目录
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设计任务 ............................................................................................................................................................. 1 1.1 技术要求 ................................................................................................................................................... 1 2 3
1.2 设计方案 ............................................................................................................................................ 1 基本原理 ...................................................................................................................................................... 1 建立模型 ...................................................................................................................................................... 2 3.1 系统前面板设计 ................................................................................................................................ 3 3.2 系统程序框图设计 ............................................................................................................................ 3 3.3 系统程序运行结果 ............................................................................................................................ 4 结论与心得体会 .......................................................................................................................................... 9 4.1 实验结论 ......................................................................................................................................... 9 4.2 心得体会 ....................................................................................................................................... 10 参考文献 .................................................................................................................................................... 10
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基于LABVIEW的虚拟频谱分析仪设计
1 设计任务
1.1 技术要求
1）设计出规定的虚拟频谱分析仪，可对输入信号进行频域分析，显示输入信号的幅度谱和相位谱等
2）设置出各个控件的参数；
3）利用LabVIEW实现该虚拟频谱分析仪的设计； 4）观察仿真结果并进行分析； 5）对该虚拟频谱分析仪进行性能评价。
1.2 设计方案
虚拟频谱分析仪的设计包括以下三个步骤：
1) 按照实际任务的要求，确定频谱分析仪的性能指标。
2) 按照实验原理想好设计思路，并且完成电路图及程序，然后在前面板和程序流程图中实现。
3) 完成电路设计，运行程序并且检查，直至无误后观察仿真结果并且分心。
2 基本原理
本设计采用的是数字处理式频谱分析原理，方法为：经过采样，使连续时间信号变为离散时间信号，然后利用LabVIEW的强大的数字信号处理的功能，对采样得到的数据进行滤波、加窗、FFT 运算处理，就可得到信号的幅度谱、相位谱以及功率谱。FFT的输出都是双边的，它同时显示了正负频率的信息。通过只使用一半FFT输出采样点转换成单边FFT。FFT的采样点之间的频率间隔是fs/N，这里fs是采样频率。FFT和能量频谱可以用于测量静止或者动态信号的频率信息。FFT提供了信号在整个采样期间的平均频率信息。因此，FFT主要用于固定信号的分析（即信号在采样期间的频率变化不大）或者只需要求取每个频率分量的平均能量。
在采样过程中，为了满足采样定理，对不同的频率信号，选用合适的采样速率，从而防止频率混叠。实际中，我们只能对有限长的信号进行分析与处理，而进行傅立叶变换的
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数据理论上应为无限长的离散数据序列，所以必须对无限长离散序列截断，只取采样时间内有限数据。这样就导致频谱泄漏的存在。所以利用用加窗的方法来减少频谱泄漏。由于取样信号中混叠有噪声信号，为了消除干扰，在进行FFT 变换之前，要先进行滤波处理。本设计采用了巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、椭圆（Ellipse）、贝塞尔（Bessel）等滤波器。
以下说明时域分析与频域分析的功能
1）信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的特征值，这些特征值以一个数值的方式来表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信号特征值处理，并在测试VI前面板上直观地表示出信号的特征值，可以给测试VI的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值。
2）信号的频域分析就是根据信号的频域描述来估计和分析信号的组成和特征量。测量时采集到的是时域波形，但是由于时域分析工具较少，往往把问题转换到频域来处理。频域分析包括频谱分析、功率谱分析、相干函数分析以及频率响应函数分析。通过信号的频域分析，可以确定信号中含有的频率组成成分和频率分布范围；还可以确定信号中的各频率成分的幅值和能量；同时还能分析各信号之间的相互关系。
3 建立模型
本设计中用LabVIEW中的信号发生控件来代替信号采集部分产生信号。整个系统的设计均由软件来仿真实现。
本设计的虚拟频谱分析仪由两个软件模块组成：信号发生器模块和频谱分析模块。处理过程如下：首先将信号发生模块产生的测试信号送数字滤波器处理，滤除干扰噪声，然后分别进行时域分析、频域分析和谐波分析。在对信号进行各
种分析之前，要进行加窗处理，得到有限长的序列信号。以下具体介绍各个模块。
1）信号发生器模块主要是用来产生所需的各种测试信号。它可以完成以下功能：可产生任意标准周期信号，包括正弦波、方波、三角波、锯齿波。其中产生的周期信号的输入参数如频率、幅值、相位、占空比、噪声幅值、偏移量等均可一调节。
2）频谱分析模块主要是对信号发生器模块产生的测试信号进行分析以及处理。它可以完成以下的功能：测试信号经滤波、加窗处理后，进行时域分析、频域分析以及谐波分
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析。可以进行各种参数设置，包括采样设置、滤波器类型选择及其参数设置、窗函数类型选择等。
3.1 系统前面板设计
前面板的设计如图1所示：
图1 前面板设计
3.2 系统程序框图设计
程序框图的设计如图2所示
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图2 程序设计框图
3.3 系统程序运行结果
程序有多种运行结果，有正弦波，三角波、方波、锯齿波等不同的波形，其中波形的输入频率、幅值、相位、偏移量、方波占空比均可以变，还可以加入噪声幅值。一下是程序的集中运行结果：
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图3 程序运行结果——正弦波
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图4 程序运行结果——三角波
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图5 程序运行结果——方波
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图6 程序运行结果——锯齿波
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图7 程序运行结果——正弦波加噪声
4 结论与心得体会
4.1 实验结论
基于LabVIEW编程环境下的虚拟频谱分析仪主要实现了时域分析和频域分析两个功能。信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的特征值，这些特征值以一个数值表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信号特征值处理，并在测试VI前面板上直观地表示出信号的特征值，可以给测试VI的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值，本文对幅值特征值的分析进行了设计。
信号的频域分析就是根据信号的频域描述来估计和分析信号的组成和特征量。也就是研究信号的频率结构，即求取其分量的幅值、相位按频率的分布规律，并建立以频率为横轴的各种谱。对于周期信号可将其展开为傅立叶系数，其频谱具有离散性、谐波性和
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收敛性；对于非周期信号可用频谱密度函数分析其频率构成，其频谱具有连续性。频域分析包括频谱分析、功率谱分析、相干函数分析以及频率响应函数分析。本文实现了频谱分析，即信号的幅频特性和相频特性。
通过仿真实验说明，基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计完成了频谱分析的功能。本设计成功地使系统能够分析各种波形的频谱，如正弦波、三角波、方波、锯齿波等。并且可以通过调输入波形的各项参数如输入频率、相位、幅值、偏移量等使系统来进行分析，同时还可以加入可均匀白噪声。此外，利用LabVIEW 实现的虚拟频谱分析仪，采用了图形语言编程，与其他采用文本语言编程相比，能缩短了开发时间，与硬件仪器相比，虚拟仪器又更容易调整滤输入波形，具有方便、快捷、直观等优点。另外基于LabVIEW 编写的程序还可以将其作为子程序在其他虚拟仪器系统中调用，大大增强了程序的通用性。
4.2 心得体会
此次能力拓展训练，在暑假进行，一直拖到最后才开始做，这次能力拓展训练是自己学习LabVIEW虚拟仪器设计软件然后完成相关的设计，刚刚开始的时候，觉得自己什么也不会，真的好难，难于上青天，但是由于之前也学习过其他的软件，在加上在网上看了一些相关的视频教程还查阅写资料，慢慢的我开始进入状态，逐渐了解了这个软件。
5 参考文献
[1] 邓焱，王磊邓编著. LabVIEW7.1测试技术与仪器应用. 北京:机械工业出版社, 2005.08 [2]戴鹏飞, 王胜开, 王格芳邓编著. 测试工程与LabVIEW应用. 北京:电子工业出版社, 2006.05
[3] [坷张字间，董宁编著.计算机控制系统[M]. 华中理工大学出版社.1997.
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