N）聲首,處理平頂窗Wn=0.2810639-0.5208972cos（2n兀/N）+0.1980399cos（2n兀/N）分析無(wú)精確參照物且要求精確測(cè)量的信號(hào)Kaiser-Bessel窗Wn=Io（3）區(qū)分頻率接近而形狀不同的信號(hào)；三角形窗Wn=1-（2

5、n-N）/N無(wú)特殊應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用中如何選擇窗函數(shù)一般說(shuō)來(lái)是要仔細(xì)分析信號(hào)的特征以及最終希望達(dá)到的目的，并經(jīng)反復(fù)調(diào)試。窗函數(shù)有利有弊，使用不當(dāng)還會(huì)帶來(lái)壞處。使用窗函數(shù)的原因很多,例如：1、規(guī)定測(cè)量的持續(xù)時(shí)間；2、減少頻譜泄漏；3、從頻率接近的信號(hào)中分離出幅值不同的信號(hào)。這里為了對(duì)比，采用了無(wú)窗，即矩形窗、海寧窗兩種窗函數(shù)對(duì)波形數(shù)據(jù)做FFT變換。四、設(shè)計(jì)過(guò)程1、LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。Labview程序又稱為虛擬儀器(VirtualInstr

6、ument,簡(jiǎn)稱VI)。VI是由圖像、連線以及框圖構(gòu)成的應(yīng)用程序，由FrontPanel(前面板)和BlockDiagram(后面板)兩部分構(gòu)成。它的表現(xiàn)形式和功能類似于實(shí)際的儀器，而它同時(shí)又很容易改變?cè)O(shè)置和功能。因此，Labview特別適用于實(shí)驗(yàn)室、多品種小批量的生產(chǎn)線等需要改變儀器和設(shè)備參數(shù)和功能的場(chǎng)合，以及對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、研究、傳輸?shù)葓?chǎng)合。2、數(shù)據(jù)采集(DAQ)數(shù)據(jù)采集與儀器控制是LabVIEW最具競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)之一。NI公司提供了種類豐富的硬件設(shè)備以滿足不同的測(cè)量與控制需求，其中包括數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件、實(shí)時(shí)測(cè)量與控制、PXI與CompactPCI、信號(hào)調(diào)理、開(kāi)關(guān)、分布式I/O、機(jī)

7、器視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)控制、GPIB、串口和儀器控制等。數(shù)據(jù)采集(DataAcQuisition,DAQ)是指從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備等模擬或數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。一個(gè)完整的DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件等。3、功能介紹函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供波形，模擬波形從板卡上輸入，然后經(jīng)過(guò)采樣得到波形數(shù)據(jù)，再將波形圖實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)進(jìn)行FFT變換，并將FFT變換結(jié)果以線性和和對(duì)數(shù)顯示出來(lái)，并且把信號(hào)的頻率、幅度、有效值、峰峰值、正峰值、負(fù)峰值、直流偏置電壓，諧波失真、信

8、噪比測(cè)量出來(lái)。另外，設(shè)置了一個(gè)按鈕，當(dāng)按鈕按下的時(shí)候就會(huì)暫停，所有波形都保持在某一時(shí)刻的情況。4、VI介紹(1)數(shù)據(jù)采集控件(DAQAssistant)選擇MeasurementI/O?NI-DAQmx?DAQAssist,進(jìn)行初始化：因?yàn)椴ㄐ螐陌蹇ㄝ斎?，且采集的是電壓信?hào)，所以在CreateNew選項(xiàng)卡中選擇AnalogInputVoltage,然后在Dev1(PCI-6221)下的樹(shù)形結(jié)構(gòu)中選擇ai0,點(diǎn)擊finish,基于LabVIEW的簡(jiǎn)易頻譜分析儀然后在TaskTiming中選擇Continuous,單擊OK,這樣就創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)據(jù)采集VI,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)While循環(huán)，如圖：真正

9、用至U的只有data、numberofsample和rate。(2) ToneMeasurements選擇SignalProcessingWavformMeamentToneMeasurements,然后設(shè)置需要測(cè)量的量：Amplitude、Frequency,單擊OK,如圖：ToneMeasurementserrorin(noerror)ToneMea享urumentsSignalsAmplitude1Requenh1,eitct口必：errorin(noerror)AmplitudeFrequencyerrorout可以測(cè)量幅度和頻率。(3) SpectralMeasurements選擇s

10、ignalProcessingWavformMeamentSpectralMeasurements,然后設(shè)置VI參數(shù)：SpectralMeasurement組合框選Magnitude(Peak),Result組合框選Linear,然后就是窗函數(shù)的選取了，這里選了一種窗函數(shù)：漢寧窗(HanningWindow),對(duì)比了無(wú)窗和有窗兩種情況的圖形，如圖：Signalserrorin(noerror)基于LabVIEW的簡(jiǎn)易頻譜分析儀HanningHanriingSignals網(wǎng)r闖5FFT-CPeak)Phase卜errorin(noerror)errorin(noerror)FFT-(Peak)P

11、haseerrorouterrorout卜最后將兩種FFT變換結(jié)果顯示在Graph圖表顯示屏上。(4)波形分析控件DistortionMeasurements選擇ExpressSignalAnalysisDistortionMeasurements,然后設(shè)置需要測(cè)量的量：SINAD(dB)和Totalharmonicdistortion,Highestharmonic10,其他窗口用默認(rèn)值，單擊OK鍵。如圖：DistortiAiLMeasuiTineiits：SignalsToneMeasurements5i里奧匕AmplitudeFrequenc-(5)圖形顯示控件(Graph)Wavefo

12、rmGraphPlot0FFT變換結(jié)果共有兩個(gè)圖表顯示控件：第一個(gè)將實(shí)時(shí)采樣的波形數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，第二個(gè)將以線性形式顯示。5、儀器界面及操作說(shuō)明整個(gè)儀器界面如下圖：基于LabVIEW的簡(jiǎn)易頻譜分析儀簡(jiǎn)易頻譜分析儀波形圖落號(hào)財(cái)陋心m-aUJVo.mol口.皿0.眥meohkQ.m力9口.ok岫o.on?Ebcraq.mmd.i»iTni：幅度失或分析AttitudeaUAbd固IHbSJM33'6,ZZ?fiE0.3OT3W采抨率果樣點(diǎn)數(shù)上匐ratenuvrbaraf-HrnpfesFrsquencyJJ50OOT,Z5OT例廂停止如界面所示，程序運(yùn)行后同時(shí)在界面上顯示時(shí)域信號(hào)和

13、頻域信號(hào)。顯示采樣信息的參數(shù)控制板卡A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，輸入信號(hào)的頻率和幅度，以及失真率和THD等。程序流程圖如下：HannngwhdwSign出FFT-根電廠計(jì)2SB五、結(jié)果分析將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的兩個(gè)輸出端連到板卡上模擬輸入通道的CH0-和CH0+端，并將CH0-端與板卡上的模擬地（AIGND）用導(dǎo)線連接在一起，防止因?yàn)樾盘?hào)發(fā)生器的地與板卡的地不一致而引起較大的干擾。下面是當(dāng)輸入信號(hào)頻率分別為2Hz,10Hz,100Hz,1kHz,10kHz和25kHz時(shí)，波形為正弦波時(shí)測(cè)得的結(jié)果?；贚abVIEW的簡(jiǎn)易頻譜分析儀頻率f=2Hz時(shí),頻港圖q.555.566.577.5/6.5

14、99.5I。頓率果樣率朝點(diǎn)數(shù)主題幅度央再分新停止rdtenumberofsarniesFrequencyAmphuda5ENAD(dB)TH>-ar*二】由口-V*TrLOW,鐘555NaNPJaN頻率f=10Hz時(shí),口易頻譜分析僅圖信號(hào)隹*gnumberofsamplesFrequencyrl1000胃叩009.9997B幅度失真分折Amnphudt5INA口(dB)THD5.0D352N削NdlHamngA頻譜圖_53525153.Z.L.0.口與蒼蕓采樣率采樣點(diǎn)熟主頓頻率f=100Hz時(shí),基于LabVIEW的簡(jiǎn)易頻譜分析儀簡(jiǎn)易頻譜分析儀信號(hào)逋強(qiáng)M采樣率采樣點(diǎn)數(shù)主矮幅度失真分析rat

15、enunrtlietofsanpiesFrequencyAmp血deS9NAD(dB)IW；Z5o(mg25UW叫與煙6h對(duì)麗t1,37K停止頻率f=1kHz時(shí),簡(jiǎn)易頻譜分析儀信號(hào)顏亞波形圖果祥率采祥點(diǎn)就幅度失真分析ratenumberoF5aglesFrequeixyAmpfcjds5DNAD(dB)TH?；2sMM"250mJ1刈一劃5口口嶼-E.9137E頻率f=10kHz時(shí),基于LabVIEW的簡(jiǎn)易頻譜分析儀簡(jiǎn)易頻譜分析儀果樣率采樣巨效土斯失其分析停止i-ateiunberef4碗口匕*Frequerity51NADTHD3J2amec；生0»10000亳內(nèi)9663逅14福頻率f=25kHz時(shí),簡(jiǎn)易頻譜分析儀波形圖頻譜圖采樣點(diǎn)數(shù)主錨福度失苴分析停止1隔et&田通第FrequancyAmpfitude三M口(dB)THD。Z90W我-Q6號(hào)&六、小結(jié)本設(shè)計(jì)根據(jù)要求完成了頻譜分析儀的基本功能，并作了一些擴(kuò)充，在現(xiàn)有條件下