基于LabVIEW的頻譜測量儀研發及實現

摘要:虛擬儀器是儀器發展的最新方向之一，已成為信息技術的一個重要領域，并對科學技術的發展和工業生產產生了重要的影響。因此，引入到頻譜測量儀的虛擬儀器技術研究具有切實可行的實際意義。該文采用虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW構建的頻譜測量儀，減少了測試過程中的硬件設備，節約了儀器成本，解決了傳統儀器的頻繁使用，損壞現象較為嚴重的問題，同樣實現了對信號的實時采集、處理、分析和顯示的目的，達到良好的效果。

關鍵詞:虛擬儀器;頻譜;LabVIEW

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-5940-03

Development of Spectrum Analyzer Based on LabVIEW

CHEN Gong-xing

(Eletrical Engineering Department， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510540， China)

Abstract: Virtual Instrument appearance is the revolution of the instrument field，has made great influence on the development of technology and the production of industry.Virtual Instrument is the latest development orientation of instruments，it has become the important field of information technology.Therefore，it is of feasible significance in Virtual Instrument research applied to spectrum measurement.Therefore，the paper researches the portable spectrum measurement composed by LabVIEW.Real-time data acquisition and analysis can be achieved by signal spectrum test system.At the same time，the equipments will be reduced with the graphic programmable language LabVIEW.It can save the cost of equipment，sove the more serious problem that traditional instruments are used frequently so that damage phenomenon is more serious.

Key words: virtual instrument; spectrum; LabVIEW

隨著我國教育體制改革的深化，招生規模不斷擴大，學生人數劇增，使許多學校的設備也難以滿足實驗教學的需要，但由于儀器元件的頻繁使用，損壞現象也較為嚴重。而虛擬儀器技術代表著當今儀器技術發展的最新方向。因此，引進虛擬儀器技術，對改革傳統的實驗教學和測試領域是非常必要和緊迫的，也大大節約了儀器成本。

在實際應用上，如果只利用傳統儀器測試音頻信號的頻譜，很難滿足用戶自定義的要求，并且它的工作界面是固定的，又不靈活的。如果用其它文本語言編程它的測試系統，那么它的開發周期一般較長，編程程序較復雜。而LabVIEW采用強大的圖形化語言編程，編程非常方便，人機交互界面直觀友好，具有強大的數據可視化分析和儀器控制能力[1]。因此，引入虛擬儀器技術，能夠更好地解決了存在的這些問題，而且能夠更直觀、圖形化地研究被測量信號的頻譜分析。并且頻譜分析在生產實踐和科學研究中有著廣泛的應用。

1 頻譜分析原理與算法

頻譜分析是信號分析處理中常用的分析方法，主要是在頻域上對信號進行處理、分析以及顯示，是研究信號的頻率結構，即求取其分量的幅值、相位按頻率的分布規律并建立以頻率為橫軸的各種“譜”。同時，頻譜分析也是處理信號的重要步驟和必要的保證。任何信號都可以視作無限個不同頻率的正弦交變信號的疊加，在數學上它由傅立葉序列來表述。假設有一周期信號x(t)，其周期為T那么它的傅立葉序列為

(1)

式中，a0，an，bn為傅立葉系數，fn為各次諧波的頻率。

對于某一瞬時態信號可以設定其周期T趨向無窮大，這時序列可以化為

(2)

這里傅立葉系數變為連續的頻率函數:

(3)

式(3)即是著名的傅立葉變換[2]，式(2)是傅立葉反變換。如果將信號x(t)經A/D采樣變成數字信號序列x(n)，則對照式(3)可以得出離散傅立葉變換及其逆變換如式(4)和式(5)所示:

(4)

(5)

式中n，k為序列號，N為數字信號序列的點數。

若A/D轉換的頻率為fs，且采樣點數為偶數，則序列號k=N/2處代表的頻率為fs/2，序列號k=1處代表的頻率為fs/N，其他k代表的頻率以此規則類推。當采樣點是2的整數次方時，即可用著名的基2的FFT算法進行快速運算，獲得Y(k)。一般Y(k)的值是復數，對其求模即得該頻率下譜的幅度，一系列的模則構成x(n)的離散化的幅度譜(即通常講的頻譜)，基于FFT的譜分析稱為線性譜分析。當k固定時的Y(k)的虛部與實部之比即為該頻率成分下的相位，由此還可以構成相位譜。

2 基于LabVIEW的頻譜測量儀研發

2.1 頻譜測量儀人機界面搭建

計算機是頻譜測量儀硬件平臺的核心，通過信號調理器和I/O接口設備(數據采集卡DAQ)完成被測信號的采集、調整、放大、模/數轉換，再利用LabVIEW開發平臺編制的應用程序實現對信號的時域波形顯示和頻譜分析。在研發過程中，頻譜測量儀的人機界面模塊是由輸入模塊、分析模塊、處理模塊和顯示模塊四個模塊構成的，其結構如圖1所示。信號發生模塊是用于產生所需的各種測量信號，包括正弦波、三角波、鋸齒波、方波和外界物理信號。同時其頻率、幅值、相位可以進行控制，并且每個通道信號可以選擇和添加各種干擾噪聲等，仿真和對比外界信號。分析模塊主要是對產生信號經過信號處理后所得信號進行分析和測量，主要完成以下功能:時域分析、諧波分析和頻域分析。顯示模塊主要用于顯示信號波形、時域波形圖和頻域的功率譜波形、幅值譜波形及相位譜波形。并可根據需要進行線性或對數顯示，同時顯示時域特征值的測量值和諧波分析的測量值。

2.2 頻譜測量儀的LabVIEW軟件編程及實現

頻譜測量儀軟件是由應用程序和I/O接口儀器驅動程序構成的。I/O接口儀器驅動程序完成特定外部硬件設備的擴展、驅動與通信。虛擬儀器的應用程序，實現虛擬面板功能的軟件程序和定義測試功能，完成信號的分析、處理、顯示和輸出。在編程之前先DAQ數據采集卡[3]和I/O硬件設備驅動程序[4]，然后在LabVIEW8.20開發環境的程序框圖中進行編程。其中，頻譜測量儀的程序是對信號產生，加窗函數選擇，濾波器選擇，信號參數設置，時頻域分析等部分進行編程，如圖2所示。

3 實驗調試與結果分析

利用LabVIEW中提供的“選項控制”對前面板的顯示按不同功能，分為產生信號、時域分析和頻域分析等選項。信號產生選項上包括信號產生參數設置、信號處理設置和原始信號的顯示，如圖3所示。

時域分析選項包括濾波后的時域波形圖和加窗函數后的波形圖，并且顯示時域分析和諧波分析所得的測量值，如圖4所示。

頻域分析選項主要包括有信號功率譜、幅值譜和相位譜的顯示，如圖5所示。

4 結論

虛擬儀器的出現，徹底打破傳統儀器由廠家定義，用戶無法改變的模式，它給用戶定義，并發揮自己的才能、想象力的空間。因此，只要有計算機，信號調理板卡，數據采集卡和LabVIEW軟件，就可以無需添加任何硬件構成便攜式測量儀。這樣的儀器可以代替傳統實驗儀器，減少了硬件設備的需求，降低了遠程實驗系統的成本，易于推廣。有興趣的話，可以采用基于LabVIEW的高分辨力ZOOM-FFT非線性譜分析方法代替基于LabVIEW的FFT線性譜分析方法，使感興趣的重點頻區得到較高的分辨率，若輪流按頻區逐段細化，還可以使整個頻譜圖得到詳細的分析和更深刻的研究。

參考文獻:

[1] 劉蕓，孫欽利，邢俊紅.基于LabVIEW的聲卡數據采集系統設計[J].現代電子技術，2007，14(253):177-179.

[2] 何正嘉，訾艷陽，張西寧.現代信號處理及工程應用[M].西安:西安交通大學出版社，2007.

[3] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出飯社，2007:214-221.

[4] 許林烽，倪天權.基于LabVIEW與DataSocket的測試系統設計[J].傳感器與儀器儀表，2006，22(12-1):166-168.

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文