基于LabVIEW的频谱分析仪报告1.docx

基于LabVIEW的频谱分析仪
机电学院测控技术与仪器系 晋芳

摘要：以LabVIEW为平台，设计了一个简单的频谱分析仪，该仪器能实时显示采集到的信号的波形和FFT变换的图形，并将该信号的各参数测量出来。
关键字：LabVIEW FFT 频谱分析

一、设计任务
基于目前智能仪器实验室的硬件系统通过LabVIEW编程实现简易频谱分析仪，要求能采集－10－10V、频率2Hz－25KHz的各种信号并能显示采集到信号的幅度频谱。

二、设计要求
1、基本功能
（1）能够采集幅值范围在-10V~10V，频率在25KHz以下的信号并显示出来；
（2）能够将所采集信号的频谱计算出来并显示出来。
（3）编写友好的人机界面；
2、发挥部分
（1）能够对采样信号波形失真度进行测量；
（2）能够存储频谱波形；

三、频谱分析原理
频谱分析最常用的方法就是离散傅立叶变换（DFT），为了快速计算DFT，通常采用一种快速傅立叶变换(FFT)的方法。当信号的采样点数是2的幂时，就可以采用这种方法。
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。
计算机只能处理有限长度的信号，原信号x(t)要以T(采样时间或采样长度)截断，即有限化。有限化也称为加“矩形窗”或“不加窗”。矩形窗将信号突然截断，这在频域造成很宽的附加频率成分，这些附加频率成分在原信号x(t)中其实是不存在的。一般将这一问题称为有限化带来的泄露问题。泄露使得原来集中在f0上的能量分散到全部频率轴上。泄露带来许多问题：如①使频率曲线产生许多“皱纹”（Ripple），较大的皱纹可能与小的共振峰值混淆；②如信号为两幅值一大一小频率很接近的正弦波合成，幅值较小的一个信号可能被淹没。③f0附近曲线过于平缓，无法准确确定f0的值。
为了减少泄露，人们尝试用过渡较为缓慢的、非矩形的窗口函数。常用的窗函数如下表所示。
窗
定义
应用
矩形窗（无窗）
W[n]=1.0
区分频域和振幅接近的信号瞬时信号宽度小于窗
指数形窗
W[n]=exp[n*lnf/N-1]
f=终值
瞬时信号宽度大于窗
海宁窗
W[n]=0.5cos(2nπ/N)
瞬时信号宽度大于窗普通目的的应用
海明窗
W[n]=0.54-0.46cos(2nπ/N)
声音处理
平顶窗
W[n]=0.2810639-0.5208972cos(2nπ/N)+0.1980399cos(2nπ/N)
分析无精确参照物且要求精确测量的信号
Kaiser-Bessel窗
W[n]=Iº(β)
区分频率接近而形状不同的信号
三角形窗
W[n]=1-｜（2n-N）/N｜
无特殊应用
在实际应用中如何选择窗函数一般说来是要仔细分析信号的特征以及最终希望达到的目的，并经反复调试。窗函数有利有弊，使用不当还会带来坏处。使用窗函数的原因很多，例如：
1、规定测量的持续时间；
2、减少频谱泄漏；
3、从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号。
这里为了对比，采用了无窗，即矩形窗、海宁窗两种窗函数对波形数据做FFT变换。

四、设计过程
1、LabVIEW简介
LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。Labview程序又称为虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）。VI是由图像、连线以及框图构成的应用程序，由Front Panel（前面板）和Block Diagram（后面板）两部分构成。它的表现形式和功能类似于实际的仪器，而它同时又很容易改变设置和功能。因此，Labview特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要改变仪器和设备参数和功能的场合，以及对信号进行分析、研究、传输等场合。

2、数据采集（DAQ）
数据采集与仪器控制是LabVIEW最具竞争力的核心技术之一。NI公司提供了种类丰富的硬件设备以满足不同的测量与控制需求，其中包括数据采集（DAQ）硬件、实时测量与控制、PXI与Compact PCI、信号调理、开关、分布式I/O、机器视觉、运动控制、GPIB、串口和仪器控制等。
数据采集（Data AcQuisition，DAQ）是指从传感器和其他待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。一个完整的DAQ系统包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等。
3、功能介绍
函数信号发生器提供波形，模拟波形从板卡上输入，然后经过采样得到波形数据，再将波形图实时显示出来，同时进行FFT变换，并将FFT变换结果以线性和和对数显示出来，并且把信号的频率、幅度、有效值、峰峰值、正峰值、负峰值、直流偏置电压，谐波失真、信噪比测量出来。另外，设置了一个按钮，当按钮按下的时候就会暂停，所有波形都保持在某一时刻的情况。
4、VI介绍
（1）数据采集控件（DAQ Assistant）
选择Measurement I/O » NI-DAQmx » DAQ Assist，进行初始化：
因为波形从板卡输入，且采集的是电压信号，所以在Create New选项卡中选择Analog Input—Voltage，然后在Dev1（PCI-6221）下的树形结构中选择ai0，点击finish，然后在Task Timing中选择Continuous，单击OK，这样就创建了一个数据采集VI，系统会自动创建一个While循环，如图：

真正用到的只有data、number of sample和rate。
（2）Tone Ｍeasurements
选择Signal Processing——Wavform Meament——Tone Ｍeasurements，然后设置需要测量的量：Amplitude、Frequency，单击OK，如图：

可以测量幅度和频率。
（3）Spectral Measurements
选择signal Processing——Wavform Meament——Spectral Measurements，然后设置VI参数：Spectral Measurement组合框选Magnitude（Peak），Result组合框选Linear，然后就是窗函数的选取了，这里选了一种窗函数：汉宁窗（Hanning Window），对比了无窗和有窗两种情况的图形，如图：

最后将两种FFT变换结果显示在Graph图表显示屏上。
（4）波形分析控件Distortion Measurements
选择Express——Signal Analysis——Distortion Measurements，然后设置需要测量的量： SINAD(dB)和Total harmonic distortion，Highest harmonic 10，其他窗口用默认值，单击OK键。如图：

（5）图形显示控件（Graph）

共有两个图表显示控件：第一个将实时采样的波形数据显示出来，第二个将FFT变换结果以线性形式显示。
5、仪器界面及操作说明
整个仪器界面如下图：

如界面所示，程序运行后同时在界面上显示时域信号和频域信号显示采样信息的参数控制板卡A/D转换器的采样频率和采样点数，输入信号的频率和幅度，以及失真率和THD等。
程序流程图如下：

五、结果分析
将函数信号发生器的两个输出端连到板卡上模拟输入通道的CH0-和CH0+端，并将CH0-端与板卡上的模拟地（AIGND）用导线连接在一起，防止因为信号发生器的地与板卡的地不一致而引起较大的干扰。下面是当输入信号频率分别为2Hz，10Hz，100Hz，1kHz，10kHz和25kHz时，波形为正弦波时测得的结果。
频率f=2Hz时，

频率f=10Hz时，

频率f=100Hz时，

频率f=1kHz时，

频率f=10kHz时，

频率f=25kHz时，

六、小结
本设计根据要求完成了频谱分析仪的基本功能，并作了一些扩充，在现有条件下应该是完成了应该达到的或可以达到的功能。当然，本设计可以进一步丰富功能，但扩充需要根据需求来添加。
还是说说本设计需要改进的地方。
首先是程序流水线式设计运行不够人性化，其次是没有存储功能。由于时间有限，只能留下这些遗憾了，希望以后有时间继续完善。

参考资料
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