基于LabVIEW平臺的虛擬頻譜分析儀的設計與實(shí)現

0引言
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，集成了滿(mǎn)足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，還內置了便于應用TCP／IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。利用LabVIEW可以方便地建立各種虛擬儀器。
頻譜分析儀是對無(wú)線(xiàn)電信號進(jìn)行測量的必備手段，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗的常用工具，應用十分廣泛，被稱(chēng)為工程師的射頻萬(wàn)用表。傳統的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內可調諧的接收機，輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出。濾波輸出信號作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達到很寬的頻率，例如30Hz-30GHz，與外部混頻器配合，可擴展到100GHz以上，所以頻潛分析儀是頻率覆蓋最寬的測量?jì)x器之一，無(wú)論測量連續信號或調制信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是傳統的頻譜分析儀只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標量?jì)x器，而且體積龐大。利用LabVIEW強大的虛擬儀器開(kāi)發(fā)功能，可實(shí)現基于快速傅里葉變換(FFT)的現代頻譜分析儀功能，采用數字方法直接由模擬／數字轉換器(ADC)對輸入信號取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜圖，可以解決傳統頻譜分析儀價(jià)格昂貴，攜帶不便等缺點(diǎn)。

1 虛擬頻譜分析儀總體設計方案
虛擬頻譜分析儀由數據采集卡、計算機和在其上運行的用LabVIEW開(kāi)發(fā)的應用軟件組成，如圖1所示。

虛擬頻譜分析儀利用數據采集卡的模擬輸入和模擬輸出兩個(gè)功能，用模擬輸出功能產(chǎn)生所需的激勵信號，并將其加到被測網(wǎng)絡(luò )上，再用兩個(gè)模擬輸入通道將激勵信號和網(wǎng)絡(luò )輸出端的響應信號同時(shí)采集到計算機中，經(jīng)處理后，構成幅頻和相頻特性曲線(xiàn)，并顯示在計算機屏幕上，最后對模擬生成的信號進(jìn)行分析，在計算機屏幕上輸出模擬信號的幅頻／相頻特性。

2 虛擬頻譜分析儀組成及功能
2．1 虛擬儀器和頻譜分析儀組成
本文設計的虛擬頻譜分析儀由周期性信號發(fā)生器、濾波器以及幅頻／相頻特性、頻譜分析結果三個(gè)子模塊組成。信號發(fā)生器子模塊生成兩路模擬輸入信號，一路是可調頻率、相位和振幅的正弦信號，另一路是指可調頻率、相位和振幅的余弦信號，最后利用信號合成器把兩路信號混合起來(lái)作為生成的2路模擬信號；頻譜分析和濾波器子模塊利用LabVIEW強大的數字信號處理功能，對這組數據進(jìn)行濾波、加窗、FFT運算處理，得到信號的實(shí)部譜和虛部譜，最重要的是得到信號的幅頻特性曲線(xiàn)和相頻特性曲線(xiàn)；在頻譜分析的結果子模塊中，對生成信號的頻譜進(jìn)行分析，并將均方根值、一個(gè)周期內的信號均值等參數在系統退出時(shí)保存到文本文件中。其中，在濾波設置中可以控制濾波的通過(guò)方式以及截止頻率，最后顯示出頻譜分析結果，系統退出時(shí)提示保存當前數據到文本文件。
虛擬頻譜分析儀前面板分為3部分：周期性信號發(fā)生器、周期性信號濾波器及幅頻／相頻特性和周期性信號頻譜分析結果，如圖2所示。圖中顯示的是周期性信號發(fā)生器的界面，圖中正弦波和余弦波信號可以通過(guò)鼠標拖拽和旋轉按鈕來(lái)改變信號的頻率、振幅及相位。當拖拽的時(shí)候可以發(fā)現下方的"2路原始模擬信號波形"會(huì )發(fā)生變化，而且橫坐標軸的最大值也會(huì )發(fā)生變化。程序內部通過(guò)調用后面介紹的"XScaleControl.VI"就可以實(shí)現這個(gè)功能；對于"周期性信號濾波器及幅頻／相頻特性"和"周期性信號頻譜分析結果"這兩個(gè)功能模塊界面限于篇幅不再贅述。