虛擬頻譜分析儀的設計

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的頻譜分析儀來(lái)完成，但這種頻譜分析儀價(jià)格昂貴，體積龐大，功能單一。采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)設計的虛擬頻譜分析儀徹底的改變了傳統頻譜分析儀的不足，用軟件來(lái)代替硬件，用戶(hù)可以根據具體情況通過(guò)修改軟件來(lái)增加儀器的功能，使儀器功能更加強大，設計更加靈活，節省了開(kāi)發(fā)時(shí)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理電路、NI公司的PCI-6024數據采集卡，PC機為硬件開(kāi)發(fā)平臺，以L(fǎng)abVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺開(kāi)發(fā)的頻譜分析系統。本課題設計的虛擬頻譜分析儀是通過(guò)信號調理電路、數據采集卡組成的外部數據采集系統，對所采集到的外界信號進(jìn)行頻譜分析。當外界被測信號傳送到信號調理電路，由信號調理電路對它進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理。經(jīng)過(guò)數據采集卡采集，最后由軟件對測試信號進(jìn)行頻譜分析和處理，得到測試結果，并按要求顯示或儲存結果。虛擬頻譜分析儀提供了一個(gè)強大的頻譜分析功能，并且能夠同時(shí)觀(guān)察輸入信號的時(shí)域和頻域顯示，用戶(hù)可以通過(guò)改變采樣速率和數據長(cháng)度來(lái)選擇頻率分辨率，在虛擬頻譜分析儀中通過(guò)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(hù)可以參考這個(gè)值，手動(dòng)調整采樣速率的大小和顯示圖形中X，Y軸的坐標來(lái)觀(guān)察所需要的頻譜圖，這樣使得操作更為直觀(guān)，簡(jiǎn)便。

2、虛擬頻譜分析儀的硬件設計

虛擬頻譜分析儀的硬件主要包括了NI公司的PCI-6024數據采集卡以及通用PC機。

2.1、數據采集卡

本系統中使用的NI公司的數據采集卡PCI-6024，此卡設計基于PCI總線(xiàn)。由于PCI 總線(xiàn)傳輸速率高，數據吞吐量大，是數據采集卡設計的主流，它是一塊性?xún)r(jià)比較好的產(chǎn)品，支持DMA方式和雙緩沖模式，保證了實(shí)時(shí)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(dòng)模擬輸入通道，2路獨立的D/A輸出通道，24線(xiàn)的TTL型數字I/O，3個(gè)16位定時(shí)計數器等多種功能。實(shí)際測量是輸入信號通過(guò)BNC接頭從輸入端子進(jìn)入數據采集卡進(jìn)行數據采集，同時(shí)用NI公司提供的Measurement Automation軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的設置便可完成系統軟件與數據采集卡之間的通訊。

3、虛擬頻譜分析儀的軟件設計

虛擬頻譜分析儀軟件設計，是運用圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺，在程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中運用模塊化的設計思想，根據所需的不同功能，分別組建數據采集和參數設置、頻譜分析、數據讀取存儲和傳輸等各種功能模塊，最后再集成和調試，設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、數據采集和參數設置模塊

數據采集模塊的設計采用了子VI AI Acquire Waveform .vi來(lái)控制PCI-6024數據采集卡進(jìn)行數據采集，把采集進(jìn)來(lái)的數據進(jìn)行頻譜分析。在參數設置部分主要包括：設備與通道設置，緩沖區大小的設置，采樣點(diǎn)數的設置，觸發(fā)控制，掃描率設置，顯示方式的設置。

3.2、頻譜分析模塊

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

加窗處理模塊是由Scaled Time Domain Windows.vi模板來(lái)實(shí)現，該模板有兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端，從信號輸入端輸入一個(gè)時(shí)域信號，再進(jìn)行窗體類(lèi)型的選擇，根據實(shí)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(gè)加窗后的時(shí)域信號輸出，以減少窗口效應帶來(lái)的柵欄效應和泄漏問(wèn)題。

功率譜轉換模塊用Auto Power Spectrum. vi模板來(lái)實(shí)現，該模塊有四個(gè)端口，分別是時(shí)域信號輸入端，時(shí)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(shí)現信號由時(shí)域向頻域的轉換。

功率譜單位轉換模塊由Spectrum Unit Conversion.vi 模板來(lái)實(shí)現，該模塊有7個(gè)輸入端，2個(gè)輸出端。輸入端有頻譜類(lèi)型的選擇，可以選擇功率譜，幅度譜，增益。對數/線(xiàn)性的選擇，可以選擇線(xiàn)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PowerFrequency Estimate.vi 模板來(lái)實(shí)現，該模塊有5個(gè)輸入端，2個(gè)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(diǎn)數，窗常數。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(lái)求出頻譜的峰值頻率及峰值頻率點(diǎn)的功率估值。顯示模塊的設計可以選擇頻譜曲線(xiàn)顯示或時(shí)域信號顯示，還可以根據需要進(jìn)行線(xiàn)性或對數顯示。

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

3.3、數據讀取存儲和傳輸模塊

數據存儲模塊的主要功能是將顯示器上顯示的圖像所對應的時(shí)域數據存入二進(jìn)制文件，將與采集數據有關(guān)的參數：平均次數、數據 長(cháng)度、分析帶寬、觸發(fā)點(diǎn)采樣點(diǎn)、采集時(shí)間等存入與數據文件同名的文本文件中，便于數據讀取模塊和用戶(hù)使用。

該模塊的設計是利用LabVIEW中有豐富的文件操作函數庫，可以方便地進(jìn)行文件的讀寫(xiě)操作。LabVIEW讀寫(xiě)文件的過(guò)程為：打開(kāi)一個(gè)文件——按一定格式進(jìn)行讀寫(xiě)內容——最后關(guān)閉文件。在數據讀取模塊中用到的主要函數分別是：打開(kāi)文件函數、讀文件函數、關(guān)文件函數。而且此虛擬頻譜分析儀也可以通過(guò)Web發(fā)布HTML文件，可以使本地或遠程計算機瀏覽此頻譜分析儀的程序面板，從而可以實(shí)現遠程監控的功能。

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(gè)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信號發(fā)生器(EM1634)進(jìn)行測試。該信號發(fā)生器可以自由設置輸入信號的波形類(lèi)型、頻率及幅值。時(shí)域信號的頻譜分析可以通過(guò)觀(guān)察虛擬頻譜分析儀面板上的顯示與理論計算值的比較來(lái)判斷正確與否，以此來(lái)驗證虛擬頻譜分析儀模塊的設計是否正確。實(shí)驗結果表明虛擬頻譜分析儀顯示的信號相當穩定，輸出頻譜分量明顯，與理論計算值相當符合，從而驗證了本程序編寫(xiě)的正確性，完全可以滿(mǎn)足實(shí)際應用的需要。

5、結束語(yǔ)

本文介紹了虛擬頻譜分析儀的開(kāi)發(fā)全過(guò)程。其中包括硬件與軟件部分的設計，最后通過(guò)實(shí)驗證明此系統的性能相當優(yōu)良。當然，用戶(hù)可以根據實(shí)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(shí)現更高的要求。

6、本文作者創(chuàng )新點(diǎn)

虛擬頻譜分析儀的設計采用了先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，提高了系統的測試精度，增加了測試功能，增強了儀器的靈活性，節省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，大大的降低了開(kāi)發(fā)成本。