畢業(yè)論文--基于labview的虛擬頻譜儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題 目 基于LabVIEW的虛擬頻譜儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) </p><p>　　指導(dǎo)老師 職稱 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　專 業(yè)

2、 </p><p>　　班 級(jí) </p><p>　　院 (系) </p><p>　　完成時(shí)間 </p><p>

3、　　基于LabVIEW的虛擬頻譜儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　LabVIEW是一種有效的運(yùn)用虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)進(jìn)行虛擬儀器開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，本設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)的平臺(tái)上，把虛擬儀器技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)分析和LabVIEW軟件等相結(jié)合而設(shè)計(jì)出的虛擬頻譜儀，其主要目的是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。用LabVIEW軟件自身產(chǎn)生的仿真信

4、號(hào)模塊發(fā)出信號(hào)，并通過(guò)LabVIEW軟件內(nèi)的其他模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、濾波、傅里葉變換和頻譜分析。利用LabVIEW軟件來(lái)設(shè)計(jì)虛擬儀器，可以利用其圖形化的編程語(yǔ)言，靈活的編程思維，設(shè)計(jì)出不同功能的虛擬儀器。在工業(yè)生產(chǎn)中，虛擬儀器的應(yīng)用為信號(hào)和數(shù)據(jù)的測(cè)量及控制提供了方便，它可以代替一些傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分析與處理功能，在這種情況下，對(duì)節(jié)約成本、提高資源效率要求極高的社會(huì)來(lái)說(shuō)，虛擬儀器的發(fā)展為人們帶來(lái)了很大社會(huì)效益。</p&

5、gt;<p>　　關(guān)鍵詞：LabVIEW；虛擬儀器；信號(hào)生成；信號(hào)采集；信號(hào)分析</p><p>　　The design and implementation of Virtual Spectrum Instrument Based on LABVIEW </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　

6、　LabVIEW is a kind of effective using virtual instrument design technology for virtual instrument developed of computer application software, this design is in the platform of computer, combining with virtual instrument

7、technology, signal and system analysis and the LabVIEW software to design a virtual frequency spectrum instrument, its main purpose is the spectrum analysis for the signal . Using the LabVIEW application software module

8、sends a signal to the other modules, and through the LabVIEW </p><p>　　KEYWORDS LabVIEW ;Virtual Instrument;signal generated;signal analysis</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

9、;<b>　　摘 要II</b></p><p>　　ABSTRACTIII</p><p><b>　　1 緒論III</b></p><p>　　1.1 研究背景1</p><p>　　1.2 虛擬儀器的特點(diǎn)及發(fā)展1</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)

10、2</p><p>　　2 虛擬儀器及LabVIEW軟件介紹4</p><p>　　2.1 虛擬儀器的簡(jiǎn)介4</p><p>　　2.2 虛擬儀器的構(gòu)成5</p><p>　　2.3 LabVIEW簡(jiǎn)介5</p><p>　　3 虛擬頻譜儀的功能介紹8</p><p>　　3.1 虛

11、擬頻譜儀的工作原理8</p><p>　　3.2 虛擬頻譜儀的設(shè)計(jì)8</p><p>　　4 基于LabVIEW的虛擬頻譜儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)13</p><p>　　4.1 虛擬頻譜儀的整體設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.2 軟件部分設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.3 仿真信號(hào)的頻率分析

12、 17</p><p><b>　　結(jié)論20</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b><

13、/p><p>　　隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)電子科技的需求也越來(lái)越高，特別在研發(fā)生產(chǎn)中，人們要對(duì)各種產(chǎn)品的功能要有足夠的了解才能得到靈活運(yùn)用，尤其在產(chǎn)品的調(diào)試階段，人們往往需要借助一些儀器工具來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量控制，在工控、消費(fèi)電子、智能家電的生產(chǎn)過(guò)程中，我們往往需要用儀器來(lái)幫助我們來(lái)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，甚至需要專門(mén)的測(cè)試儀器。例如我們常見(jiàn)的示波器、濾波器、頻譜儀、模擬信號(hào)發(fā)生器等都可以幫助我們實(shí)時(shí)的掌握被測(cè)控對(duì)象的運(yùn)行信息，

14、但他們都是傳統(tǒng)的儀器，傳統(tǒng)儀器往往會(huì)受到功能單一、價(jià)格昂貴的限制，所以市場(chǎng)上這類電子產(chǎn)品的需求并不高，人們需要一種成本低，功能強(qiáng)的儀器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，所以虛擬儀器技術(shù)就在這個(gè)背景下被發(fā)展起來(lái)了。</p><p>　　虛擬儀器是通過(guò)LabVIEW軟件(可安裝在計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用軟件)開(kāi)發(fā)平臺(tái)將計(jì)算機(jī)的硬件資源與傳統(tǒng)電子儀器儀表的設(shè)計(jì)理念整合起來(lái)，在計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的支持下，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生、分析和處理，并能在軟件

15、窗口內(nèi)顯示結(jié)果，達(dá)到方便人們測(cè)試產(chǎn)品、實(shí)時(shí)掌握被控對(duì)象的效果。</p><p>　　虛擬儀器的出現(xiàn)開(kāi)辟了儀器測(cè)量技術(shù)的新理念，虛擬頻譜儀的設(shè)計(jì)就是在這個(gè)理念下產(chǎn)生的，它可以替代傳統(tǒng)的虛擬頻譜儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測(cè)量，頻譜分析處理和輸出顯示結(jié)果等功能，大大降低了生產(chǎn)成本，為人們實(shí)時(shí)掌握信號(hào)變化提供了方便。</p><p>　　1.2 虛擬儀器的特點(diǎn)及發(fā)展</p><p>

16、　　1.2.1 虛擬儀器的特點(diǎn)</p><p>　　虛擬儀器是利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源平臺(tái)和應(yīng)用軟件的兼容性[1]，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)或者數(shù)據(jù)的采集及處理。虛擬儀器是在LabVIEW的軟件窗口內(nèi)，采用可視化編程語(yǔ)言和控制，用軟件窗口的控制面板來(lái)取代傳統(tǒng)的控制面板的儀器儀表。軟件窗口控制面板上不僅設(shè)置了傳統(tǒng)儀器控制面板相似的按鍵、旋鈕等控件，而且還具有類似于我們C語(yǔ)言中的for循環(huán)、while循環(huán)、條件選擇等編程

17、語(yǔ)言結(jié)構(gòu)控件。在操作時(shí)，用戶可通過(guò)鼠標(biāo)或者鍵盤(pán)來(lái)操作軟件窗口，來(lái)完成用戶想要的虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.2.2 虛擬儀器相比于傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　虛擬儀器相比與傳統(tǒng)儀器還有如下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：</p><p>　　1,與傳統(tǒng)儀器的功能是由生產(chǎn)廠家定義而受限于生產(chǎn)廠家相比虛擬儀器的功能是用戶自己來(lái)定義的。</p><

18、;p>　　2, 虛擬儀器技術(shù)關(guān)鍵在于軟件編程的多樣性和合理性，受硬件的局限性很小，因此虛擬儀器可以方便的與其他設(shè)備建立連接，還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多個(gè)用戶的信息共享。</p><p>　　3, 虛擬儀器可以直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，利用計(jì)算機(jī)足夠的數(shù)據(jù)存取容量把數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)總線傳輸給存儲(chǔ)器或者打印機(jī)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸和存儲(chǔ)。</p><p>　　4, 具有一個(gè)完美的儀器控制模塊的虛擬儀

19、器，具有很大的靈活性，可以使用多種方法顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，控制過(guò)程分析。</p><p>　　5,虛擬儀器是基于軟件開(kāi)發(fā)的儀器測(cè)試技術(shù)，設(shè)備材料利用率低，降低了開(kāi)發(fā)及維護(hù)的成本。</p><p>　　1.2.3 虛擬儀器的發(fā)展</p><p>　　虛擬儀器和相對(duì)于傳統(tǒng)儀器而體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)不僅促進(jìn)了虛擬儀器的發(fā)展，同時(shí)也充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的兼容性和數(shù)據(jù)處理能力，用

20、軟件使其發(fā)揮更多功能的作用，推進(jìn)儀器測(cè)量技術(shù)的的飛速發(fā)展。不論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，虛擬儀器的便捷性和靈活性受到了工程師們的歡迎，在這種大背景下，虛擬儀器正朝著高速、高效、高可靠性和高精度的方向發(fā)展。</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是利用LabVIEW軟件來(lái)設(shè)計(jì)虛擬頻譜儀，來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生、采集、濾波、傅里葉變換和頻譜分析。本設(shè)計(jì)首先介紹了虛

21、擬儀器的研究背景和應(yīng)用，然后介紹了虛擬儀器的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和發(fā)展情況；本文第2節(jié)詳細(xì)介紹了虛擬儀器的概念和LabVIEW軟件的應(yīng)用介紹；第3節(jié)介紹了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)虛擬頻譜儀的功能原理和功能分析方法；第4節(jié)介紹了虛擬頻譜儀的設(shè)計(jì)生成過(guò)程及具體步驟；并在結(jié)論中為整編論文做了總結(jié)。</p><p>　　2 虛擬儀器及LabVIEW軟件介紹</p><p>　　2.1 虛擬儀器的簡(jiǎn)介</p>

22、<p>　　傳統(tǒng)的儀器主要由控制面板，信號(hào)的輸入和輸出端口和顯示屏等幾個(gè)部分組成。操作面板有開(kāi)關(guān)、旋鈕、刻度值、選擇按鍵等。檢測(cè)結(jié)果一般會(huì)通過(guò)數(shù)字、圖形顯示在屏幕上，也可以通過(guò)打印輸出。由于傳統(tǒng)儀器的軟件和硬件電子電路都固化在儀器實(shí)現(xiàn)控制功能，功能單一，用戶的靈活程度低，并且傳統(tǒng)儀器的功能更新慢，開(kāi)發(fā)成本高，隨著技術(shù)的提高，人們就又發(fā)明了智能化的儀器，但是智能化儀器仍然沒(méi)有擺脫單一功能的限制。由于這些原因，傳統(tǒng)儀器儀表已經(jīng)

23、難以滿足人們的需求，開(kāi)發(fā)人員要解決這個(gè)問(wèn)題，就希望只是在必要的硬件支持下，可以通過(guò)軟件來(lái)做成測(cè)試儀器，于是就產(chǎn)生了虛擬儀器的設(shè)計(jì)理念。</p><p>　　虛擬儀器就是由用戶自己定義虛擬儀器的功能，相當(dāng)于一套專門(mén)為用戶定制的儀器。人們?cè)诶锰摂M儀器設(shè)計(jì)軟件在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)也就是在操作一臺(tái)具有特定作用的測(cè)量控制儀表儀器。表2-1為傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較一覽表，見(jiàn)下頁(yè)。</p><p>　　

24、表2-1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較</p><p>　　2.2 虛擬儀器的構(gòu)成</p><p>　　虛擬儀器包括硬件資源(計(jì)算機(jī)硬件接口設(shè)備)和軟件資源(設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬控制面板)兩部分組成。硬件資源是虛擬儀器軟件資源的基礎(chǔ)。應(yīng)用軟件資源則是虛擬儀器的核心內(nèi)容，軟件資源里面包含豐富的函數(shù)庫(kù)和功能模塊，通過(guò)不同的功能模塊組合成具有不同功能的儀器，以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量和控制功能。</p&g

25、t;<p>　　虛擬儀器軟件具有相對(duì)直觀化的用戶應(yīng)用程序和接近底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序兩部分。如圖2-1所示，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接應(yīng)用程序與底層設(shè)備的基礎(chǔ)。通過(guò)接口api來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和開(kāi)發(fā)環(huán)境的連接，從而實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的控制。</p><p>　　圖2-1 虛擬軟件體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.3 LabVIEW 簡(jiǎn)介</p><p>　　2.3

26、.1 LabVIEW知識(shí)簡(jiǎn)介</p><p>　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司編寫(xiě)開(kāi)發(fā)的。它與Visual Basic語(yǔ)言、C語(yǔ)言、Java語(yǔ)言等的編程風(fēng)格不同，后者是運(yùn)用文本語(yǔ)言編寫(xiě)的程序代碼，而LabVIEW則是運(yùn)用圖形化的編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)的,它是用圖形控件來(lái)代替了文本程序代碼。而且LabVI

27、EW還提供很多具有特定功能的控件可供用戶使用。其功能還包含文本語(yǔ)言里的子函數(shù)調(diào)用，而且這種函數(shù)嵌套不受限制的[2]。LabVIEW軟件版本所提供的圖形控件在研究開(kāi)發(fā)人員之間用的大部分是一致的[3]，這使得編程語(yǔ)言更加具有可讀性，如下圖2-2所示為L(zhǎng)abVIEW的初始界面:</p><p>　　圖2-2 LabVIEW的初始界面</p><p>　　2.3.1 LabVIEW的基本程序構(gòu)成&

28、lt;/p><p>　　LabVIEW的核心是VI。LabVIEW包括兩個(gè)面板[4]，一個(gè)是前面板，另一個(gè)是程序面板。</p><p>　　前面板窗口(如圖2-3)是一個(gè)圖形用戶界面，它是LabVIEW的虛擬儀器面板，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的控制面板及顯示屏幕，它有效的將程序和用戶聯(lián)系起來(lái)，是程序運(yùn)行時(shí)輸入和輸出信息的窗口。如圖2-4所示，圖中可以看到菜單欄中軟件呈現(xiàn)的各種功能、程序運(yùn)行停止功能以及用

29、戶輸入和輸出顯示功能等。我們可以利用軟件具備的各種功能和控件來(lái)設(shè)計(jì)我們的前面板。</p><p>　　圖2-3 LabVIEW前面板</p><p>　　程序框圖窗口(如圖2-4)提供了圖形化程序語(yǔ)言，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器硬件內(nèi)固化的程序，在程序框圖中程序員不僅要能夠控制和操作前面板上各個(gè)控件的功能，而且還要用圖形化的語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序代碼，。如圖2-5所示，程序框圖除了能顯示前面板上的控件外(二者

30、圖標(biāo)不同，意義相同)，還可以顯示前面板上各個(gè)控件的端子并把各個(gè)端子連接起來(lái)。在程序框圖中各個(gè)控件接口之間的連線即數(shù)據(jù)</p><p>　　圖2-4 LabVIEW程序面板</p><p>　　線或者數(shù)據(jù)流?？丶g的數(shù)據(jù)信息就通過(guò)數(shù)據(jù)線在功能控件模塊之間傳遞。LabVIEW的編程語(yǔ)言和文本程序語(yǔ)言不同，它是根據(jù)數(shù)據(jù)線上的信息來(lái)運(yùn)行程序的，只有當(dāng)控件所要求的輸入數(shù)據(jù)完全被控件接受到后程序才能運(yùn)

31、行，然后控件處理數(shù)據(jù)，待處理完成之后向其所有的輸出端口輸出相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)再沿?cái)?shù)據(jù)線流向其他的控件或者功能模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)或者信號(hào)處理分析。</p><p>　　3 虛擬頻譜儀的功能介紹</p><p>　　3.1 虛擬頻譜儀的工作原理</p><p>　　虛擬頻譜儀主要有LabVIEW軟件來(lái)設(shè)計(jì)，控制完成信號(hào)的生成、采集、波形濾波處理和幅值頻譜顯示等功能。其

32、設(shè)計(jì)思路流程圖如下圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　虛擬頻譜儀的設(shè)計(jì)包括程序前面板的設(shè)計(jì)和程序框圖的設(shè)計(jì)。前面板提供了信號(hào)生成模塊，可以通過(guò)其屬性內(nèi)容選擇輸入的仿真信號(hào)[5]，例如方波信號(hào)，正弦波信號(hào)，三角波信號(hào)等，類似的選擇還有濾波器的選擇，而且在前面板可以對(duì)信號(hào)的頻率和幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)。并且在前面板上，可以顯示輸入的原始波形，通過(guò)濾波模塊濾波后的

33、波形，以及進(jìn)行信號(hào)分析處理之后的結(jié)果顯示等。</p><p>　　虛擬頻譜儀的主要功能有：(1)信號(hào)生成類型選擇的控制；(2)動(dòng)態(tài)顯示選擇控制信號(hào)的波形；（3）調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率和幅值；（4）測(cè)量顯示信號(hào)處理過(guò)的幅值譜和頻率譜。依照?qǐng)D3-1的設(shè)計(jì)流程圖和虛擬儀器軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)虛擬頻譜儀，利用該軟件的前面板和程序框圖上各個(gè)控件的功能以及該軟件支持的函數(shù)庫(kù)，通過(guò)其仿真信號(hào)生成模塊產(chǎn)生信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的

34、采集、分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)虛擬頻譜儀的功能。這樣一個(gè)具有測(cè)試功能的虛擬儀器頻譜儀就完成了。</p><p>　　3.2 虛擬頻譜儀的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1信號(hào)頻譜分析的知識(shí)簡(jiǎn)介</p><p>　　在進(jìn)行虛擬頻譜儀設(shè)計(jì)前，首先要掌握信號(hào)的理論知識(shí)，如信號(hào)的時(shí)域分析、頻域分析、頻譜分析、傅里葉變換等。時(shí)域是表示信號(hào)[6]與時(shí)間的變化關(guān)系。頻域是用坐標(biāo)系

35、來(lái)表示信號(hào)的頻率特性。對(duì)任何一個(gè)事物的描述都需要從多個(gè)方面進(jìn)行描述才能把該事物與其他事物區(qū)分開(kāi)來(lái)。例如，眼前有一臺(tái)電腦，我們可以描述它多方面的特征如品牌、型號(hào)，性價(jià)比，價(jià)格等。同理，對(duì)于信號(hào)我們也要研究它多方面的特性。比如信號(hào)的時(shí)域特性和時(shí)域分析以及頻域特性和頻域分析。時(shí)域分析是指信號(hào)隨時(shí)間變化而變化的分析，頻域分析是指在坐標(biāo)上顯示信號(hào)的頻率變化。</p><p>　　圖3-2是一個(gè)因受到噪聲干擾的含有多個(gè)頻率周

36、期分量的信號(hào)的波形，雖然從波形上看不出其有什么特點(diǎn)，但是從圖3-3的功率譜上卻可以識(shí)別出該信號(hào)包含有的四個(gè)周期分量，信號(hào)的頻譜可以更清楚的表示在不同的頻率下信號(hào)的特性和變化[7]。</p><p>　　圖3-2 受噪聲干擾的多頻率周期信號(hào)的波形</p><p>　　圖3-3 受噪聲干擾的多頻率周期信號(hào)的功率譜</p><p>　　事物是按時(shí)間的先后順序發(fā)展的，所以在

37、測(cè)試一個(gè)產(chǎn)品的功能時(shí)，通常是在時(shí)間的變化中來(lái)檢測(cè)，時(shí)域分析就是通過(guò)這個(gè)來(lái)研究信號(hào)的變化。頻譜分析主要用于分析信號(hào)的周期頻譜分量，它的變化可以幫助我們理解在不同時(shí)期的信號(hào)分量的波形特征。</p><p>　　3.2.2 信號(hào)頻譜分析的方法</p><p>　　在工作中我們用頻譜分析儀來(lái)分析信號(hào)的頻譜，頻譜儀有模擬式和數(shù)字式[8]兩種工作模式。模擬式頻譜儀是在模擬濾波器的基礎(chǔ)上從信號(hào)中選出不同

38、的頻率分量；數(shù)字式頻譜儀是在數(shù)字濾波器和傅立葉變換的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的頻譜分析并采用傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)x(t)變換為頻域信號(hào)X(f)來(lái)幫助人們了解信號(hào)的特征。傅立葉變換用于信號(hào)的頻譜分析[9][10]的重要工具，時(shí)域信號(hào)x（t）的傅立葉變換：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中f為頻率，X(t)為時(shí)域信號(hào)表示，X(f)為頻域信號(hào)

39、表示[11]。</p><p>　　3.2.3 周期信號(hào)的頻譜分析</p><p>　　周期信號(hào)是在一定規(guī)律下會(huì)重新出現(xiàn)的信號(hào)，滿足條件： (3-2)。很多周期函數(shù)信號(hào)都可以展開(kāi)成正交函數(shù)來(lái)線性組合成無(wú)窮級(jí)數(shù)，如正交函數(shù)集是三角函數(shù)集或者指數(shù)函數(shù)集,則可把它展開(kāi)成為傅立葉級(jí)數(shù)，一般表達(dá)式為：</p><p><b>　　（3-3）</b><

40、;/p><p>　　直流分量幅值為： （3-4）</p><p><b>　　各余弦分量幅值為：</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　各正弦分量幅值為：</b>&l

41、t;/p><p><b>　　（3-6）</b></p><p>　　周期信號(hào)的三角函數(shù)展開(kāi)式的另一種形式為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　直流分量幅值為： （3-8）</p&

42、gt;<p>　　各頻率分量幅值為： （3-9）</p><p>　　各頻率分量的相位為 （3-10）</p><p>　　式中，T—周期，；--基波圓頻率；f0—基波頻率；。</p><p>　　傅立葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)展開(kāi)式：&

43、lt;/p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　其中：；。</b></p><p>　　該項(xiàng)目將習(xí)慣于圖形表示，如圖，你可以得到的振幅譜和頻率譜，和被稱為實(shí)部和虛部頻譜。周期信號(hào)的頻譜具有三個(gè)特點(diǎn)：

44、</p><p>　　1、周期信號(hào)的頻譜是離散的，由一系列沖擊函數(shù)組成離散頻譜。</p><p>　　2、每條譜線只會(huì)出現(xiàn)在基波頻率的諧波頻率處。</p><p>　　3、各頻率分量的譜線高度表示該諧波分量的幅值或相位角。</p><p>　　3.2.4 快速傅里葉變換（FFT）</p><p>　　快速傅里葉變換是在

45、DFT(離散傅里葉變換)的算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的可用它來(lái)減少計(jì)算次數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間獲得的新算法，簡(jiǎn)稱FFT。在信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)是2的冪次方時(shí)就可以采用這種算法。LabVIEW還提供了FFT圖標(biāo)可供用戶直接使用來(lái)進(jìn)行頻譜分析。問(wèn)題在于如何選取采樣的時(shí)間間隔及取多少個(gè)采樣點(diǎn)N，截取長(zhǎng)度的大小，以保證頻譜分析的精度。</p><p><b>　　柵欄效應(yīng)的概念：</b></p><

46、;p>　　無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)的頻譜是連續(xù)的，當(dāng)我們分析它的頻譜的計(jì)算機(jī)，它必須被截?cái)?，并使它成為有限長(zhǎng)度信號(hào)。信號(hào)在被有限的截取之后就轉(zhuǎn)化為周期為的信號(hào)，同時(shí)頻率也由原來(lái)的連續(xù)譜成為離散譜。于是處在離散譜之間信號(hào)頻譜就被丟掉，用這種方法只能算出信號(hào)連續(xù)頻譜中N個(gè)抽樣點(diǎn)處的值，而漏掉一些頻譜，所以它不能完全代表頻譜的分布，像個(gè)柵欄一樣，所以把這種現(xiàn)象稱為柵欄效應(yīng)。</p><p>　　4 基于LabVIEW的虛擬頻

47、譜儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.1 虛擬頻譜儀的整體設(shè)計(jì)</p><p>　　虛擬頻譜儀主要由虛擬儀器的設(shè)計(jì)軟件LabVIEW的程序前面板和程序框圖組成。它可以對(duì)仿真信號(hào)模塊生成的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻譜分析，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模塊和數(shù)據(jù)處理以后，把結(jié)果顯示在前面板上。虛擬頻譜儀的功能是由用戶自己定義的，當(dāng)我們要想讓它實(shí)現(xiàn)更多功能時(shí)，可以隨時(shí)添加和修改它，以滿足我們的需求。</p&

48、gt;<p>　　4.2 軟件部分的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 前面板的設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)是應(yīng)用LabVIEW2012版本。前面板是面向用戶對(duì)象的虛擬控制面板，設(shè)計(jì)的是用于設(shè)置輸入數(shù)值、控制信號(hào)和觀察輸出數(shù)值及輸出波形的控制端，在該控制面板上用戶可以通過(guò)各種按鈕、開(kāi)關(guān)、旋鈕等控制虛擬頻譜儀的工作，例如：選項(xiàng)卡選擇控件、信號(hào)各參數(shù)設(shè)定數(shù)值控件、濾波器設(shè)置

49、控件、結(jié)果顯示控件等。圖4-1就是本設(shè)計(jì)虛擬頻譜儀的前面板，從前面板上可看出此頻譜儀有如下的功能：</p><p>　　1、仿真信號(hào)生成選擇功能。在LabVIEW軟件的前面板上添加了仿真信號(hào)生成模塊。用戶可以通過(guò)該模塊來(lái)設(shè)置所需要輸入的仿真信號(hào)，例如，加噪聲的正弦波、方波、三角波等。此外，本設(shè)計(jì)還另外添加了可供選擇的初始信號(hào)的頻率、幅值等。</p><p>　　2、波形顯示功能。在前面板放

50、置有波形顯示控件，點(diǎn)擊窗口左上角的“運(yùn)行”按鈕和前面板的開(kāi)關(guān)按鈕，即可顯示出濾波前后信號(hào)的波形變化、幅值譜的圖形顯示和功率譜的圖形顯示等。且可對(duì)信號(hào)幅值的峰值、功率的峰值進(jìn)行數(shù)字顯示。</p><p>　　3、濾波器選擇功能。本設(shè)計(jì)中用戶可通過(guò)前面板的濾波來(lái)控制模塊來(lái)選擇不同的濾波器觀察其濾波效果。此外，還可自主對(duì)濾波器的采樣頻率進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　4、控制仿真信號(hào)的幅值和頻率

51、以及濾波器的采樣頻率、幅值的功能。由于這些設(shè)計(jì)的功能引用的是同一種控件模塊，所以設(shè)置這樣的模塊來(lái)控制仿真信號(hào)的幅值和頻率，濾波器的采樣頻率。這樣就可以直接改變仿真信號(hào)的頻率、幅值等以方便適應(yīng)不同的情況，我們還可以直接改變?yōu)V波器的幅值、采樣頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)在不同情況下各種濾波的波形，從而使波形不受仿真信號(hào)頻率的限制。這樣就可以通過(guò)改變?yōu)V波器的波形、采樣頻率和類型來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的的濾波效果。</p><p>　　圖4-1 虛擬

52、頻譜分析儀前面板</p><p>　　5，顯示濾波器濾波后的波形的高低電平和幅值。觀察信號(hào)的電壓變化。</p><p>　　以上這些功能就是本虛擬頻譜儀設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)的所有功能，將這些功能集合在一起就組成了本次虛擬頻譜儀的前面板，將這些功能模塊合理放置以后如圖所示，在顯示模塊的左邊共有二個(gè)控制輸入?yún)?shù)的控件。通過(guò)信號(hào)參數(shù)的設(shè)定還可以設(shè)定仿真信號(hào)的頻率和幅值。濾波器模塊可以輸入設(shè)定濾波器的采樣頻

53、率、幅值、周期和濾波類型。在右邊有六個(gè)數(shù)值顯示模塊，可以分別顯示濾波后波形的峰峰值的大小，正峰值和反峰值大小，以及波形的電平值，在功率譜和幅值譜中也添加了功率譜峰值顯示模塊，可以直接看出波形的功率譜和幅值譜。</p><p>　　4.2.2 程序框圖的設(shè)計(jì)</p><p>　　每一個(gè)程序的前面板設(shè)計(jì)都有相應(yīng)的一個(gè)程序框圖設(shè)計(jì)。程序前面板的設(shè)計(jì)完成后，并不是程序結(jié)束了，還要進(jìn)行程序框圖的設(shè)計(jì)

54、。</p><p>　　打開(kāi)LABVIEW設(shè)計(jì)軟件的程序框圖窗口，進(jìn)入程序框圖的設(shè)計(jì)界面，由于我們已經(jīng)完成了前面板的設(shè)計(jì)，所以在程序框圖中會(huì)顯示程序前面板已經(jīng)選擇的控件，但是它們的圖標(biāo)是不同的，所以要注意區(qū)分。根據(jù)本設(shè)計(jì)虛擬頻譜儀的功能，事先想好我們要用到的那些控件并表示出來(lái)，利用LABVIEW中的這些功能控件，由虛擬頻譜分析儀前面板的各控件的作用與聯(lián)系，在程序框圖設(shè)計(jì)窗口中合理放置各個(gè)程序需要的控件模塊，用鼠標(biāo)

55、可以直接將他們相關(guān)的控件連接起來(lái)以實(shí)現(xiàn)虛擬頻譜儀的功能。在該程序框圖中包括仿真信號(hào)生成模塊、濾波器設(shè)計(jì)、波形頻譜分析模塊，數(shù)據(jù)流的編輯主要是對(duì)端口圖標(biāo)的連接，用連線工具進(jìn)行連接時(shí)，如果端口無(wú)法建立連接關(guān)系，說(shuō)明相連的數(shù)據(jù)類型不匹配，仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)后重新建立連接。本設(shè)計(jì)用到了一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，這點(diǎn)和C語(yǔ)言中的if條件結(jié)構(gòu)類似[12]，它的程序框圖如圖4-2所示。</p><p><b>　　圖4-2 程序框圖&

56、lt;/b></p><p>　　4.2.2.1 仿真信號(hào)生成模塊</p><p>　　LabVIEW的函數(shù)庫(kù)中有豐富的仿真信號(hào)，如方波、正弦波、三角波等。設(shè)計(jì)時(shí)只需將所要的子VI放入一個(gè)仿真信號(hào)生成模塊即可。也可利用聲卡采集到的聲音進(jìn)行信號(hào)處理分析。仿真信號(hào)生成的程序框圖如圖4-3所示。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，包含了一個(gè)仿真信號(hào)生成模塊，在該模塊中有正弦+均勻的白噪聲、方波、三角波。如果想得

57、到其它噪聲的波形，則可以在設(shè)計(jì)的程序框圖中對(duì)其屬性進(jìn)行更改，即可以得到想要的波形，本課題中添加的是均勻白噪聲。也可以對(duì)采樣率進(jìn)行設(shè)置，從而滿足采樣定理。</p><p>　　圖4-3 仿真信號(hào)生成程序框圖</p><p>　　4.2.2.2 濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　濾波器是由電容、電感和電阻組成的一種對(duì)信號(hào)具有處理功能的器件或者電路，它的主要作用是讓用戶需

58、要的信號(hào)盡可能無(wú)衰減的通過(guò)并能通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸出來(lái)而對(duì)于無(wú)用的信號(hào)則要盡可能大衰減而達(dá)到不影響其他信號(hào)的效果。濾波器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)允許特定頻率的信號(hào)通過(guò)而阻斷其他頻率的信號(hào)的選頻電路，在設(shè)計(jì)中可以應(yīng)用它的這種特性[13]來(lái)處理其他各種干擾信號(hào)的干擾。在前面板可以選擇不同的濾波器觀察到不同的濾波效果。低通濾波器的程序框圖如圖4-4所示： </p><p>　　圖4-4 低通濾波器的程序框圖</p>&l

59、t;p>　　低通濾波器是指濾波器以增加低頻信號(hào)成分為目的允許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)而阻斷高于截止頻率信號(hào)的通過(guò)。如下圖4-5所示，是本設(shè)計(jì)提供選擇的濾波器中低通濾波器的濾波效果圖，它展示的是仿真信號(hào)方波信號(hào)波形的通過(guò)濾波后的濾波效果圖。其中，左圖是加均勻白噪聲的方波，右圖是經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后的信號(hào)波形。通過(guò)濾波后的效果圖形可以看出，在經(jīng)過(guò)濾波以后，噪聲的毛刺明顯減少，并且原始測(cè)試信號(hào)失真度減小。濾波達(dá)到了理想的效果。</p

60、><p>　　圖4-5 濾波的程序框圖</p><p>　　濾波后波形的相關(guān)參數(shù)也可以直觀的通過(guò)波形分析模塊和數(shù)值顯示控件顯示出來(lái)，如圖4-6為顯示波形的峰峰值、周期、正峰值和反峰值，在這里用到了幅值顯示控件和數(shù)字顯示控件。同樣的我們還可以顯示波形的電平，這里的電平顯示用到了電平顯示模塊和數(shù)組顯示模塊，因?yàn)槲覀兛梢远啻螌?duì)波形進(jìn)行測(cè)量所以用到的是數(shù)組顯示模塊，如圖4-7所示。</p>

61、<p>　　圖4-6 波形峰值顯示模塊</p><p>　　圖4-7 電平顯示模塊</p><p>　　圖4-8 為波形的功率譜和幅值譜的顯示模塊在這里用到了選項(xiàng)卡，在前面板可以切換顯示波形的幅值譜和頻率譜，這里選項(xiàng)卡可以不用數(shù)據(jù)線連接，要顯示波形的幅值譜和功率譜用到了相對(duì)應(yīng)的功率譜分析模塊和幅值譜分析模塊，在他們和波形圖連接后即可顯示相應(yīng)的頻譜。</p>&l

62、t;p>　　圖4-8 幅值譜和功率譜顯示模塊</p><p>　　4.3仿真信號(hào)的頻譜分析</p><p>　　現(xiàn)在以仿真信號(hào)方波為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明分析信號(hào)的頻譜分析[14]。輸入的仿真信號(hào)是加均勻白噪聲的方波，經(jīng)過(guò)濾波后，濾波效果如圖4-9所示，可以看到濾波效果理想。經(jīng)過(guò)頻譜分析后得到的功率譜如圖4-10所示，幅值譜如圖4-11所示。</p><p>　　由方波

63、的傅立葉變換知識(shí)可知方波各個(gè)頻率的幅值大小和分布，幅值圖所示的主頻率的幅值最大，后面各個(gè)頻率成分的幅值大小分界清晰，得到的幅值譜結(jié)果基本正確。得到的功率譜如圖4-10所示，可以看到，主頻的功率最大，結(jié)果與理想結(jié)果基本一致。</p><p>　　圖4-9 方波信號(hào)濾波后的波形</p><p>　　圖4-10 方波信號(hào)的功率譜</p><p>　　圖4-11 方波信號(hào)的

64、幅值譜</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我做的第一個(gè)任務(wù)就是我要先想好一個(gè)設(shè)計(jì)思路，只有思路想好了，在著手做的時(shí)候才不會(huì)慌亂。要做成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我首先要對(duì)虛擬儀器有一個(gè)較深刻的理解，虛擬儀器的核心思想、背景和發(fā)展都是要知道的，其次是我做本畢業(yè)設(shè)計(jì)所要用到的知識(shí)，比如上面有很多控件，是需要我有一些硬件基礎(chǔ)的，還有里面

65、的編程思維和其他文本語(yǔ)言有相似之處，把這些結(jié)合起來(lái)，我就可以做虛擬頻譜儀了，做虛擬頻譜儀首先要做的是軟件功能的實(shí)現(xiàn)，在軟件功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中還出現(xiàn)了一些問(wèn)題，比如波形參數(shù)控制不合理，有些控件用的方法不對(duì)，考慮問(wèn)題不周到等等，這些都在我查資料和分析程序框圖的情況下逐步解決了，在軟件功能初步實(shí)現(xiàn)以后，我所要做的就是寫(xiě)畢業(yè)論文了，我在寫(xiě)畢業(yè)論文過(guò)程中，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，盡量把論文寫(xiě)得合理規(guī)范，并且也加深了我對(duì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也可以再次完善我

66、的軟件設(shè)計(jì)，從而讓整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)更加完美。</p><p>　　虛擬頻譜儀設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過(guò)調(diào)試使用，所有的控件和所設(shè)計(jì)的功能都能正常的運(yùn)行，符合使用的要求。需要指出的是，信號(hào)是用LabVIEW中的仿真信號(hào)模塊設(shè)置以后產(chǎn)生的。本虛擬頻譜儀具有的功能有：波形顯示、濾波功能、加窗修復(fù)泄露功能、結(jié)果輸出幅值譜、功率譜等。由虛擬頻譜儀的設(shè)計(jì)過(guò)程可以看出，基于LabVIEW的虛擬頻譜儀的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是很直觀的，用戶可以通過(guò)自己的需

67、求，調(diào)用軟件中不同的功能模塊，組建自己想要的儀器，這對(duì)使用者，尤其是個(gè)人使用是非常方便的。我們可以針對(duì)不同的工作目的，設(shè)計(jì)出不同檔次的虛擬儀器來(lái)為我們自己或者自己的工作服務(wù)，可分別對(duì)設(shè)計(jì)軟件驅(qū)動(dòng)程序、虛擬面板、信號(hào)的后期處理、結(jié)果的顯示等進(jìn)行設(shè)計(jì)，信號(hào)的后期處理程序還可以設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的功能模塊，能夠?qū)Σ蓸有盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的再現(xiàn)和線性分析，既滿足個(gè)人要求，又提高了工作效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。</p><p>　　在完成

68、虛擬頻譜儀設(shè)計(jì)時(shí)所用到的編程軟件LabVIEW是一種虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具?；贚abVIEW的虛擬頻譜儀，它不僅完成了對(duì)仿真信號(hào)生成的控制而且還對(duì)信號(hào)進(jìn)行了頻域分析和時(shí)域分析。虛擬儀器頻譜儀界面容易控制，操作方便，還降低了成本，方便用戶的修改與保存?？傊摂M儀器的發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀器觀念，使用者通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)不僅可以設(shè)計(jì)虛擬儀器，還可以操控虛擬儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。這就對(duì)信號(hào)的測(cè)量和控制技術(shù)提供了良好的設(shè)計(jì)理念和發(fā)展機(jī)會(huì)，只要運(yùn)用

69、LabVIEW簡(jiǎn)單的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，即可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的開(kāi)發(fā)，充分展示了“軟件即儀器”的新概念。由于可利用計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)功能和編程軟件的編程功能來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、分析和處理等相關(guān)技術(shù)，使得由LabVIE組成的軟件測(cè)試系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中具備了廣泛的實(shí)用價(jià)值。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 袁淵，古軍，虛擬儀器基礎(chǔ)教程[M].西

70、安電子科技大學(xué)出版社，2002.</p><p>　　[2] National Instruments Corporation .LabVIEW user’s manual.1998,1-8</p><p>　　[3] 劉君華，虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW教程.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004</p><p>　　[4]侯國(guó)屏，王坤，LabVIEW7.

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74、t;<p>　　[14] 陳行祿，秦永元。信號(hào)分析與處理.北京：航空航天大學(xué)出版社.1993</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我要感謝我的導(dǎo)師給我的細(xì)心指導(dǎo)，她為我在畢業(yè)設(shè)計(jì)思路和論文上提供了一些指導(dǎo)和建議，這些對(duì)我?guī)椭艽?，讓我受益匪淺，還避免了一些不必要的錯(cuò)誤，另外我還要感謝幫助我的同學(xué)們，在我設(shè)

75、計(jì)軟件程序和寫(xiě)論文的時(shí)候，他們?cè)谂赃吔o我的一些指點(diǎn)和建議，讓我少走很多彎路，提高了我的完成效率。實(shí)踐出真知，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我學(xué)會(huì)了把理論與實(shí)踐相結(jié)合，把書(shū)中的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，多動(dòng)手，親自去做一個(gè)實(shí)用的東西將會(huì)把所學(xué)知識(shí)掌握的更靈活，這樣對(duì)知識(shí)的理解就不會(huì)僅僅停留在理論層面上了，只有動(dòng)手去做才能把把知識(shí)學(xué)以致用。</p><p>　　同時(shí)，在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，本設(shè)計(jì)也參考了一些文獻(xiàn)資料，在這里向