畢業(yè)論文-基于labview的虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)【精校排版】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要…………………………………………………………………………………………Ⅲ<

2、/p><p>　　Abstract……………………………………………………………………………………Ⅳ</p><p>　　第一章 引言………………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 課題背景與研究意義……………………………………………………………1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀………

3、…………………………………………………………2</p><p>　　1.2.1 傳統(tǒng)頻譜分析儀…………………………………………………………2</p><p>　　1.2.2 現(xiàn)代頻譜分析儀…………………………………………………………2</p><p>　　1.2.3 虛擬儀器的現(xiàn)狀…………………………………………………………3</p><p

4、>　　1.3 研究?jī)?nèi)容…………………………………………………………………………3</p><p>　　第二章 虛擬儀器及LabVIEW介紹………………………………………………………5</p><p>　　2.1 虛擬儀器的基本概念……………………………………………………………5</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器含義………………………………………

5、……………………5</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器的特點(diǎn)…………………………………………………………6</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器的構(gòu)成及分類(lèi)…………………………………………………6</p><p>　　2.2 LabVIEW簡(jiǎn)介 ……………………………………………………………………7</p><p>　　2.2

6、.1 LabVIEW含義……………………………………………………………7</p><p>　　2.2.2 LabVIEW軟件的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)……………………………………………9</p><p>　　第三章 虛擬頻譜分析儀…………………………………………………………………11</p><p>　　3.1 頻譜分析儀的介紹 ………………………………………………………

7、……11</p><p>　　3.2 虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)功能 …………………………………………………11</p><p>　　3.2.1 時(shí)域分析 ………………………………………………………………11</p><p>　　3.2.2 頻譜分析…………………………………………………………………11</p><p>　　3.2.3 倒頻

8、譜分析………………………………………………………………12</p><p>　　3.2.4 希氏伯特變換……………………………………………………………13</p><p>　　3.2.5 時(shí)域加窗…………………………………………………………………14</p><p>　　3.2.6 濾波功能…………………………………………………………………17</p&g

9、t;<p>　　第四章 基于LabVIEW虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)……………………………………20</p><p>　　4.1 虛擬頻譜分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)……………………………………………………20</p><p>　　4.2 基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀前面板設(shè)計(jì)………………………………20</p><p>　　4.3 所用控件模板的介紹…

10、…………………………………………………………25</p><p>　　4.3.1 時(shí)域加窗…………………………………………………………………25</p><p>　　4.3.2 FFT分析…………………………………………………………………26</p><p>　　4.3.3 幅度-相位譜……………………………………………………………28</p>

11、<p>　　4.3.4 功率譜…………………………………………………………………29</p><p>　　4.3.5 倒頻譜…………………………………………………………………31</p><p>　　4.3.6 希氏伯特變換…………………………………………………………32</p><p>　　第五章 結(jié)論與展望…………………………………………………

12、……………………33</p><p>　　參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………34</p><p>　　致謝 …………………………………………………………………………………………35</p><p>　　基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b>

13、</p><p>　　信號(hào)處理幾乎涉及到所有的工程技術(shù)領(lǐng)域，而頻譜分析正是信號(hào)處理中一個(gè)非常重要的分析手段。一般的頻譜分析都依靠傳統(tǒng)頻譜分析儀來(lái)完成，價(jià)格昂貴，體積龐大，不便于工程技術(shù)人員的攜帶。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和軟件技術(shù)的高速發(fā)展,傳統(tǒng)的儀器開(kāi)始向計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展。虛擬儀器，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶(hù)設(shè)計(jì)定義、具有虛擬前面板、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)

14、，既可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)分析、顯示,又可以在離線(xiàn)條件下對(duì)存儲(chǔ)的采集結(jié)果進(jìn)行各種軟件處理。通過(guò)軟件編寫(xiě)及硬件配置,虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)完全由用戶(hù)自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對(duì)象的各種功能。采用虛擬儀器技術(shù),只需在相應(yīng)的硬件支持下,即可以用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬頻譜分析儀。</p><p>　　本論文介紹了虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)是基于圖象化編程語(yǔ)言——LabVIEW而編寫(xiě)的，整個(gè)系統(tǒng)由虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊和頻譜分析模

15、塊兩部分組成。虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并且可以疊加各種干擾噪聲；頻譜分析模塊主要是對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行濾波和加窗函數(shù)處理，輸出處理后的波形，同時(shí)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析以及諧波分析。同時(shí)這個(gè)虛擬儀器具有友好的人機(jī)界面。</p><p>　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器；虛擬頻譜分析儀；LabVIEW；FFT</p><p>　　The Design of Virtua

16、l Spectrum Analyzer Based on LabVIEW</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Signal processing involved in almost all areas of engineering,and analysis of the spectrum signal processing is

17、 a very important means of analysis,The general analysis of the spectrum have to rely on traditional spectrum analyzer which is expensive,bulky and not easy to bring for the engineers and technicians.With the rapid devel

18、opment of micro-electronics, computer, network communication t and software’s technique, the tradition instrument is changed in the computerized direction.Virtual instru</p><p>　　In this paper the design and

19、 implementation of virtual spectrum analyzer are presented. The system is designed by using the graphical programming language LabVIEW. The whole system is composed of both virtual signal generator and spectrum analysis.

20、The virtual signal generator can generate sine wave,triangle wave,square wave, sawtooth wave and other standard signal.It window function on it, then to output the processed signals. It also analyzes time domain,frequenc

21、y domain and harmonic of wave at</p><p>　　Key words:Virtual instrument, Virtual spectrum analyzer, LabVIEW ,FFT</p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　1.1 課題背景與研究意義</p>

22、<p>　　現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，猶如滾滾長(zhǎng)江東流水，沖擊著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，也引起了測(cè)量?jī)x器和測(cè)試技術(shù)的巨大變革。人們?cè)鵀闇y(cè)量?jī)x器從模擬化、數(shù)字化到智能化的進(jìn)步而欣喜，也為自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的日新月異的發(fā)展所鼓舞，當(dāng)今虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)又使得測(cè)量?jī)x器進(jìn)步入了高科技的殿堂。虛擬儀器利用軟件在微機(jī)屏幕上構(gòu)成虛擬儀器面板,在硬件的支持下對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,既可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)分析、顯示,又可以在離線(xiàn)條件下對(duì)存儲(chǔ)的采集結(jié)果

23、進(jìn)行各種軟件處理。通過(guò)軟件編寫(xiě)及硬件配置,虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)完全由用戶(hù)自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對(duì)象的各種功能。</p><p>　　由于在機(jī)械測(cè)試中所需的測(cè)試儀器繁多復(fù)雜，導(dǎo)致對(duì)一些簡(jiǎn)單的測(cè)試工作也需要大量的人力、物力。LabVIEW虛擬儀器圖形編程語(yǔ)言可組建虛擬測(cè)試系統(tǒng)，利用“軟件就是儀器”的技術(shù)方法，減少測(cè)試中的設(shè)備，同樣實(shí)現(xiàn)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、分析的目的。編程對(duì)工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是件麻煩事,LabVIE

24、W軟件用圖形編程語(yǔ)言,直觀簡(jiǎn)單、易于操作。使用LabVIEW用戶(hù)可以隨意創(chuàng)建程序,并把它當(dāng)作子程序調(diào)用,以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序,且調(diào)用的層次沒(méi)有限制。LabVIEW這種創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法,使創(chuàng)建的程序結(jié)構(gòu)模塊化,更易于調(diào)試、理解和維護(hù)。同時(shí),LabVIEW能夠虛擬很多常規(guī)儀器,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真完成不同的功能,這樣既可節(jié)省設(shè)備投入的開(kāi)支,又提高了效率。因此,學(xué)習(xí)和掌握LabVIEW的使用方法，用LabVIEW來(lái)設(shè)計(jì)虛擬頻譜分析儀，是適合工程

25、實(shí)際并能應(yīng)用于實(shí)踐的很可行的設(shè)計(jì)。</p><p>　　傳統(tǒng)頻譜分析儀價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍、濾波、頻譜分析儀器的數(shù)目與最大的多任務(wù)交換時(shí)間，且攜帶不方便。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)頻譜分析儀彌補(bǔ)了傳統(tǒng)頻譜分析儀的缺點(diǎn)，而且還有傳統(tǒng)頻譜分析儀所不具備的四大優(yōu)勢(shì)：性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少、無(wú)縫集成。它更深刻意義更在于，儀器的功能可以由用戶(hù)根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)軟件來(lái)定義或擴(kuò)展，而不是只能由廠家事先定義

26、且固定不可變更。這樣，用戶(hù)不必購(gòu)買(mǎi)多臺(tái)不同功能或昂貴的集多種功能于一身的傳統(tǒng)頻譜分析儀，也不必不斷購(gòu)買(mǎi)新的虛擬頻譜分析儀。因?yàn)樘摂M頻譜分析儀儀器可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其周邊設(shè)備互聯(lián)，用戶(hù)只需要改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴(kuò)展增強(qiáng)它的測(cè)量功能。這就是說(shuō)，儀器的設(shè)計(jì)制造不再是廠家的專(zhuān)利。虛擬頻譜分析儀相對(duì)于傳統(tǒng)頻譜分析儀的以上這些優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明了在不久的將來(lái)虛擬頻譜分析儀必將替代傳統(tǒng)的頻譜分析儀[1]。</p><p

27、>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　頻譜分析儀是對(duì)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的必備手段，從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常用工具。因此，用十分廣泛，稱(chēng)為工程師的射頻萬(wàn)用表?，F(xiàn)在頻譜分析儀主要以傳統(tǒng)儀器為主，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波的瞬間反應(yīng)，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍、濾波 頻譜分析儀器的數(shù)目與最大的多任務(wù)交換時(shí)間。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，基于軟件技術(shù)的虛擬儀器彌補(bǔ)了上述傳統(tǒng)儀器的缺點(diǎn)，越來(lái)越多的

28、應(yīng)用到工程測(cè)試、分析領(lǐng)域。</p><p>　　1.2.1 傳統(tǒng)頻譜分析儀</p><p>　　傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī),輸入信號(hào)經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出,濾波輸出作為垂直分量,頻率作為水平分量,在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖,就是輸入信號(hào)的頻譜圖。由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率,例如30Hz-30GHz,與外部混頻器配合,可擴(kuò)展到100GHz以上,頻譜分析儀是頻

29、率覆蓋最寬的測(cè)量?jī)x器之一。無(wú)論測(cè)量連續(xù)信號(hào)或調(diào)制信號(hào),頻譜分析儀都是很理想的測(cè)量工具。但是,傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn),它只能測(cè)量頻率的幅度,缺少相位信息,因此屬于標(biāo)量?jī)x器而不是矢量?jī)x器。 </p><p>　　1.2.2 現(xiàn)代頻譜分析儀</p><p>　　基于快速傅里葉變換(FFT)的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過(guò)傅里葉運(yùn)算將被測(cè)信號(hào)分解成分立的頻率分量,達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。這

30、種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)輸入信號(hào)取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線(xiàn)性度和高分辨率,對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí) ADC的取樣率最少等于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍,亦即頻率上限是100MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。目前半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC,亦即,原理上儀器可達(dá)到

31、2GHz的帶寬，為了擴(kuò)展頻率上限,可在ADC前端增加下變頻器,本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴(kuò)展到幾GHz以下的頻段使用。</p><p>　　1.2.3 虛擬儀器的現(xiàn)狀</p><p>　　近年來(lái)，世界各國(guó)的虛擬儀器公司開(kāi)發(fā)了不少虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些儀器公司提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件。LabVIEW采用圖形化編程

32、方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件。美國(guó)HP公司的HP－VEE和HPTIG平臺(tái)軟件，美國(guó)Tektronis公司的Ez－Test和Tek－TNS軟件，以及美國(guó)HEM Data公司的Snap－Marter平臺(tái)軟件，也是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件。虛擬儀器的突出成就不僅是可以利用PC機(jī)組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過(guò)各種不同的接口總線(xiàn)，組建不同規(guī)模的自測(cè)試系統(tǒng)。它可以藉不同的接口總線(xiàn)的溝通，將虛擬儀器、帶接口總線(xiàn)的各種

33、電子儀器或各種插件單元，調(diào)配并組建成為中小型甚至大型的自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)。</p><p>　　當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的總線(xiàn)包括傳統(tǒng)的RS232串行總線(xiàn)、GP－IB通用接口總線(xiàn)、VXI總線(xiàn)，以及已經(jīng)被PC機(jī)廣泛采用的USB通用串行總線(xiàn)和IEEE 1394總線(xiàn)（即Firewire，也叫做火線(xiàn)）。世界各國(guó)的公司，特別是美國(guó)NI公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線(xiàn)的配置，開(kāi)發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插

34、件），可以靈活地組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。    </p><p>　　虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)已經(jīng)成為測(cè)試與儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著高速A／D芯片和電路的進(jìn)一步集成化，可以設(shè)想在不遠(yuǎn)的將來(lái)，一臺(tái)安裝有虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)成為一個(gè)多功能的測(cè)量?jī)x器站，從根本上改變目前專(zhuān)用儀器的研制和生產(chǎn)方式，虛擬儀器技術(shù)就是用戶(hù)自定義的基于PC技術(shù)的測(cè)試和測(cè)量解決方案，其四

35、大優(yōu)勢(shì)在于：性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成功能。虛擬頻譜分析儀也已開(kāi)始用于教育和培訓(xùn)、科學(xué)研究、音頻工程、電子工程、醫(yī)療診斷、樂(lè)器校準(zhǔn)等領(lǐng)域。</p><p><b>　　1.3 研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　結(jié)合LabVIEW虛擬儀器圖形編程語(yǔ)言和信號(hào)處理知識(shí)進(jìn)行虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)的可行性分析，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀情況的調(diào)查；應(yīng)用LabVIEW虛擬儀

36、器圖形編程語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。本虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)通過(guò)LabVIEW軟件使用信號(hào)生成控件生成模擬輸入信號(hào)，并讓生成的波形信號(hào)分別通過(guò)各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析。時(shí)域分析主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加窗處理，頻域分析主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅度--相位譜分析、功率譜分析、倒相普分析、希爾伯特變換、FFT分析，并對(duì)FFT分析進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像的存儲(chǔ)。</p><p>　　在測(cè)試領(lǐng)域中,頻譜分析儀是一種

37、重要的常用儀器。但是這種儀器的加工工藝復(fù)雜,生產(chǎn)技術(shù)要求高,價(jià)格昂貴。采用虛擬儀器技術(shù),只需在相應(yīng)的硬件支持下,即可以用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬頻譜分析儀。整個(gè)系統(tǒng)由虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊和頻譜分析模塊兩部分組成。虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并且可以疊加各種干擾噪聲；頻譜分析模塊主要是對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行濾波和加窗函數(shù)處理，輸出處理后的波形，同時(shí)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析以及諧波分析。同時(shí)這個(gè)虛擬儀器具有友好的人機(jī)界面

38、。其設(shè)計(jì)的功能要求如下：</p><p>　　時(shí)域分析是最直觀也是第一步的分析，從時(shí)域分析中既可做出一些原始判斷，又可確定進(jìn)一步分析的方向和目標(biāo)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析。</p><p>　　設(shè)計(jì)三種譜的分析——自譜、傅立葉譜和互譜。分析他們之間的關(guān)系。</p><p>　　利用倒頻譜把復(fù)雜的頻譜中各種信號(hào)頻率分開(kāi)。</p><p>　　通過(guò)希爾

39、伯特變換進(jìn)行信號(hào)的包絡(luò)檢測(cè)、系統(tǒng)的非線(xiàn)性分析、相關(guān)分析等。</p><p>　　在對(duì)定長(zhǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用傅立葉變換或譜分析時(shí)，應(yīng)用窗來(lái)修正波形的轉(zhuǎn)折沿，以減少譜泄漏。</p><p>　　利用數(shù)字濾波器在信號(hào)頻域中進(jìn)行選頻加工。</p><p>　　第二章 虛擬儀器及LabVIEW介紹</p><p>　　2.1 虛擬儀器的基本概念</p&

40、gt;<p>　　2.1.1 虛擬儀器含義</p><p>　　20世紀(jì)80年代末美國(guó)研制成功了虛擬儀器。虛擬儀器的發(fā)展標(biāo)志著自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)嶄新方向。所謂虛擬儀器（Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱(chēng)VI），就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶(hù)設(shè)計(jì)定義、具有虛擬面板、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)點(diǎn)擊虛擬面板，就可操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

41、硬件平臺(tái)，就如同使用一臺(tái)專(zhuān)用電測(cè)量?jī)x器。虛擬儀器的出現(xiàn)，使測(cè)量?jī)x器與個(gè)人計(jì)算機(jī)的界線(xiàn)模糊了。</p><p>　　虛擬儀器是利用PC計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，利用PC計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)據(jù)運(yùn)算、分析、處理，有I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而。完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)?！疤摂M”二字主要包含兩方面的含義：</p>&l

42、t;p>　　首先，虛擬儀器的面板是虛擬的。</p><p>　　虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的。如由各種開(kāi)關(guān)、按鍵、顯示器等實(shí)現(xiàn)儀器電源的“通”、“斷”；被測(cè)信號(hào)“輸入通道”、“放大倍數(shù)”等參數(shù)設(shè)置；測(cè)量結(jié)果的“數(shù)值顯示”、“波形顯示”等</p><p>　　傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實(shí)物”，而且是由“手動(dòng)”、“觸摸”來(lái)進(jìn)行操作的，而虛

43、擬儀器面板控件是外形與實(shí)物相象的“圖標(biāo)”、“通”、“斷”、“放大”等，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的軟件程序。這些軟件已經(jīng)設(shè)計(jì)好了，用戶(hù)不必設(shè)計(jì)，只需選用代表該種軟件程序的圖形“控件”即可，由計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)“鍵擊”來(lái)對(duì)其進(jìn)行操作。因此，設(shè)計(jì)虛擬面板的過(guò)程就是在“前面板”設(shè)計(jì)窗口中，從控制模板選取、擺放所需的圖形“控件”?？梢岳锰摂M儀器的軟件開(kāi)發(fā)工具——LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，在短時(shí)間內(nèi)輕松完成一個(gè)美觀而又實(shí)用的虛擬儀器的設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程輕松而有趣

44、。</p><p>　　其次，虛擬儀器測(cè)量功能是由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　在以PC計(jì)算機(jī)為核心組成的硬件平臺(tái)支持下，通過(guò)軟件編程設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)試功能，而且可以通過(guò)不同測(cè)試功能的軟件模塊的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試功能，因此有在硬件平臺(tái)確定后“軟件就是儀器”的說(shuō)法。它體現(xiàn)了測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合。</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器的特點(diǎn)&l

45、t;/p><p>　　虛擬儀器的特點(diǎn)可歸納為：</p><p>　　在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能。</p><p>　　儀器的功能是用戶(hù)根據(jù)需要由軟件來(lái)定義的，而不是事先有廠家來(lái)提供。</p><p>　　儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需要進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)更新，而不需要購(gòu)買(mǎi)新的儀器。</p><

46、;p>　　研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。</p><p>　　虛擬儀器開(kāi)放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其其他周邊設(shè)備互聯(lián)。</p><p>　　決定虛擬儀器具有上述傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點(diǎn)的根本原因在于：“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件”。</p><p>　　虛擬儀器在工程應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面具有突出優(yōu)勢(shì)。目前，我國(guó)高檔臺(tái)式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯

47、分析儀等主要依賴(lài)進(jìn)口，這些儀器加工工藝復(fù)雜，對(duì)制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難；而采用虛擬儀器技術(shù)，可以通過(guò)只采購(gòu)必要的通用儀器硬件來(lái)設(shè)計(jì)自己的高性能價(jià)格比的虛擬儀器系統(tǒng)[2]。</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器的構(gòu)成及其分類(lèi)</p><p>　　虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件平臺(tái)兩部分構(gòu)成。</p><p>　　（一）通用儀器硬件平臺(tái)</p&g

48、t;<p>　　構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺(tái)有兩部分：</p><p>　　（1）計(jì)算機(jī)：一般為一臺(tái)PC機(jī)或者工作站，它是硬件平臺(tái)的核心。</p><p>　?。?）I/O接口設(shè)備：主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。可根據(jù)實(shí)際情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡/板（DAQ）、GPIB總線(xiàn)儀器、VXI總線(xiàn)儀器模塊、串口儀器等。</p><p

49、>　　虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有五種類(lèi)型：</p><p>　　PC-DAQ系統(tǒng)：是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。采用PCI或ISA計(jì)算機(jī)本身的總線(xiàn)，故將數(shù)采卡/板插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可。</p><p>　　GPIB系統(tǒng)：以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p>　　VXI

50、系統(tǒng)：以VXI標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p>　　PXI系統(tǒng)：以PXI標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p>　　串口系統(tǒng)：以Serial標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p>　　無(wú)論上述哪種VI系統(tǒng)，都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相

51、結(jié)合。</p><p><b>　?。ǘ┸浖Y(jié)構(gòu)</b></p><p>　　虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成。</p><p>　?。?）應(yīng)用程序。它包含兩個(gè)方面的程序。</p><p>　?、?實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。</p><p>　?、?定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序。</p&

52、gt;<p>　?。?）I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。這類(lèi)程序用來(lái)完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)與通信。開(kāi)發(fā)虛擬儀器，必須有合適的軟件工具。</p><p>　　目前已有多種虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)工具。</p><p>　　① 文本式編程語(yǔ)言，如C、Visual C++、Visual Basic、 Labwindows/CVI等；</p><p>　?、?圖形

53、化編程語(yǔ)言，如LabVIEW、HPVEE等</p><p>　　這些軟件開(kāi)發(fā)工具為用戶(hù)設(shè)計(jì)虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所使用的是LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言[3]。</p><p>　　2.2 LabVIEW簡(jiǎn)介</p><p>　　2.2.1 LabVIEW含義</p><p>　　LabVIE

54、W（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是美國(guó)NI公司(National Instrument Company)推出的一種基于G語(yǔ)言(Graphics Language,圖形化編程語(yǔ)言)的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。</p><p>　　用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器可脫離LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，最終用戶(hù)看見(jiàn)的是和實(shí)際的硬件儀器

55、相似的操作面板。</p><p>　　LabVIEW為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，利用它，設(shè)計(jì)者可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)和構(gòu)造自己的儀器面板，而無(wú)需進(jìn)行任何繁瑣的計(jì)算機(jī)代碼的編寫(xiě)[4]。</p><p>　　20多年前，美國(guó)國(guó)家儀器公司NI（National　Instruments）提出“軟件即是儀器”的虛擬儀器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，

56、使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而開(kāi)創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。 </p><p>　　所謂虛擬儀器，實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量，控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測(cè)量?jī)x器經(jīng)歷了

57、由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器，由于計(jì)算機(jī)性能以摩爾定律（每半年提高一倍）飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋到后面，并給虛擬儀器生產(chǎn)廠家不斷帶來(lái)較高的技術(shù)更新速率。</p><p>　　虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但它并不否定傳統(tǒng)儀器的作用，它們相互交叉又相互補(bǔ)充，相得益彰。在高速度、高帶寬和專(zhuān)業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。在中低檔測(cè)試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自

58、動(dòng)化測(cè)試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。 </p><p>　　專(zhuān)家們指出，在這個(gè)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，已是大勢(shì)所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進(jìn)行融合的產(chǎn)物，因此，在21世紀(jì)，虛擬儀器將大行其道，將會(huì)引發(fā)傳統(tǒng)的儀器產(chǎn)業(yè)一場(chǎng)新的革命。 </p><p>　　LabVIEW是NI推出的虛擬儀器

59、開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，它們能夠以其直觀簡(jiǎn)便的編程方式、眾多的源碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能支持，為用戶(hù)快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。 </p><p>　　LabVIEW采用圖形化編程語(yǔ)言--G語(yǔ)言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，易學(xué)易用，特別適合硬件工程師、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員、生產(chǎn)線(xiàn)工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時(shí)間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實(shí)踐中去。特別是對(duì)于熟悉儀器結(jié)構(gòu)和硬件電路的硬件工

60、程師、現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員及測(cè)試技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，編程就像設(shè)計(jì)電路圖一樣；因此，硬件工程師、現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員及測(cè)試技術(shù)人員們學(xué)習(xí)LabVIEW駕輕就熟，在很短的時(shí)間內(nèi)就能夠?qū)W會(huì)并應(yīng)用LabVIEW。也不必去記憶那眼花繚亂的文本式程序代碼。</p><p>　　LabVIEW這么容易學(xué)習(xí)和使用，是不是LabVIEW的功能十分有限呢？不。像C或C++等其它計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言一樣，LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、

61、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、PGIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，甚至還有目前十分熱門(mén)的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步等。LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其它語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境更方便、更有效。而且LabVIEW與其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，有一個(gè)特別重要的不同點(diǎn)：其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼行，而LabVIEW采用圖形化編程語(yǔ)

62、言--G語(yǔ)言。</p><p>　　LabVIEW程序又稱(chēng)為虛擬儀器，它的表現(xiàn)形式和功能類(lèi)似于實(shí)際的儀器；但LabVIEW程序很容易改變?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(xiàn)等需要經(jīng)常改變儀器和設(shè)備的參數(shù)和功能的場(chǎng)合，及對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析研究、傳輸?shù)葓?chǎng)合。</p><p>　　總之，由于LabVIEW能夠?yàn)橛脩?hù)提供簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的

63、語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線(xiàn)條將各種功能連接起來(lái)，十分省時(shí)簡(jiǎn)便，深受用戶(hù)青睞。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85％以上的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。使用虛擬儀器產(chǎn)品，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要重新構(gòu)筑新的儀器系統(tǒng)。例如，用戶(hù)可以將原有的帶有RS232接口的儀器、VXI總線(xiàn)儀器以及GPIB儀器通過(guò)計(jì)算機(jī)，聯(lián)接在一起，組成各種各樣新的儀器系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理和

64、操作。</p><p>　　2.2.2 LabVIEW軟件的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　LabVIEW軟件工具的特點(diǎn)可歸納為：</p><p>　　圖形化編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需編寫(xiě)任何文本格式的代碼，是真正的工程師語(yǔ)言。</p><p>　　提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。</p><p>　　既提供了傳

65、統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供有獨(dú)到的高亮執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫(huà)式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷。</p><p>　　32bit的編譯器編譯成32bit的編譯程序，保證用戶(hù)數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行。</p><p>　　囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232/485在內(nèi)的各種儀器通訊總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線(xiàn)

66、標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。</p><p>　　提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如DLLs（動(dòng)態(tài)連接庫(kù)）、DDE（共享庫(kù)）、ActiveX等。</p><p>　　強(qiáng)大的Internet功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā)[5]。</p><p>　　第三章 虛擬頻譜分析儀</p><p>

67、　　3.1 頻譜分析儀的介紹</p><p>　　頻譜分析儀是研究信號(hào)頻譜特征的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器。它又可稱(chēng)為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?，F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果,能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無(wú)線(xiàn)

68、電頻段的電信號(hào)。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲(chǔ)和運(yùn)算功能；配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。在電子技術(shù)一日千里的今天，是研究、開(kāi)發(fā)和測(cè)試的有力武器。但它的加工工藝復(fù)雜，生產(chǎn)技術(shù)要求高，價(jià)格昂貴。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，只需在相應(yīng)硬件的支持下，就可以用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬頻譜分析儀。使得其結(jié)構(gòu)是大大的簡(jiǎn)化，而性能是飛速提高。虛擬頻譜分析儀不僅能實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)頻譜分析儀的功能，而且還可以隨時(shí)的加載需要的功能模塊。虛擬頻譜分析儀基于計(jì)算

69、機(jī)強(qiáng)大的分析處理的功能，可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理方法運(yùn)用到軟件設(shè)計(jì)中，從而加強(qiáng)它的功能[5]。</p><p>　　3.2 虛擬頻譜分析的設(shè)計(jì)功能</p><p>　　3.2.1 時(shí)域分析</p><p>　　時(shí)域分析是最直觀也是第一步的分析。通常用函數(shù)X(t)或Y(t)來(lái)表示。從時(shí)域分析中既可做出一些原始判斷，又可確定進(jìn)一步分析的方向和目標(biāo)。</p&

70、gt;<p>　　3.2.2 頻譜分析</p><p>　　本次設(shè)計(jì)一共設(shè)計(jì)了3種譜的分析：自譜、傅立葉譜和互譜。他們的關(guān)系可以用以下的直方圖表示：</p><p>　　圖3.1 三種譜的關(guān)系</p><p>　　在頻譜分析中，頻率響應(yīng)函數(shù)是描述測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)。它是系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)輸入的傅立葉變換之比：</p><p&

71、gt;<b>　　(3.1)</b></p><p>　　其中式（3.1）中：Y（w）——加窗或?yàn)V波后的輸出；X（w）——輸入的原始波形。</p><p>　　將式（3.1）乘以X（w）的共軛復(fù)數(shù)可以得到:</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　在式（3.2）中，，為互

72、功率譜密度， 為自功率譜密度。因此也可以用測(cè)試系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)與輸出信號(hào)的互功率譜密度函數(shù)除以激勵(lì)信號(hào)的自功率譜密度函數(shù)來(lái)求系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。在LabLIEW的分析庫(kù)中，可以用它提供的Transfer Function VI函數(shù)，再根據(jù)式（3.1）就可以計(jì)算頻譜響應(yīng)函數(shù)。頻率響應(yīng)函數(shù)是復(fù)數(shù)，所以它返回2個(gè)參數(shù)。一個(gè)數(shù)組是頻率響應(yīng)函數(shù)的模，即被測(cè)系統(tǒng)的幅頻特性；另一個(gè)是頻率響應(yīng)函數(shù)的幅角，即被測(cè)系統(tǒng)的相頻特性。用Transfer Func

73、tion VI計(jì)算出系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)輸入的傅立葉變換之比，就是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)[4]。</p><p>　　3.2.3 倒頻譜分析</p><p>　　輸入x(t)和輸出y(t)的關(guān)系用公式y(tǒng)(t)=x(t)*h(t)表示。系統(tǒng)自然也包括傳遞途徑，此時(shí)x(t)為信號(hào)源(振源或聲源),h(t)為路徑特性，y(t)為傳遞后失真的信號(hào)，失真包括衰減、頻散、反射和回波等。倒頻譜與互功率譜之間的關(guān)

74、系式： </p><p><b>　　(3.3)</b></p><p><b>　　倒頻譜的功能：</b></p><p>　　把信號(hào)源和路徑分離，得到信號(hào)源原始波和路徑特性(例如傳遞路徑的長(zhǎng)度)，有多個(gè)傳遞路徑時(shí)還能加以區(qū)分。</p><p>　　把復(fù)雜的頻譜中各種信號(hào)頻

75、率分開(kāi)。比如一個(gè)信號(hào)圖中的兩個(gè)不同的基頻和產(chǎn)生的不同的倍頻，設(shè)f1=17Hz,f2=18Hz，則譜圖中出現(xiàn)的頻率為17，18，34，36...一大堆波峰，利用倒頻譜就可以將他們清晰地分離開(kāi)來(lái)。同理，倒頻譜也可分離各種邊帶頻率。</p><p>　　3.2.4 希氏伯特變換</p><p>　　希爾伯特變換又簡(jiǎn)稱(chēng)希氏變換在信號(hào)的包絡(luò)檢測(cè)、系統(tǒng)的非線(xiàn)性分析、相關(guān)分析等方面都有重要的用途。希氏

76、變換將信號(hào)從時(shí)域變到頻域，或從頻域變到時(shí)域。以時(shí)域變換為例，給定一連續(xù)時(shí)間信號(hào)，其希氏伯特變換定義為:</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　希氏伯特反變換公式為：</p><p><b>　　(3.5)</b></p><p>　　可以看成是通過(guò)一濾波器的輸出，該濾波

77、器的單位沖激響應(yīng)為 ，如圖3.2所示： </p><p>　　圖3.2 希氏伯特變換器</p><p>　　實(shí)域信號(hào)的傅立葉變換的實(shí)部與虛部不是獨(dú)立的，他們之間存在關(guān)系：</p><p>　　實(shí)部： (3.6)</p><p>　　虛部： (3.7

78、)</p><p>　　由上式可以看出，時(shí)域單邊信號(hào)傅立葉譜的實(shí)部和虛部互為希氏變換。漸近穩(wěn)定的（LTI線(xiàn)性非時(shí)變)系統(tǒng)，其單位脈響函數(shù)h(t)為絕對(duì)可積的單邊函數(shù)，其傅立葉變換即頻響函數(shù)的實(shí)部和虛部Rr[H(f)]和Im[H(f)]互為頻域希氏變換。利用這個(gè)特性可以判斷系統(tǒng)是否存在非線(xiàn)性。求出頻響函數(shù)后，對(duì)其實(shí)部(或虛部)作希氏變換再與實(shí)測(cè)的虛部(或?qū)嵅?做重疊比較，如兩者有差異，則為非線(xiàn)性，差異越大，非線(xiàn)性越

79、嚴(yán)重[7]。</p><p>　　3.2.5 時(shí)域加窗</p><p>　　在實(shí)際的信號(hào)采樣系統(tǒng)中，即使考慮采樣定理和采樣條件，也只能取得一部分局限的信號(hào)記錄。但是在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，局限的信號(hào)記錄將產(chǎn)生與原始的連續(xù)信號(hào)具有不同譜特征的短而粗的波形。這些不相符的特征產(chǎn)生的譜信息的泄漏，造成了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的譜特征對(duì)于原始的連續(xù)時(shí)間譜特征所形成的假象。譜泄漏的數(shù)量取決于信號(hào)不連貫的程度?？梢允褂闷交?/p>

80、，減少每個(gè)采樣周期邊界上信號(hào)不連貫的程度。它包括一個(gè)與時(shí)域信號(hào)相成的一個(gè)定長(zhǎng)的窗，該窗幅度變化很平緩，且在邊緣處逐漸趨近于零。因此在對(duì)定長(zhǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用傅立葉變換或譜分析時(shí)，可以應(yīng)用窗來(lái)修正波形的轉(zhuǎn)折沿，以減少譜泄漏。時(shí)域加窗可以采用矩形窗（均勻窗）它可以完成以采樣時(shí)間為窗長(zhǎng)度截?cái)嘣盘?hào)，但它的泄漏較大，只適合無(wú)泄漏場(chǎng)合[8]。</p><p>　　加窗類(lèi)型有8種，分別為：Hanning、Hamming、Blackma

81、n - Harris、Exact Blackman、Blackman、Flat Top、4 Term B - Harris、7 Term B - Harris 和Low Sidelobe。它們的適用條件均不同，根據(jù)使用者的需求以及輸入波形的特點(diǎn)適當(dāng)?shù)倪x擇，對(duì)正確分析和得出結(jié)果有較大益處。</p><p>　　實(shí)踐中分析說(shuō)明了：調(diào)整窗口長(zhǎng)度可以有效地控制過(guò)渡帶的寬度。減少帶內(nèi)波動(dòng)以及加大阻帶的衰減只能從窗函數(shù)上找解

82、決的方法。如果能夠找到的窗函數(shù)形狀，使其譜函數(shù)的主瓣包含更多的能量，相應(yīng)的旁瓣幅度就減小了；旁瓣的減小可使得通帶、阻帶波動(dòng)減小，從而加大阻帶衰減。但是這樣總是以加寬過(guò)渡帶為代價(jià)的。設(shè) 公式中的表示窗函數(shù)。</p><p>　　矩形窗，代入，再進(jìn)行傅立葉變換，根據(jù)復(fù)卷積定理，得到：</p><p><b>　　(3.8)</b></p><p>

83、;<b>　　公式中的 </b></p><p><b>　　其頻率響應(yīng)為</b></p><p>　　主瓣寬度為，第一副瓣比主瓣低13dB。</p><p><b>　　三角形窗</b></p><p><b>　　(3.9)</b></p&g

84、t;<p><b>　　(3.10)</b></p><p>　　代入，得到其頻率響應(yīng)為</p><p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　其主瓣寬度為，第一副瓣比主瓣低26dB。</p><p>　　漢寧（Hanning）窗——升余弦窗</p>&l

85、t;p><b>　　(3.12)</b></p><p>　　其頻率響應(yīng)為 </p><p><b>　　(3.13)</b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，</b></p><p><b>　　(3.14

86、)</b></p><p>　　漢寧窗的幅度函數(shù)由三部分相加，使能量更集中在主瓣中，但代價(jià)是主瓣寬度加寬到。</p><p>　　哈明（hamming）窗——改進(jìn)的升余弦窗</p><p><b>　　(3.15)</b></p><p><b>　　其頻域函數(shù)為</b></p&g

87、t;<p><b>　　(3.16)</b></p><p><b>　　其幅度函數(shù)為</b></p><p><b>　　(3.17)</b></p><p>　　這種改進(jìn)的升余弦窗，能量更加集中在主瓣中，第一旁瓣的峰值比主瓣小40dB，但主瓣寬度和漢寧窗相同，仍為。</p>

88、;<p>　　布萊克曼（Blackman）窗</p><p><b>　　(3.18)</b></p><p><b>　　其頻域函數(shù)為</b></p><p><b>　　]</b></p><p>　　] (3.19)<

89、/p><p><b>　　其幅度函數(shù)為</b></p><p><b>　　(3.20)</b></p><p>　　這樣其幅度由五部分組成，他們都是移位不同，且幅度也不同的函數(shù)，使旁瓣再進(jìn)一步抵消。阻帶衰減進(jìn)一步增加，過(guò)渡帶是矩形窗過(guò)渡帶的3倍。 </p><p>　　3.2.6 濾波功能<

90、/p><p>　　工程測(cè)試中常用的濾波是指在信號(hào)頻域的選頻加工 ，因?yàn)闇y(cè)試中獲取的信號(hào)往往含有多種頻率成分，為了對(duì)其中某一方面的特征有更深的認(rèn)識(shí)，或有利于對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步的分析和處理，需要將其中需要的頻率成分提取出來(lái)，而將不需要的頻率成分衰減掉。實(shí)際信號(hào)中，頻帶寬、振幅也不盡相同，對(duì)于模擬生成的復(fù)雜信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)它的處理，首先就要減少頻率帶寬，而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就要加入濾波器的裝置了[9]。</p><p

91、>　　數(shù)字濾波器從實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者從單位脈沖響應(yīng)分類(lèi)，可以分成無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器和有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器。他們的系統(tǒng)函數(shù)分別為：</p><p><b>　　（3.21）</b></p><p><b>　?。?.22）</b></p><p>　　公式（3.21）中的稱(chēng)為N階IIR濾波器函數(shù)，（3

92、.22）中的稱(chēng)為（N-1）階FIR濾波器函數(shù)。</p><p>　　無(wú)限脈沖響應(yīng)模擬濾波器按幅度特性可分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器。他們的理想幅度特性如圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3 各種理想濾波器的譜頻特性</p><p>　　其中，低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)有、、和。其中和分別稱(chēng)為通帶的截止頻率和阻帶截止頻率，是通帶（=0-）中的最大衰減系數(shù)，是

93、阻帶>=的最小衰減系數(shù)，對(duì)于單調(diào)下降的譜度</p><p><b>　　特性，可表示成：</b></p><p><b>　　(3.23)</b></p><p><b>　　(3.24)</b></p><p>　　濾波器的技術(shù)指標(biāo)給定后，需要設(shè)計(jì)一個(gè)傳輸函數(shù)，希望其幅

94、度 函數(shù)滿(mǎn)足給定的指標(biāo)和，一般濾波器的單位沖激響應(yīng)為實(shí)數(shù)，因此</p><p><b>　　(3.25)</b></p><p>　　如果我們能求出，那么就可以求出所需要的。因此幅度平方函數(shù)在模擬濾波器設(shè)計(jì)中起很重要的作用。</p><p>　　高通、帶通和帶阻濾波器的傳輸函數(shù)可以通過(guò)頻率變換，分別由低通濾波器的傳輸函數(shù)求得，因此不管設(shè)計(jì)哪一種

95、濾波器，都可以將該濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，按照該技術(shù)指標(biāo)先設(shè)計(jì)低通濾波器，再通過(guò)頻率變換，將低通的傳輸函數(shù)轉(zhuǎn)換為所需要類(lèi)型的濾波器傳輸函數(shù) [10]。 </p><p>　　設(shè)低通濾波器（）和高通濾波器（），和之間的關(guān)系為</p><p><b>　　(3.26)</b></p><p>　　上式即是低通到高通的頻率變換公式

96、，如果已知低通，高通則用下式轉(zhuǎn)換：</p><p><b>　　(3.27)</b></p><p>　　低通到帶通的頻率轉(zhuǎn)換公式：</p><p><b>　　(3.28)</b></p><p><b>　　由歸一化，得到：</b></p><p>

97、<b>　　(3.29)</b></p><p>　　其中和分別稱(chēng)為帶通濾波器的通帶上限頻率和通帶下限頻率。</p><p>　　低通到帶阻的頻率變換公式：</p><p><b>　　(3.30)</b></p><p>　　將上式代入，去歸一化，可得</p><p>&l

98、t;b>　　(3.31)</b></p><p><b>　　(3.32)</b></p><p>　　第四章 基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 虛擬頻譜分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　虛擬頻譜分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.1</p><p>

99、　　圖4.1 虛擬頻譜分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　虛擬頻譜分析儀是由信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)采集卡組成的外部采集系統(tǒng)加上軟件構(gòu)成的分析處理系統(tǒng)組成。分析儀的被測(cè)信號(hào)傳送到信號(hào)處理電路,由信號(hào)處理電路對(duì)它進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理,處理后的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)前面的處理后，把信號(hào)交給上位機(jī)通過(guò)軟件進(jìn)行分析。由控制軟件——虛擬頻譜分析儀對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和處理,得到測(cè)

100、試結(jié)果,并按要求顯示或存儲(chǔ)結(jié)果。數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)由以下幾個(gè)部分組成：多路開(kāi)關(guān)、放大器、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器。以上四個(gè)部分都處在PC計(jì)算機(jī)的向前通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡/板的主要環(huán)節(jié)，與其他有關(guān)電路如何定時(shí)/計(jì)時(shí)器、總線(xiàn)接口電路等作在一塊印刷電路板上，即構(gòu)成數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)，完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。數(shù)據(jù)采集卡USB-6008主要性能指標(biāo)，12位單端16通道/雙端8通道100K A/D卡，程控增益1，2，

101、4，8或1，10，100，1000倍， 量程，8K字FIFO存儲(chǔ)器；12位4路DA，量程，開(kāi)關(guān)量輸入，輸出各16路，1路16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。</p><p>　　4.2 基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)分兩個(gè)部分：前面板和程序圖的設(shè)計(jì)。前面板的設(shè)計(jì)如圖4.2所示：</p><p>　　圖4.2 前面板設(shè)計(jì)界面

102、</p><p>　　在前面板上單擊右鍵，彈出的控制模板中選擇“容器”中的“選項(xiàng)卡控件”，右鍵選擇添加選項(xiàng)卡，一直加到7個(gè)為止，分別雙擊選項(xiàng)卡重新命名為：信號(hào)生成、時(shí)域分析、FFT分析、幅度-相位譜、功率譜分析、倒頻譜分析和希氏伯特變換。右鍵彈出中選擇“圖形”中的“波形圖”，把其中的標(biāo)簽改為信號(hào)波形，X軸的標(biāo)為時(shí)間，設(shè)置成線(xiàn)性的自動(dòng)調(diào)節(jié)X軸坐標(biāo)，這樣坐標(biāo)就可以隨生成的波形的自動(dòng)調(diào)節(jié)。Y軸調(diào)為幅值，設(shè)置跟X軸一樣。

103、右上方的為繪圖圖例，是顯示圖形中的圖線(xiàn)的樣式和顏色，以利于區(qū)分每條線(xiàn)的意義。在“顯示項(xiàng)”中可以隱藏它。增加個(gè)系統(tǒng)下拉選項(xiàng)框，命名為“信號(hào)類(lèi)型選擇”，右鍵增加5個(gè)下拉：正弦波、方波、三角波、鋸齒波和均勻白噪聲。調(diào)用經(jīng)典中的布爾的橢圓控件，命名為“復(fù)位相位”，用來(lái)重置除了均勻白噪聲外的另4中波形發(fā)生的相位。</p><p><b>　　圖4.3 程序圖</b></p><p

104、>　　這次設(shè)計(jì)的程序中用了2種結(jié)構(gòu)：While循環(huán)和條件結(jié)構(gòu)。</p><p>　　While循環(huán)的實(shí)質(zhì)是控制程序反復(fù)執(zhí)行一段代碼，直到某個(gè)條件發(fā)生。等價(jià)于下面的偽代碼：</p><p><b>　　DO</b></p><p>　　Execute Diagram Inside the Loop (Which sets the condi

105、tion)</p><p>　　While Condition is TRUE</p><p>　　While循環(huán)同樣有兩個(gè)固定的端口。循環(huán)端口iteration terminal是一個(gè)輸出端口，它輸出循環(huán)當(dāng)前執(zhí)行的次數(shù)。循環(huán)數(shù)都是從0開(kāi)始計(jì)數(shù)的。條件端口conditional terminal是一個(gè)布爾量輸入端口。程序在每次循環(huán)結(jié)束時(shí)檢查條件端口。因此，While循環(huán)總是至少執(zhí)行一次。我

106、們可以設(shè)置條件端口遇到什么條件就可以使循環(huán)停止下來(lái)。由于循環(huán)結(jié)構(gòu)在進(jìn)入循環(huán)后將不會(huì)再理會(huì)循環(huán)框外面數(shù)據(jù)的變化，因此產(chǎn)生循環(huán)終止條件的數(shù)據(jù)源一定要放在循環(huán)框內(nèi)，否則會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)[10]。</p><p>　　條件結(jié)構(gòu)包含了多個(gè)子圖形代碼框，每個(gè)子圖形代碼框包含一段程序代碼，程序選擇其中的一段執(zhí)行，一個(gè)子圖形代碼框?qū)?yīng)了一個(gè)選擇。這些子圖形代碼框像一摞卡片一樣重疊在一起，任何時(shí)候只有一個(gè)是可見(jiàn)的。向這些子圖形代碼框填

107、寫(xiě)代碼也要一層層打開(kāi)進(jìn)行。在條件代碼框內(nèi)放置圖形代碼，條件結(jié)構(gòu)左側(cè)邊框上的帶“？”圖標(biāo)的端口是選擇端口。連接到選擇端口的值決定了選擇結(jié)構(gòu)執(zhí)行時(shí)到底執(zhí)行哪一個(gè)子圖形代碼框內(nèi)的代碼。這個(gè)值可以是整型、布爾型、字符型或枚舉型。選擇端口的圖標(biāo)顏色也會(huì)隨連接的數(shù)值類(lèi)型而改變。</p><p>　　圖4.4 設(shè)計(jì)總流程圖</p><p>　　圖4.4顯示了虛擬頻譜分析儀的各種譜的仿真功能，從開(kāi)始選擇

108、信號(hào)，進(jìn)行參數(shù)和波形分析選擇，最后輸出波形，如果要重新選擇信號(hào)類(lèi)型，繼續(xù)返回信號(hào)類(lèi)型選擇。</p><p>　　選擇結(jié)構(gòu)邊框的頂部是子圖形代碼框顯示窗口，它的中間是子圖形代碼框標(biāo)識(shí)，兩邊分別是升序、降序按鈕。子圖形代碼框標(biāo)識(shí)指明當(dāng)前顯示的子圖形代碼框?qū)?yīng)的選項(xiàng)。枚舉型控制件連接到選擇端口以后，子圖形代碼框標(biāo)識(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為前兩個(gè)枚舉值Li和Zh，因?yàn)槟壳爸挥袃蓚€(gè)子圖形代碼框。升序、降序按鈕，點(diǎn)擊他們可以分別查看前一個(gè)

109、或后一個(gè)子圖形代碼框。</p><p>　　圖4.5 信號(hào)發(fā)生程序圖</p><p>　　圖4.6 信號(hào)生成圖流程圖</p><p>　　圖4.6流程圖顯示了信號(hào)發(fā)生的仿真功能從開(kāi)始信號(hào)類(lèi)型選擇，分別為三角波、方波、正弦波、鋸齒波，然后進(jìn)行參數(shù)選擇，最后輸出波形。如需要重新選擇波形，返回信號(hào)類(lèi)型選擇。</p><p>　　4.3 所用控

110、件模板的介紹</p><p>　　4.3.1 時(shí)域加窗</p><p>　　時(shí)域加窗的界面如圖4.7所示：</p><p>　　圖 4.7 鋸齒波的加窗處理 </p><p>　　圖 4.8 加窗的程序圖</p><p>　　在設(shè)計(jì)加窗的程序中，應(yīng)用到了局部變量“Y”、“信號(hào)波形”和“采樣頻率”。在Labview