虚拟频谱分析仪的设计论文 定稿.docx

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虚拟频谱分析仪的设计论文定稿

学校代码：

10128

学号：

200710107062

本科毕业论文

题目：

虚拟频谱分析仪的设计

学生姓名：

学院：

系别：

专业：

班级：

指导教师：

二〇一一年六月

摘要

随着科学技术的不断发展，技术水平的不断提高。

电子技术正在受到人们的极大关注，而能够代替实物，节约资源与成本的虚拟电子技术更是受到人们的追捧。

频谱分析仪作为信号分析的主要工具之一，受到人们的重视。

虚拟频谱分析仪正是在这样一种背景下，得到了长足的发展。

虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种图形化的编程语言，利用LabVIEW可以方便地建立各种虚拟仪器。

本课题中设计的虚拟频谱分析仪，是基于软件LabVIEW8.2设计的模块化虚拟分析仪。

本课题设计的虚拟频谱分析仪主要实现的功能，是对信号的采集，然后进行滤波除噪，加窗修复，傅里叶变换等一系列处理，分析原始信号各个频率成分的的幅值和功率，即获得幅值谱和功率谱。

关键词：

LabVIEW，虚拟仪器，频谱分析，幅值，功率

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,andthetechnicallevelsrising，Electronictechnologyisunderpeople'sattention,andelectronictechnologywhichcanreplacephysical,saveconservationofresourcesandcostofvirtualisgainedbypeople.Aspectrumanalyzerasoneofthemainsignalanalysistoolshasgotattentionbypeople.Virtualspectrumanalyzerwhichisinthiskindofbackground,obtainedtheconsiderabledevelopment.

Virtualinstrumentismixinginstrumenttechnology、computertechnology、thebustechnologyandsoftwaretechnologycloselytogether,usingacomputer’spowerfuldigitalprocessingpowertorealizethefunctionofmostoftheinstruments,hasbrokenthetraditionalinstrumentsandtheframeworkoftheformationofanewinstrumentmode.LabVIEWLaboratory（andofgroundEngineeringWorkbench）isagraphicalprogramminglanguage,usingLabVIEWcaneasilysetupallkindsofVirtualInstrument.

ThistopicwhichisinthedesignofvirtualspectrumanalyzerisbasedonthemodulardesignsoftwareLabVIEW8.2.Thistopicdesigningvirtualspectrumanalyzeriswantingtorealizethemainfunction,whichistocollectsignal,andthentofilter,windowfunctionandrepairexceptnoise,Fouriertransform,andsoon.Itspurposeistoanalysistheoriginalsignalwitheachfrequencycomponentsoftheamplitudeandpower,thatissay,getamplitudespectrumandspectrum.

Keywords:

LabVIEW,virtualinstrument,spectrumanalysis,amplitude,Power

目录

第一章绪论1

1.1国内外现阶段虚拟仪器的发展状况1

1.2课题的目的和意义1

1.3课题的主要工作2

第二章虚拟仪器及LabVIEW的相关理论知识4

2.1虚拟仪器简介4

2.1.1虚拟仪器的两个面板4

2.1.2由软件编程来实现虚拟仪器测量功能5

2.2虚拟仪器的组成5

2.2.1虚拟仪器系统的硬件构成5

2.2.2虚拟仪器系统的软件构成5

2.3虚拟仪器的特点与优势6

2.4虚拟仪器的应用6

2.5LabVIEW概述7

2.5.1LabVIEW知识简介7

2.5.2LABVIEW的基本程序构成8

第三章频谱分析仪的功能分析10

3.1传统频谱分析仪的基本原理10

3.1.1传统频谱分析仪的基本概念10

3.1.2传统频谱分析仪的基本分类及技术指标10

3.1.3传统频谱分析仪的主要功能11

3.2虚拟频谱分析仪的工作原理11

3.3虚拟频谱分析仪的功能分析12

3.4虚拟频谱分析仪的发展前景13

第四章虚拟频谱分析仪的设计14

4.1信号频谱分析的知识简介14

4.1.1信号频谱分析的方法14

4.1.2周期信号的频谱分析15

4.1.3快速傅里叶变换（FFT）16

4.2虚拟频谱分析仪的整体设计17

4.3硬件部分17

4.4软件部分的设计17

4.4.1前面板的设计17

4.4.2程序框图的设计19

4.5窗函数的设计21

4.6仿真信号的频谱分析21

结论23

参考文献24

谢辞25

第一章绪论

1.1国内外现阶段虚拟仪器的发展状况

虚拟仪器从二十世纪八十年代开始引起人们关注，之后迅速发展。

经过数十年的发展，其所涉及领域不断扩大，在对电子测量、实验教学、测量分析、航天测控、工程过程控制等领域逐步替代了很大部分的传统测量仪器，产生了很大的经济和社会效益。

在过去的几十年里，仪器测量技术得到了长足的发展，发展过程大致经历三个阶段，即模拟仪器、数字仪器和智能仪器。

但共同特点是“信号采集和控制、分析与处理、结果的表达与输出"三大功能模块，而这些模块原来只能由厂家来制造定义、，那样的话就会使仪器功能固定化、灵活性差。

在如今的计算机技术支持下，将仪器与计算机结合进行测试，如将仪器的信号分析处理、结果输出表达放到计算机上完成，或将仪器的三大功能设计模块全部放到计算机上来完成，是完全可以实现的，在这种需求的背景条件下顺理成章诞生了虚拟仪器。

虚拟频谱分析仪是在当今计算机技术与电子科学技术快速发展的大背景下，充分发挥了计算机的功能，用软件发挥其更加重要的作用，推进了虚拟频谱分析仪的迅速发展。

在这种背景下，虚拟频谱分析仪向着高速、高效、高可靠性和高精度以及智能化、自动化、网络化和模块化的方向发展，并且越来越能突显其方便性和灵活性，并能够满足多数用户的要求。

虚拟频谱分析仪技术兼顾了虚拟仪器的有点，因而它有虚拟仪器的便捷性和灵活性，因此构建虚拟频谱分析仪的时候就会显得非常方便。

不论是在国内还是国外，相关专家指出，在今后一段时间，数据系统的开发和设计还将面临一个非常重要的时期，无论是开发快速通信系统，还是一些其它的计算机系统等，用户都会越来越倾向于使用一台频谱分析仪和一台示波器，同时从不同的角度全方位地分析和捕获系统中的信号，进而解决来源于不同方面的问题。

因此虚拟频谱分析仪对于测试方面来说是非常重要的一方面。

1.2课题的目的和意义

本课题是基于现有的水平，通过对国内外期刊文献的研究，在老师的指导下，开发一种低耗费，高效节能，方便快捷的虚拟频谱分析仪。

设计的仪器要能满足普通教学的需要，还要具有对信号实测的功能。

本课题的主要意义有：

1.打破传统的诸多局限性。

虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。

虚拟仪器与传统仪器相比，具有以下优势：

（1）虚拟仪器用户可以才艮据自己的需要灵活地定义仪器的功能，通过不同功能模块的组合可构成多种仪器，而不必受限于仪器厂商提供的特定功能。

（2）虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。

这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性。

（3）由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器设各连接比较容埸实现。

而且虚拟仪器可以方便地与网络、外设及其他应用连接，还可利用网络进行多用户数据共享。

（4）虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线总线

　　总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。

通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。

人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。

[全文]将数据传输到存储器存储器　　存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。

它根据控制器指定的位置存进和取出信息。

[全文]或打印机。

这样做一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机的存储能力，从而使虚拟仪器具有几乎无限的数据记录容量。

（5）虚拟仪器利用计算机强大的图形用户界面（GUI），用计算机直接读数。

根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。

（6）虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用。

2.促进教学质量，提高学生实践能力。

本课题是希望学生通过学习LabVIEW这个图形化编辑语言来实现并深入研究信号频谱分析的过程，通过此课题，可以加深学生对传统信号频谱分析仪和现代虚拟信号频谱分析仪的认识。

提高对计算机的实际应用能力，同时认识到虚拟技术在现代工程中的实际应用价值，与人才培养目标相符合。

同时，通过亲自对信号采集、信号分析、信号分析等专业理论知识的综合应用，提高学生的实践能力，为以后的工作学习打下基础。

此外，虚拟仪器的开发也为学校教学提供了一个弥补实物教学工具不足的强有力保证，改善了教学的设施建设。

1.3课题的主要工作

基于LabVIEW8.2设计的本课题，主要涉及以下几个方面的工作和问题。

1.熟悉了信号的基本概念、成分构成、特性以及一些基本的频谱分析理论知识。

2.学习使用软件LabVIEW的基本知识和使用方法。

并能够利用LabVIEW所设计的虚拟频谱分析仪实现传统频谱分析仪的基本功能。

3.对典型信号能够分析其频率构成，通过信号采集、频谱分析处理之后，给出幅值谱和功率谱等信息。

在LabVIEW系统开发的软件上进行仿真运行，调试，保证结果正确，界面美观便捷。

第二章虚拟仪器及LabVIEW的相关理论知识

2.1虚拟仪器简介

虚拟仪器技术即利用高性能的模块化硬件，结合灵活高效的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILabVIEW图形化开发工具应用于产品设计周期的各环节，从而改善了产品的质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品生产开发和生产效率。

使用集成化虚拟仪器环境与现实世界的信号相连接，分析数据以获取需要的实用信息，共享信息科技成果，有助于在较大的范围内提高生产效率。

虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。

其实所谓的虚拟仪器（VirtuaiInstruments）简单来说，就是通用计算机为核心的硬件平台，由用户设计自定义，具有虚拟可视面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机虚拟仪器系统。

用户用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台传统专用的实际测量仪器。

虚拟仪器的诞生使测量仪器和个人计算机的界限模糊了。

虚拟仪器的实质就是利用计算机显示器的屏幕显示功能来模拟传统仪器的控制显示面板，以多种可视形式表达输出检测结果，利用计算机软件的强大功能实现信号数据的分析、运算和处理，利用I/O串口接口设备完成信号数据的采集、测量与调理，从而完成各项要求测试功能的一种计算机虚拟仪器系统。

“虚拟”主要包含以下两个方面

。

2.1.1虚拟仪器的两个面板

虚拟仪器前面板和后面面板上的各种控件与传统仪器面板上的各“仪器”所完成的功能是完全相同的。

如各种按键、开关、显示器等实现仪器电源的“闭合”、“断开”，测量数据结果的“数值显示”、“波形显示”等。

传统仪器面板上的所有器件都是实物，而且是用人工手动进行操作的，而虚拟仪器面板上的控件是外形与实物相似的虚拟图标，设计虚拟面板就是在面板设计的窗口中摆放完成固定功能所需要的控件，然后编写相应的程序。

大多数初学者都可以利用虚拟仪器的软件来开发简单的测量工具（如labWindows/CVI/、LabVIEW等软件编程语言），在较短时间里轻松完成实用而又美观的虚拟仪器前面板的设计。

2.1.2由软件编程来实现虚拟仪器测量功能

在PC为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅能通过软件编程来实现传统仪器的基本测试功能，还可以通过不同测试分析功能的软件模块组合来实现多种测试功能

。

因此在硬件平台确定后就有“软件就是仪器”的说法。

这也充分体现了测试技术与计算机虚拟技术的结合。

2.2虚拟仪器的组成

虚拟仪器由软件和硬件两部分组成。

虚拟仪器的硬件主体是电子计算机。

为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数字/转换器（ADC）、数字/模拟转换器（DAC）、数据采集器（DAQ）等。

电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器硬件的平台的基础

。

2.2.1虚拟仪器系统的硬件构成

　虚拟仪器硬件系统一般可分为测控功能硬件和计算机硬件平台。

计算机硬

件平台可以是各种各样类型的计算机，如台式机、PC机、嵌入式计算机、工作站等。

硬件管理着虚拟仪器的所有软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。

因而，计算机技术在显示、处理器性能、存储能力、总线标准、网络等方面的发展，促进了虚拟仪器系统的快速发展。

　　依据测控功能硬件的不同分类，VI可分为DAQ、VXI、GPIB、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换等。

2.2.2虚拟仪器系统的软件构成

测试软件是虚拟仪器的主心骨。

NI公司推出第一批实用成果并提出虚拟仪器系统概念时，就用软件系统就是用仪器来表达虚拟仪器的特征，强调设计软件在虚拟仪器中的重要位置。

NI公司从一开始就推出丰富而又简明的虚拟仪器开发软件平台。

用户可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件平台的提示下编制不同的满足需要的测试软件，来实现当代科学技术复杂而又多变的测试任务。

在虚拟仪器系统中，传统仪器的某些硬件用灵活强大的计算机软件代替，特别是系统中，测试信号的产生和测量特性的分析应用计算机直接参与，使传统仪器中的某些硬件甚至整个仪器都从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来代替完成它们的预期功能。

虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分，即仪器面板控制软件、数据分析处理软件、仪器驱动软件、通用I/O接口软件等。

2.3虚拟仪器的特点与优势

比起传统测试仪器，虚拟仪器有着无可比拟的优势，总体来说，虚拟仪器有以下优点。

1.虚拟仪器的软硬件具有模块化、开发性强、可重复使用及互换性等特点。

为提高测试系统的功能，可以方便随意的加入或更换一些通用仪器模块，而不用花费另外的经费购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展，并且产生了一定的经济效益。

2.用户可以自由定义实现仪器功能。

由于仪器的特定功能可以在用户级上产生，它不再完全由仪器生产厂家来提前设定，用户可以完全根据自己的需要，通过修改或增加软件，为虚拟仪器增加新的测试功能而不用去购买一台全新的仪器

3.测试分析输入信号特性（如频率、电压、上升时间等）只需要一个量化的数据模块即可，需要的信号特性能被数据处理器计算显示出来，这种将多种测试功能集于一体的方法缩短了测试的时间，提高了测试的效率。

4.嵌入式数据信息处理器的出现能够建立一些功能的数学模型，使测试数据不会随时间推移发生变化，因此可以保证测量的重复性和精度，不需要定期的进行校准维护。

由于虚拟仪器系统测量值不会受电缆的阻抗、长度和修正因子差异等因素的影响，从而进一步提高了可重复性和测量精度。

2.4虚拟仪器的应用

虚拟仪器技术应用面十分广泛。

尤其在检测计量、科研开发、测量测控等领域更是不可多得的好工具。

它功能特别强大，可实现编辑分析仪、示波器、信号发生器、频谱仪等多种普通传统仪器全部的功能，再配以专用的软件和探头还可以检测特定系统的数据参数，如血液脉搏、汽车发动机参数、炉窑温度、心电参数等多种数据

。

在工业生产控制领域中，大部分闭环类控制系统要求精确的信息采样，及时的数据信息处理和快速的数据计算传输。

开发的虚拟仪器系统恰恰符合上述的特点，十分适合测控一体化的研究与设计。

在产品的制造业，虚拟仪器巨大的数据吞吐能力和卓越突出的计算能力使其在线监控系统、温度压力测控系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥着更大更多的作用。

当今社会科学技术的迅速发展，无所不在的计算机现实应用为虚拟仪器的推广传播提供了良好的基础。

虚拟仪器适于一切需要计算机辅助进行数据处理、数据存储、数据传输的计量测试场合

。

更进一步来说，一切的计量测试系统，只要在技术上可行，理论上都能用虚拟仪器代替。

虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得在仪器计量测试领域具有十分广阔的发展前景和强大的生命力。

2.5LabVIEW概述

2.5.1LabVIEW知识简介

LabVIEW是一种程序开发软件环境，由美国国家仪器（NI）公司研制并开发的，有点类似于BASIC和C的开发环境，但是LabVIEW与其他计算机程序语言的显著区别是：

其他计算机程序语言都是采用基于文本的语言产生代码，而软件LabVIEW使用的是易懂的图形化编辑语言G来编写程序，产生的程序是以框图的形式展现。

与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程语言系统，有一个用来完成任何编程任务的庞大控件函数库。

LabVIEW的函数库包括数据采集、数据分析、GPIB、数据显示、串口控制及数据存储等等。

LabVIEW也拥有传统的程序调试工具，如设置断点、单步执行、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果等，便于程序的设计调试。

LABVIEW的图标如下图：

图2-1LABVIEW图标

LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）广泛地被学术界、工业界和研究开发实验室所接受，是一种图形化软件编程语言的开发环境，被视为一个标准的数据采集和仪器测试控制软件。

LabVIEW集成了满足VXI、GPIB、RS-485和RS-232协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。

它还内部设置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。

这是一个功能十分强大并且灵活多变的软件。

用户利用它可以方便地建立自己所需要的虚拟仪器，其图形化的设计界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的软件程序语言，又称为“Ｇ”语言。

它主要的方便之处就是，在只有一个硬件的情况下，可以通过改变软件，来实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件。

现在的编程图形化主要是指上层的系统，国内已经开发出图形化的单片机语言编程系统（支持32位嵌入式系统，并且可以扩展），并且在不断的完善中（搜索CPUVIEW会有更详细信息）。

2.5.2LABVIEW的基本程序构成

LabVIEW主要包括两个面板。

一个是直接面向用户用于人机交流的前面板，另一个则是程序面板。

前面板窗口（如图2—2）是图形化用户界面，即人机信息交流界面，也就是VI的虚拟仪器设计面板，相当于实际传统仪器的控制面板，它将程序和用户联系起来，是程序运行时输入和显示的信息交互窗口。

如下图2-2所示，图中可直接看到用户输入和显示输出两类对象，具体表现有图形、开关旋钮、修饰、列表以及其他控制对象。

图2-2LabVIEW前面板

程序框图窗口（如图2-3）是提供VI的图形化程序，相当于实际传统仪器箱内的东西，在程序框图中程序员需要用图形化语言来编写LabVIEW程序源代码，以能够操作和控制定义在前面板上的信号输入和输出功能。

如图2-3所示，程序框图中主要包含前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有的，但在编程时必须有的图形化功能模块，例如信号处理、结构和连线、数组等。

图2-3LabVIEW程序面板

在程序框图种，模块接口之间的连线即数据线。

信息数据通过数据线在功能模块之间传递。

LabVIEW不像一般程序语言那样，按照语句的顺序一行一行的执行，它是依靠在数据线上传输的信息数据来控制程序的，只有当模块所要求的输入数据完全到达这个功能模块时才能运行，然后向其所有的输出端口输出处理后的信息数据，这些数据再沿数据线流向其它的功能模块进行数据信号分析。

第三章频谱分析仪的功能分析

3.1传统频谱分析仪的基本原理

3.1.1传统频谱分析仪的基本概念

频谱分析仪是研究电信号频谱成分结构的仪器，可用于信号失真度、谱纯度、调制度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，也可用以滤波器和测量放大器等电路系统的某些参数测量，是一种多用途的电子信号测量仪器。

它又被称为跟踪示波器、谐波分析器、频域示波器、分析示波器、傅里叶分析仪或频率特性分析仪等。

现代化的信号频谱分析仪能以数字方式或者模拟方式显示输出分析结果,能分析1赫以下甚至低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号参数。

仪器内部如果采用微处理器和数字电路，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。

频谱分析仪是对无线电信号进行测量处理的必备手段，是从事电子产品研究开发、工业生产、科研检验的常用工具。

因此，应用十分的广泛，被人们称为工程师的射频万用表。

现代频谱分析仪则是基于快速傅里叶变换（FFT）的频谱分析仪，通过傅里叶变换运算将被测信号分解成各自分立的频率分量,达到与传统频谱分析仪同样的测量结果。

新型的这种频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器（ADC）对输入信号数据进行取样,再经FFT处理后获得频谱分布图，然后进一步进行处理输出。

图3.1频谱分析仪

3.1.2传统频谱分析仪的基本分类及技术指标

1.频谱分析仪分为扫频式和实时分析式两类。

扫频式频谱分析仪

它是具有显示输出装置的扫频超外差接收机，主要用于周期信号和连续信号的频谱分析。

它的基本工作原理是：

扫频振荡器作为本地振荡器，它的输出信号和被测量信号中的各个频率成分分量在混频器内按序依次来进行差