参Ｉ造业匐矽出基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟频谱分析仪设计徐晓彤，王向周，郭建勋，刘春华（北京理工大学自动控制系，北京，１０００８１）摘要：介绍了以虚拟仪器开发平台ＬａｂＶＩＥＷ为基础的虚拟频谱分析仪的设计方法和设计思想。关键词：虚拟仪器；ＬａｂＶＩＥＷ；频谱分析仪ＴｈｅＶｉｒｔｕａｌＳｐｅｃｔｒｕｍＡｎａｌｙｓｉｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＢａｓｅｄＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｏｎＬａｂⅥＥＷＯＩｌｍｅｔｈｏｄａｎｄｉｄｅａｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅＶｉｒｔｕａｌＳｐｅｃｔｒｕｍＡｎａｌｙｓｉｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｂａｓｅｄｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆＬａｂＶＩＥＷ，Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ＬａｂＶｌＥＷ；Ｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ０引言信号处理是数据采集系统或测试仪器系统设测量信号在某一瞬时的值，并在Ａ／Ｄ转换过程中保持信号不变，即实现信号的时间离散化。最后Ａ／Ｄ转换器将输入的模拟量转化为数字量输出。６０６２Ｅ计和分析的一个重要组成部分，几乎涉及到所有的工程领域，而频谱分析正是信号处理中一个非常重要的分析手段。传统频谱分析仪器价格昂贵，体积庞大，不便于工程技术人员携带用于现场操作。基于ＬａｂＶＩＥｗ的虚拟频谱分析仪改变了这种状况，用软件代替硬件的设计思路使工程人员可以方便携带进行现场数据采集、处理与分析。先进、灵活、强大的数字信号分析功能是ＬａｂＶＩＥＷ编程环境的主要特点之一，ＬａｂＶＩＥＷ有能力解决复杂的数字信号分析与处理问题。采集卡的采样频率最大可以达到５００脚／ｓ。ＰＣＩ．６０２４Ｅ使用的是系统定时控制器，控制器包括三个定时部分，模拟量输入，模拟量输出，以及一般的定时计数器。在使用之前，必须对ＤＡＱ卡的硬件进行配置，这些控制程序用到了相应的低层ＤＡＱ驱动程序。信号—◆调理数１虚拟频谱分析仪的组成结构虚拟频谱分析仪是由计算机（含ＬａｂＶＩＥＷ应用平台）、数据采集卡以及信号调理电路（传感器、小信号调理放大、滤波电路等）组成的（如图ｌ所输入电路◆据采集卡◆计信与算号显机分示析。处理图ｌ示）。其中数据采集卡选取的是ＮＩ公司生产的ＰＣＩ．６０２４Ｅ。它是一个具有模拟、数字以及定时Ｉ／ｏ等多功能的数据采集卡，它主要由一个１２位的Ａ／Ｄ转换器、两个１２位的Ｄ／Ａ转换器、８信道的ＴＴＬ２虚拟频谱分析仪的功能一台频谱分析仪最主要的功能自然是进行频谱分析。本文设计的虚拟频谱分析仪所具有的功能是进行傅立叶变换，自功率谱分析，互功率谱分析。同时该虚拟频谱分析仪还具有加窗函数，数据存储与回放的辅助功能。下面先介绍一下频谱分析仪的理论知识以便大家更好的了解虚拟频谱分析仪。２．１电平数字Ｉ／Ｏ以及两个２４位的计数／定时器组成。支持双极性的模拟信号输入，分辨率１２ｂｉｔｓ，采样频率是２００ｋｓ／ｓ，两路模拟量输出通道，分辨率是１２ｂｉｔｓ，双极性输出电压范围是正负１０伏。采集卡中的多路开关将多路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多路信号的分时采集。采样／保持器取出收稿日期：２００４．０８．３０作者简介：徐晓彤，北京理工大学自动控制系２００２级硕士．频谱分析与ＦＦＴ信号的频域分析或者说频谱分析，就是研究信号的频率结构，求取各频率分量的幅值，相位按频【３４０】第２６卷增刊２００４—０９骞、Ｉ违止匐秒。匕率的分布规律，并建立以频率为横轴的各种“谱”。傅立叶变换将时域信号与频域信号联系了起来。一些在时域中难以分析的信号，在频域中它的特征可以看的一目了然。连续时间信号ｘ（，）的傅立叶变换定义为Ｘ（ｗ）＝ＩｘＯ×吖州ｄｔ且有ｘ（ｆ）＝三ｆＸ（ｗ）ｅｊｗ‘ｄｗ２１ｒ二Ｘ（ｗ）称为ｘ（，）的傅立叶变换，而ｘ（ｆ）成为Ｘ（ｗ）得傅立叶反变换。如果Ｘ（ｗ）是确定的，则称其为ｘ（，）的频谱。计算机只能处理离散且是有限长度的数据。但是实际信号的长度可能是有限的也可能是无限的。若ｘ∽）为有限长序列，则令其长度为Ｎ：若ｘ（ｎ）无限长序列，则可用窗函数进行截断，截成Ｎ点序列。离散傅立叶变换定义为ｘ（尼）：艺ｘ（门ｙ一．，等威其中ｋ：０’ｌ，…，Ｎ．１反变换定义为ｘ（刀）＝专篆ｘ（尼）ｚ／警腑其实，离散傅立叶变换（ＤＦＴ）运算中包含大量的重复运算，充分利用这一特点可以简化ＤＦｒ的运算。于是出现了快速傅立叶变换（ＦＦＴ）。在ＬａｂＶＩＥＷ中有相应的模块进行快速傅立叶变换。２．２功率谱分析一个信号既可以从时域描述，也可以从频域描述，这两种描述是唯一对应的。功率谱分析提供信号的频域信息，表示信号的功率沿频率轴的分布。２．２．１自功率谱信号ｘ（ｒ）的自功率谱密度定义为其自相关函数的傅立叶变换，实际中，信号谱密度算式为或（ｋ）＝ＮＩＸ（ｋ）１２其中ｘ（尼）是采样序列的傅立叶变换。ＬａｂＶＩＥｗ中的算式为或（ｋ）＝嘉ｌｘｅ）１２２．２．２互功率谱密度对于Ｎ点的离散序列ｘ（ｎ），ｙ（ｎ），设其傅立叶变换为Ｚ（七），Ｙ（ｋ），ＬａｂＶＩＥＷ中使用的算式为咖）＝专瞰）懈）ｌｏ３虚拟频谱分析仪前面板设计虚拟频谱分析仪的前面板如图２所示，前面板中包括了频谱显示口、通道选择、采样参数设置、频谱分析开关、数据存储开关、数据回放开关、频谱分析参数及窗函数的设置。其中窗函数的设计就是在信号的各种谱分析之前对信号加窗。在实际的信号采样过程中，即使非常仔细地改进采样方法和采样条件，也只能得到有限的信号信息。而且，对于时域离散系统，有限的采样点数会导致还原出来的波形失真，频谱特性与原始的时域连续信号不同，这种不连续会引起频谱信息丢失，进而导致失真。改进频谱特性的一个简单方法就是使用平滑窗口函数，其中值得注意的问题是当信号是无限长序列是需要进行截断的，进行窗函数截断时窗以外的时域信息全部丢失，导致频域内频率分量的增加，这种现象被称之为泄漏。可以用平滑窗口函数将采集波形的过渡段最小化，从而减少频谱的丢失。实际上平滑窗口的作用类似于一个窄带低通滤波器，这种方法被称为加窗（ｗｉｎｄｏｗｉｎｇ）的技术，它可以减少频谱泄漏。频谱泄漏的总量取决于中断的大小，中断越大，泄漏越多，反之亦然。可以用加窗的方法减小每个周期边界处的中断，即将时域采样点和某个固定长度的窗口相乘，这个窗口在边界平滑衰减到０。比较常用的窗函数分别有：矩形窗、汉宁窗（ｈａｒｍｉｎｇｗｉｎｄｏｗ）、汉明窗（ｈａｍｍｉｎｇｗｉｎｄｏｗ）、Ｋａｉｓｅｒ－Ｂｅｓｓｅｌ窗、三角窗、平顶窗和指数窗等。前面板上的Ｄｉｓｐｌａｙｕｎｉｔ控件是指输出频谱的类型，主要是幅值频谱、功率谱密度和幅值谱密度。Ｌｏｇ／ｌｉｎｅａｒ控件是指谱输出的波形是线性的还是对数的类型。这些设置都根据检测人员根据需要自行设定。第２６卷增刊２００４—０９【３４１】参１注止訇动出这个程序放在一个大的Ｗｈｉｌｅ循环中，这个循耳是白采样触发开关控件来控制，当控件输出的信号为真时，循环会直持续Ｆ去．否则循环结束。最后将采集得到的数值送八各种频谱分析模块，得山采集数据的动态变化量输出显示。４．２傅立叶变换模块信号的频域分析分为利用傅利叶变换计算得到信号的谱分析和功率谱分析，图４山信号的博立叶变目２换程序框图，４虚拟频谱分析仪的框图程序设计４１数据采集与显示模块采集到的模拟量经过外围电路的变化后进八数据采集｝，经过Ａ／Ｄ转换后变为数字量，然后进八计算机中。软件程序首先要设置数据采集｝采集那路的模拟量咀及采集参数．这些设置都通过前面扳上的控件把设定的数值通过数据滤传刨ＬａｂＶＩＥＷ中特有的采集模块ＡＩＷａｖｅｆｏｍｌＳｃａｎ进目４框图｝｝序与频ｌ§分析仪上博立…变执的前面板相对麻，它的开始和结束都是由前面板上的开关控件来控制，晟后的结果输出到相应的前面板上的显行信号采集，如目３所示程序设定了采样模块的采样通道、以及采样点数。翔霜嘲搋蓬妒匪圈。翊示控件。４．３自功率谱分析模块当要对采集到的数据进行自功率谱分析的时候，首先要选择分析仪前面板上的自功率谱分析。框斟程序与频谱分析仪上自功率谱分析的前面扳相对应，它的开始和结束都是由前面板上的开关控件来控制，结果输出到前面扳上的显小控件。＾４互功率谱分析模块对采样信号进行互功率谱分析与自功率带分析【３４２】第２６卷增刊２００４０９骞、Ｉ违北訇矽。匕的步骤是一样的，都是先选择前面板上的互功率谱分析，在互功率谱分析的前面板上有控制按钮用于控制互功率谱分析的开始与结束，波形显示控件用于互功率谱分析结果的显示。其前面板与程序框图相对应，其程序框图与自功率谱分析的程序框图只有一点不同，将自功率谱分析模块换成互功率谱分析模块即可，同时还输出时域信号互功率谱的相位信息。时域信号ｌ时域信号２综上所述，将上面所有的程序模块放入一个大的ｗｈｉｌｅ循环中，只要开始执行程序，就在这个大的循环中进行。各个模块之间有的相互连接，有的相互独立，执行各自不同的功能。５结论基于ＬａｂＶＩＥＷ设计的虚拟频谱分析仪器，经过测试，完全可以代替传统的频谱分析仪器，其功能齐全，造价低，体积小，携带方便，适用于工程技术人员１焉ｈ率谱Ｌ立ｕ幅频特性Ｉｓ托ｕＲｕｒ．１’……。。。。。。一功率谱相频特性进行现场调试。而且虚拟频谱分析仪用图形化的语言进行程序设计，编程方便快捷，程序的可读性好，易于修改，使频谱分析仪的调试工作简单易行。最重要的是可以进行程序以及硬件的更新换代，虚拟仪器４．５数据存储与回放模块必将成为检测仪器领域发展的主流。薛｝馏瞰据存储ｆ汁Ｔｒｕｅ，＂参考文献：【ｌ】杨乐平，李海涛等编著．ＬａｂＶＩＥＷ高级程序设计．清华大学出版社。２００３．【２】【美】ＲｏｂｅｒｔＨ．Ｂｉｓｈｏｐ著．ＬａｂＶＩＥＷ６ｉ实用教程．电子工业数据存储与回放对于数据处理具有重要的意义，可以为操作人员提供历史数据分析。出版社，２００３．【３ｌ胡广平．数字信号处理．清华大学出版社，１９９７．５结束语低压直流电机控制系统充分利用了低压直流ｌ初始化Ｉ、设定Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ０初始化ＰＰＧｏ，ＰＰＧＩ口令脉宽的高低电平为ｈｉｇｈ＝０，ｌｏｗ＝０电源直接对系统供电的特点，并结合ＩＧＢＴ模块构成一体化的嵌入式控制系统，实践表明该系统控制灵活，工作可靠，即可实现速度控制，又可实现一定精度的位置控制，具有较强的实用价值。参考文献：【ｌ】张东立主编．直流拖动控制系统【Ｍ】．机械工业出版社．１９９９．◆Ａｕ々＝ｋｐ（ｅＩ—ｅｋ—１）＋毛Ｐ，＋ｋａ（ｅｋ一２ｅｋ—ｌ＋ｅｋ一２）◆【２】李仁定主编．电机的微机控制【Ｍ】．机械工业出版社．１９９９．ｈｉｇｈ＝ｈｉｇｈ＋ＡＵｋ，ｌｏｗ＝ｌｏｗ＋Ａｕｔ０【３】胡佑德，马东升等著．伺服系统原理与设计［ＭＩ．北京理工大学出版社．１９９９．【４】马葆庆主编．电动机控制技术［Ｍ１．华中理工大学出版社．１９９７．把ｈｉｇｈ分别送给ＰＲＬＬ０，ＰＲＬＬＩ把ｌｏｗ分别送给ＰＲＬＨＯ，ＰＲＬＨｌ否／‘—■＼主【５】张字河，董宁编著．计算机控制系统【Ｍ】．华中理工大学出版社．１９９７．同ＫａｔｓｕｈｉｋｏＯｇａｔａ．Ｍｏｄｅｍ图６ＰＩＤ控制流程图ｅｄｉｔｉｏｎ）［Ｍ］．ＰｒｅｎｔｉｃｅＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ｔｈｉｒｄＨａｌｌ．１９９８．第２６卷增刊２００４—０９【３４３】基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计
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徐晓彤， 王向周， 郭建勋， 刘春华北京理工大学自动控制系,北京,100081
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