虛擬頻譜分析儀的設(shè)計

0、前言

頻譜分析是信號處理中非常重要的分析手段，通常的頻譜分析主要依靠傳統(tǒng)的頻譜分析儀來完成，但這種頻譜分析儀價格昂貴，體積龐大，功能單一。采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)設(shè)計的虛擬頻譜分析儀徹底的改變了傳統(tǒng)頻譜分析儀的不足，用軟件來代替硬件，用戶可以根據(jù)具體情況通過修改軟件來增加儀器的功能，使儀器功能更加強大，設(shè)計更加靈活，節(jié)省了開發(fā)時間，成為頻譜分析儀的發(fā)展方向。

1、虛擬頻譜分析儀的功能

虛擬頻譜分析儀是以信號調(diào)理電路、NI公司的PCI-6024數(shù)據(jù)采集卡，PC機為硬件開發(fā)平臺，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺開發(fā)的頻譜分析系統(tǒng)。本課題設(shè)計的虛擬頻譜分析儀是通過信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡組成的外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對所采集到的外界信號進(jìn)行頻譜分析。當(dāng)外界被測信號傳送到信號調(diào)理電路，由信號調(diào)理電路對它進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集，最后由軟件對測試信號進(jìn)行頻譜分析和處理，得到測試結(jié)果，并按要求顯示或儲存結(jié)果。虛擬頻譜分析儀提供了一個強大的頻譜分析功能，并且能夠同時觀察輸入信號的時域和頻域顯示，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，在虛擬頻譜分析儀中通過程序可以直接讀出并在面板上顯示基波頻率和峰值大小，用戶可以參考這個值，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，這樣使得操作更為直觀，簡便。

2、虛擬頻譜分析儀的硬件設(shè)計

虛擬頻譜分析儀的硬件主要包括了NI公司的PCI-6024數(shù)據(jù)采集卡以及通用PC機。

2.1、數(shù)據(jù)采集卡

本系統(tǒng)中使用的NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024，此卡設(shè)計基于PCI總線。由于PCI 總線傳輸速率高，數(shù)據(jù)吞吐量大，是數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計的主流，它是一塊性價比較好的產(chǎn)品，支持DMA方式和雙緩沖模式，保證了實時的信號不間斷采集與儲存。它支持單極性和雙極性模擬信號輸入，信號輸入范圍分別為-5v～+5v和0～10v。提供16路單端/8路差動模擬輸入通道，2路獨立的D/A輸出通道，24線的TTL型數(shù)字I/O，3個16位定時計數(shù)器等多種功能。實際測量是輸入信號通過BNC接頭從輸入端子進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時用NI公司提供的Measurement Automation軟件進(jìn)行簡單的設(shè)置便可完成系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通訊。

3、虛擬頻譜分析儀的軟件設(shè)計

虛擬頻譜分析儀軟件設(shè)計，是運用圖形化編程語言LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，在程序的開發(fā)過程中運用模塊化的設(shè)計思想，根據(jù)所需的不同功能，分別組建數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置、頻譜分析、數(shù)據(jù)讀取存儲和傳輸?shù)雀鞣N功能模塊，最后再集成和調(diào)試，設(shè)計出功能強大的虛擬頻譜分析儀。它的軟件模塊如圖1所示。

圖1 虛擬頻譜分析儀的各軟件模塊

3.1、數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計采用了子VI AI Acquire Waveform .vi來控制PCI-6024數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。在參數(shù)設(shè)置部分主要包括：設(shè)備與通道設(shè)置，緩沖區(qū)大小的設(shè)置，采樣點數(shù)的設(shè)置，觸發(fā)控制，掃描率設(shè)置，顯示方式的設(shè)置。

3.2、頻譜分析模塊

頻譜分析模塊的設(shè)計是本系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心部分，它需要完成加窗處理、功率譜轉(zhuǎn)換、功率譜單位轉(zhuǎn)換、頻率峰值檢波、諧波峰值點測量等諸多功能模塊來組成。

加窗處理模塊是由Scaled Time Domain Windows.vi模板來實現(xiàn)，該模板有兩個輸入端，兩個輸出端，從信號輸入端輸入一個時域信號，再進(jìn)行窗體類型的選擇，根據(jù)實際的情況，可以選擇漢寧窗，海明窗，布萊克曼窗，平頂窗等8種窗體，處理后輸出一個加窗后的時域信號輸出，以減少窗口效應(yīng)帶來的柵欄效應(yīng)和泄漏問題。

功率譜轉(zhuǎn)換模塊用Auto Power Spectrum. vi模板來實現(xiàn)，該模塊有四個端口，分別是時域信號輸入端，時域間隔dt輸入端，頻域信號輸出端，頻域間隔df輸出端。該模塊的功能是實現(xiàn)信號由時域向頻域的轉(zhuǎn)換。

功率譜單位轉(zhuǎn)換模塊由Spectrum Unit Conversion.vi 模板來實現(xiàn)，該模塊有7個輸入端，2個輸出端。輸入端有頻譜類型的選擇，可以選擇功率譜，幅度譜，增益。對數(shù)/線性的選擇，可以選擇線性，dB，dBm。輸出顯示單位選擇，可以選擇的單位是有效值，峰峰值，有效值的平方，峰峰值的平方等。輸出端是輸出頻譜，輸出頻譜單位。

頻率峰值檢波子模塊是由Power&Frequency Estimate.vi 模板來實現(xiàn)，該模塊有5個輸入端，2個輸出端。輸入端有功率譜輸入端，峰值頻率輸入，頻率間隔，以峰值頻率為中心的頻率搜索點數(shù)，窗常數(shù)。輸出端由頻率峰值輸出，頻率峰值能量的輸出組成。該模塊用來求出頻譜的峰值頻率及峰值頻率點的功率估值。顯示模塊的設(shè)計可以選擇頻譜曲線顯示或時域信號顯示，還可以根據(jù)需要進(jìn)行線性或?qū)?shù)顯示。

諧波峰值點測量模塊的設(shè)計，可讀出一次諧波，二次諧波，三次諧波峰值點的頻率值和功率值。

3.3、數(shù)據(jù)讀取存儲和傳輸模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊的主要功能是將顯示器上顯示的圖像所對應(yīng)的時域數(shù)據(jù)存入二進(jìn)制文件，將與采集數(shù)據(jù)有關(guān)的參數(shù)：平均次數(shù)、數(shù)據(jù) 長度、分析帶寬、觸發(fā)點采樣點、采集時間等存入與數(shù)據(jù)文件同名的文本文件中，便于數(shù)據(jù)讀取模塊和用戶使用。

該模塊的設(shè)計是利用LabVIEW中有豐富的文件操作函數(shù)庫，可以方便地進(jìn)行文件的讀寫操作。LabVIEW讀寫文件的過程為：打開一個文件——按一定格式進(jìn)行讀寫內(nèi)容——最后關(guān)閉文件。在數(shù)據(jù)讀取模塊中用到的主要函數(shù)分別是：打開文件函數(shù)、讀文件函數(shù)、關(guān)文件函數(shù)。而且此虛擬頻譜分析儀也可以通過Web發(fā)布HTML文件，可以使本地或遠(yuǎn)程計算機瀏覽此頻譜分析儀的程序面板，從而可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

組建好的各功能模塊按照程序的流程加上必要的控件和顯示器，就可以將它們集成到一起，形成一個功能完善的虛擬頻譜分析儀。

4、虛擬頻譜分析儀的功能測試

虛擬頻譜分析儀可以選用通用函數(shù)信號發(fā)生器(EM1634)進(jìn)行測試。該信號發(fā)生器可以自由設(shè)置輸入信號的波形類型、頻率及幅值。時域信號的頻譜分析可以通過觀察虛擬頻譜分析儀面板上的顯示與理論計算值的比較來判斷正確與否，以此來驗證虛擬頻譜分析儀模塊的設(shè)計是否正確。實驗結(jié)果表明虛擬頻譜分析儀顯示的信號相當(dāng)穩(wěn)定，輸出頻譜分量明顯，與理論計算值相當(dāng)符合，從而驗證了本程序編寫的正確性，完全可以滿足實際應(yīng)用的需要。

5、結(jié)束語

本文介紹了虛擬頻譜分析儀的開發(fā)全過程。其中包括硬件與軟件部分的設(shè)計，最后通過實驗證明此系統(tǒng)的性能相當(dāng)優(yōu)良。當(dāng)然，用戶可以根據(jù)實際工程中的需要去添加新的測試功能，擴展與外部的接口，實現(xiàn)更高的要求。

6、本文作者創(chuàng)新點

虛擬頻譜分析儀的設(shè)計采用了先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，提高了系統(tǒng)的測試精度，增加了測試功能，增強了儀器的靈活性，節(jié)省了開發(fā)時間，大大的降低了開發(fā)成本。