頻譜分析儀-LabVIEW課程設計

1、LabVIEW課程設計虛 擬 儀 器 技 術課 程 設 計 課 題： 頻譜分析儀 班 級： 學 號： 姓 名： 指導教師： 揚州大學能源與動力工程學院2012年2月目 錄1課程設計的目的及任務（1）1.1課程設計的目的（1）1.2課程設計的任務（1）1.3課程設計的要求及技術指標（1）2總方案的確定并畫出原理框圖（2）3各基本單元原理及設計（3）3.1數據采集模塊（3）3.2正弦信號產生模塊（3）3.3加窗函數模塊（4）3.4濾波函數模塊（4）3.5功率譜轉換模塊（5）4總原理圖，工作原理、工作特性（6）5電路安裝與調試（8）5.1電路安裝調試步驟（8）5.2實驗結果分析（8）5.3改進意見及

2、收獲（9）6體會(10)附錄1：課程設計任務書（11）111 課程設計的目的及任務1.1 課程設計目的（1）掌握LabVIEW軟件編程方法；（2）掌握LabVIEW硬件的應用；（3）培養(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力。1.2 課程設計的任務頻譜分析儀是在科學研究和工程設計中廣泛應用的一種通用儀器。本課題將結合虛擬頻譜分析儀的設計過程，了解使用基于圖形化編程語言LabVIEW進行虛擬儀器編程的方法與實現技術，基本實現傳統(tǒng)頻譜分析儀的功能。1.3 課程設計的要求及技術指標（1）將采集到的時域信號轉化為頻域信號；（2）對信號進行簡單的濾波和加窗處理；（3）求出信號的頻率、頻率響應等參數；（4）能完

3、成數據顯示、繪制圖形、存儲和查看測量數據等功能且具有友好的人機界面。2 總方案的確定并畫出原理框圖本設計的虛擬頻譜分析儀即可以對虛擬信號發(fā)生器所產生的信號進行頻譜分析，由此確定設計總方案也可以對通過信號調理器，基于PCI總線的DAQ卡組成的采集系統(tǒng)所采集到的外部信號進行頻譜分析。其中，在對外部信號進行頻譜分析時，外界被測信號首先傳送到信號調理電路，且由信號調理電路對它進行放大、濾波、隔離等處理后，再經數據采集卡進行AD轉換，以將模擬信號轉換為數字信號，然后由軟件對被測試信號進行頻譜分析和處理，最后得到測試結果，并按要求將它們顯示或儲存起來。原理框圖如圖一所示。圖一3 各基本單元原理及設計3.1

4、 數據采集模塊數據采集模塊采用Acquire Waveform VI子程序來控制PCI-1200數據采集卡進行數據采集操作，參數設置模塊可以設置的參數主要包括：設備與通道，采樣點數，觸發(fā)控制，掃描率。3.2 正弦信號產生模塊正弦信號產生模塊采用Sine Wave VI子程序（在Analysis>Signal Generation子模板中），用于產生標準正弦信號在實驗時驗證頻譜分析功能，設置的參數包括：采樣點數，采樣頻率，信號頻率，幅值和初始相位。3.3 加窗函數模塊加窗函數模塊可由Scaled Time Domain Windows.vi模板來完成。該模板有兩個輸入和兩個輸出端。首先從輸

5、入端輸入一個時域信號，再進行窗體類型的選擇，可根據實際情況選擇不加窗、漢寧窗、漢明窗、布萊克曼窗、平頂窗等8種窗體，最后輸出一個已加窗的時域信號，這樣便可以減少窗口效應帶來的柵欄效應和泄漏問題。設計中運用了漢明窗。3.4 濾波函數模塊數字濾波器用于改變或消除不需要的波形。它是應用最廣泛的信號處理工具之一。兩種數字濾波器分別是：FIR（有限脈沖響應）和IIR（無限脈沖響應）濾波器。FIR濾波器可以看成一般移動平均值，它也可以被設計成線性相位濾波器。IIR濾波器有很好的幅值響應，但是無線性相位響應。設計中選用了巴特沃思濾波器（0-低通，1-高通，2-帶通，3-帶阻）。3.5 頻譜分析模塊頻譜分析模

6、塊根據設計要求有三個選擇功能：0-頻譜分析，1-功率譜分析，2-FFT。幅度和相位譜功率譜快速傅里葉變換5 總原理圖，工作原理、工作特性這一種虛擬頻譜分析儀能夠提供一個高精度的頻譜分析功能，并且可以同時觀察輸入信號的時域和頻域顯示。但該虛擬頻譜分析儀受數據采集卡采樣速率的限制，其頻率范圍僅為050kHz，用戶可以通過改變采樣速率和數據長度來選擇頻率分辨率。在虛擬頻譜分析儀的設計中可以通過程序直接讀出基波頻率和峰值大小，并將它們顯示在面板上，用戶參考這個值可以手動調整采樣速率的大小和顯示圖形中X、Y軸的坐標來觀察所需要的頻譜圖，因此操作更加直觀、簡便?？梢杂脴藴收倚盘柲M實驗，也可以采集外部數

7、據，采集的數據若有干擾可以根據情況選擇濾波和加窗，使獲得的結果更加滿意。信號頻譜分析儀的主要數據處理工作就是對待分析信號進行傅立葉變換，然后分析其頻譜、功率譜特性，并顯示計算結果。程序如圖二，圖三所示。圖二圖三5 電路安裝與調試5.1電路安裝調試步驟（1）根據原理框圖設計程序（2）檢查程序接線和各個判斷框對應情況（3）采用正弦信號模擬，驗證程序是否正確（4）接入外部信號，根據情況濾波或加窗，分析實驗結果5.2實驗結果分析當接入標準正弦信號時，設置采樣頻率=100，采樣數=200，幅度=5，初始相位=0，信號頻率=5，所得結果如下： 當接入外部信號時，設置設備號=1，通道=1，采樣頻率=200，

8、采樣數=500，所得結果如下：5.3 改進意見及收獲經過試驗和結果分析，設計的虛擬頻譜分析儀基本實現了任務要求，但在試驗中也發(fā)現了一些問題還有待改進。應該使用選擇結果使濾波和加窗方式更多樣化，因為在采集外部數據時存在各種干擾，單一的濾波和加窗方式并不能滿足所有情況的要求，有時用巴特沃思濾波器反而使所得信號變得更糟糕，應該根據不同的情況選擇不同的濾波或加窗方式。頻譜分析也比較簡單，可以用數據框顯示峰峰值、響應值等，使所得結果更加直觀可讀。頻譜分析方式在實際工作時應更加豐富，可以加入單邊譜、雙邊譜、諧波分析等內容。在實驗時如使用外部采集數據應注意接共地端，否則將有很大的干擾，甚至完全淹沒信號。 6

9、 體會一周半的虛擬儀器課程設計很快就過去了，但這短短一周半的時間卻讓我們學到了很多，最終的結果也還算滿意，但是在設計程序、設置參數，調試電路等一系列過程中我們也遇到了很多問題。采集的信號有較大干擾，經過濾波和加窗處理仍實現不了預期效果等情況，但我們沒有互相埋怨而是通過仔細地檢查，問老師問同學等許多積極的方式來解決問題，最重要的是我們小組兩人分工明確，而且又相互協(xié)作。通過一周半的課程設計，加強了查找資料、思考和解決問題的能力。我覺得做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個函數模塊的功能，而且考試內容有限，所以在這次課程設計過程中，我

10、們了解了很多VI子程序的功能，并且對于其各個端點的含義、接線方法有了更深入的了解。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完設計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實踐讓我們對各個VI函數模塊印象深刻。另外很多內容也是書上沒有的，通過自己查資料，反復看說明書才得以解決，這對我今后工作有很多幫助。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。所以這次的設計對我們的作用是非常大，提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。同時在設計的過程中發(fā)現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固等。 這次課程設計的

11、順利完成了，離不開老師的辛勤指導和同學的幫助，我也從老師何同學的身上我們學也到很多實用的知識，在此我向所有幫助過我的老師和同學表示衷心的感謝 ！附錄1：1.設計目的（1）掌握LabVIEW軟件編程方法（2）掌握LabVIEW硬件的應用（3）培養(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力2.設計所用儀器及器件(1) NI公司的數據采集和信號調理卡。NI DQA-6024卡，NI SC-2075卡各一套。(2) P計算機一臺。(3)各種相關的實驗材料和設備。 3.實物內容及要求（1）設計成果一份。（2）課程設計論文一份。4.進程安排1布置任務、查閱資料，方案設計（兩天）根據設計要求，查閱參考資料，進行方案設計及可行性論證，確定設計方案，畫出詳細的原理圖。2上機在LabVIEW環(huán)境下按要求進行設計 （三天）要求在虛擬儀器上觀測到正確的波形并達到規(guī)定的技術指標。3硬件的裝配及調試（三天）使用數據采集卡進行裝配調試，使其全面達到規(guī)定的技術指標，最終通過驗收。4總結報告 （一