2019年12月03日 | 虚拟信号频谱分析仪的设计

　　虚拟信号频谱分析仪的设计

　　随着计算机技术的迅速发展，利用软件进行信号处理技术的应用日益广泛，已开发的用于虚拟仪器的数字信号处理和图像处理软件的功能也日益强大。数字信号处理是指采用数字系统方法对离散的数字序列描述信号进行处理的一种方法，与传统的模拟信号处理方法相比，它具有高度的稳定性、灵活性、精确性，能实现高精度和大动态范围的信号分析，因此具有显著的优越性。而数字信号处理方法的运用又是虚拟仪器平台测控系统的重要组成部分。由于NI公司的LabVIEW包含有信号分析和处理函数库部分。因此，利用LabVIEW提供的信号分析函数库，配合已开发的数字示波器即可实现虚拟信号频谱分析仪的信号处理功能，其信号的分析侧重于对信号频谱的分析以及滤波处理。

　　1  系统整体设计方案

　　本设计的虚拟频谱分析仪即可以对虚拟信号发生器所产生的信号进行频谱分析。也可以对通过信号调理器，基于PCI总线的DAQ卡组成的采集系统所采集到的外部信号进行频谱分析。其中，在对外部信号进行频谱分析时，外界被测信号首先传送到信号调理电路，且由信号调理电路对它进行放大、滤波、隔离等处理后，再经数据采集卡进行A／D转换，以将模拟信号转换为数字信号，然后由软件对被测试信号进行频谱分析和处理，最后得到测试结果，并按要求将它们显示或储存起来。

　　本文所设计的虚拟频谱分析仪的前面板图如图1所示。这一种虚拟频谱分析仪能够提供一个高精度的频谱分析功能，并且可以同时观察输入信号的频域显示。但该虚拟频谱分析仪受数据采集卡采样速率的限制，其频率范围仅为0～50kHz，用户可以通过改变采样速率和数据长度来选择频率分辨率。在虚拟频谱分析仪的设计中可以通过程序直接读出基波频率和峰值大小，并将它们显示在面板上，用户参考这个值可以手动调整采样速率的大小和显示图形中X、Y轴的坐标来观察所需要的频谱图，因此操作更加直观、简便。信号频谱分析仪的主要数据处理工作就是对待分析信号进行傅立叶变换，然后分析其频谱特性，并显示计算结果。

　　2虚拟频谱分析仪的软件设计

　　虚拟频谱分析仪的软件结构如图2所示。

　　2.1数据采集模块

　　数据采集模块采用子VI AI Acquire Waveform.vi来控制PCI-1200数据采集卡进行数据采集操作，并对采集进来的数据进行频谱分析。参数设置模块可以设置的参数主要包括：设备与通道，缓冲区大小，采样点数，触发控制，扫描率，显示方式。频谱分析模块是由加窗函数模块、功率谱转换模块、功率谱单位转换模块、功率频率峰值检波子模快组成。

　　2.2加窗函数模块

　　加窗函数模块可由Scaled TIme Domain Windows.vi模板来完成。该模板有两个输入和两个输出端。首先从输入端输入一个时域信号，再进行窗体类型的选择，可根据实际情况选择不加窗、汉宁窗、汉明窗、布莱克曼窗、平顶窗等8种窗体，最后输出一个已加窗的时域信号，这样便可以减少窗口效应带来的栅栏效应和泄漏问题。

　　2.3功率谱转换模块

　　功率谱转换模块的功能是用Auto Power Spectrum.vi模板来实现，该模块有四个端口，分别是时域信号输入端，时域间隔dt输入端，频域信号输出端，频域间隔d瀚出端。该模块的功能是实现信号由时域向频域的转换。

　　2.4功率谱单位转换模块

　　功率谱单位转换模块的功能是由Spectrum Unit Conversion.vi模板来实现，该模块有7个输入端，2个输出端。输入端有频谱类型的选择，可以选择功率谱、幅度谱、增益。对数／线性的选择类型有：线性、dB、dBm。输出显示单位选择可选择的单位有：有效值、峰峰值、有效值的平方、峰峰值的平方等。输出端是输出频谱和输出频谱单位。

　　2.5频率峰值检波子模块

　　频率峰值检波子模块的功能是由Power&Frequency EsTImate.vi模板来实现，该模块有5个输入端和2个输出端。输入端有功率谱输入、峰值频率输入、频率间隔、以峰值频率为中心的频率搜索点数及窗常数。输出端由频率峰值输出和频率峰值能量输出组成。该模块用来求出频谱的频率峰值及峰值频率点的功率估值。

　　2.6显示模块

　　显示模块可以选择频谱曲线显示或时域信号显示，还可以根据需要进行线性或对数显示。

　　2.7谐波峰值点测量模块

　　通过谐波峰值点测量模块可读出一次谐波、二次谐波、三次谐波峰值点的频率值和功率值。

　　2.8数据读取存储模块

　　数据读取存储模块的功能是利用LabVIEW中丰富的文件操作函数库，采用数据表文件方式对实验数据进行读写操作。此频谱分析仪也可以通过用Web来发布HTML文件的方式使本地或远程计算机浏览到该频谱分析仪的程序面板，从而实现系统的远程监控功能。

　　组建好的各功能模块按照程序的流程加上必要的控件和指示器，就可以形成一个功能完善的虚拟信号频谱分析仪系统，图3给出了这个虚拟信号频谱分析仪的程序图。

　　3  结束语

　　美国国家一起公司开发的LabVIEW图形化实验室虚拟仪器工程平台，以其强大的功能可为虚拟仪器的开发提供一个理想的平台，本文借助于LabVIEW开发平台设计了适合高校实验教学的虚拟信号频谱分析仪。