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基于LabVIEW的频谱分析.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.62M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1 引言
    1.1 课题研究目的与意义
    1.2 国内外研究现状及分析
    1.3 设计任务与要求
    2 虚拟仪器技术概述
    2.1 虚拟仪器简介
    2.1.1 虚拟仪器的定义
    2.1.2 虚拟仪器的分类
    2.1.3 虚拟仪器NI-Lab VIEW软件介绍
    2.2 信号采集相关技术
    2.2.1 信号的分类
    2.2.2 数据采集卡的功能
    3 虚拟频谱分析仪的总体方案设计
    3.1 频谱的概念
    3.2 频谱分析的概念及原理
    3.3 虚拟频谱分析仪总体方案的比较论证
    3.3.1 软件实现与硬件实现方案论证
    3.3.2虚拟仪器与传统仪器方案比较：
    3.3.3 开发平台比较选择
    4 虚拟频谱分析仪数据采集卡选用
    4.1 数据采集卡类型
    4.2 PCI-6014采集卡介绍
    5 虚拟频谱分析仪的软件设计
    5.1 系统软件总体设计思路
    5.2 虚拟频谱分析仪各模块功能介绍
    5.2.1 信号发生模块
    5.2.2 信号加窗模块
    5.2.3 滤波器处理模块
    5.2.4 频谱分析模块
    5.2.5 频率响应函数分析模块
    6 结果显示及分析
    6.1 虚拟频谱仪前面板
    6.2 虚拟频谱仪信号波形显示
    6.3 加窗模块处理后波形
    6.4 滤波模块处理波形显示
    6.5 频谱分析处理波形显示
    6.6频率响应函数分析结果显示
    结论
    参考文献
    致谢
    毕业设计（论文） 题目名称：基于 Lab VIEW 虚拟频谱分析仪的设计 学院名称：电子信息学院 班 学 级：测控技术与仪器 081 班 号：200800454122 学生姓名：张朋华 指导教师：常 静 2012 年 05 月
    论文编号：200800454122 基于 Lab VIEW 虚拟频谱分析仪 的设计 A Design of Virtual Spectrum Analyzer Based On Lab VIEW 学院名称：电子信息学院 班 学 级：测控技术与仪器 081 班 号：200800454122 学生姓名：张朋华 指导教师：常 静 2012 年 05 月
    摘 要 随着社会发展和科学技术的进步，现代社会对测量仪器的需求越来越广泛， 对仪器的性能要求也越来越高。在迅速发展的集成电路技术和计算机技术的推动 下，测量仪器也正在发生巨大的变化。以虚拟仪器为代表的新型测量仪器改变了 传统仪器的思想，充分利用了计算机强大的软硬件功能，把计算机技术和测量技 术紧密结合起来，融合了电子测量、计算机和网络等诸多新兴技术。特别是基于 计算机平台的各种测量仪器由于成本低、使用方便等优点得到了广泛的应用，对 教学和科研都有重要的价值。 本文提出了频谱分析仪的一种新的设计思路，即虚拟频谱分析仪。虚拟频谱 分析仪改变了传统频谱仪的整体设计思路：用软件代替了硬件，测试者可以用一 部计算机和相应软件版本的采集卡，即可完成对仿真信号、采集卡信号以及信号 发生器信号的频谱分析，得到相应的数据和图像，简单、快捷、方便。 依据虚拟频谱分析仪的设计思路，前端信号发生部分采用了双通道信号设 计，通道 1 信号即为 Lab VIEW 软件信号发生模块所发出的仿真信号，通道 2 信 号即为采集卡 PCI-6014（或信号发生器）发生的外部信号，依托 Lab VIEW 软件 强大的处理功能对两路信号进行频谱分析，并绘制频谱图。 关键词：虚拟频谱分析仪，Lab VIEW，频谱分析 I
    Abstract With the development of modem science technology and society ， various measurement and test instruments are required to accomplish more and more complicated jobs. The demands for measurement technology and test equipments are getting higher. In recent years, a new measure technology that combines the technologies of electronic 、 computer and network ， is developed which is named Virtual Instrument. Because of the low cost and the facility，it is widely used in many fields. In this paper，it puts forward the new spectrum analyzer’s design idea，called the virtual spectrum analyzer. The virtual spectrum analyzer changes the overall design idea of the original virtual spectrum analyzer, using software instead of hardware in th e former. Just using a computer with the corresponding date acquisition card ,can realize the function of spectrum analysis, and draw spectrum charts. According to the design idea of spectrum analyzer，the front part of the signal adopt two channels design. Channel 1 signal designed with Lab VIEW software which is issued by a signal producing module simulation signal, Channel 2 signal for acquisition card that PCI-6014 (or signal generator) produce external signal. Relying on the powerful processing functions of Lab VIEW software，it realize the function of spectrum analysis. Key words: Virtual spectrum analyzer，Lab VIEW，Spectrum analysis II
    目 录 1 引言......................................................................................................................... 1 1.1 课题研究目的与意义................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状及分析............................................................................. 1 1.3 设计任务与要求......................................................................................... 2 2 虚拟仪器技术概述................................................................................................. 3 2.1 虚拟仪器简介............................................................................................. 3 2.1.1 虚拟仪器的定义............................................................................. 3 2.1.2 虚拟仪器的分类............................................................................. 4 2.1.3 虚拟仪器 NI-Lab VIEW 软件介绍................................................ 5 2.2 信号采集相关技术..................................................................................... 6 2.2.1 信号的分类..................................................................................... 6 2.2.2 数据采集卡的功能......................................................................... 7 3 虚拟频谱分析仪的总体方案设计......................................................................... 8 3.1 频谱的概念................................................................................................. 8 3.2 频谱分析的概念及原理............................................................................. 9 3.3 虚拟频谱分析仪总体方案的比较论证................................................... 10 3.3.1 软件实现与硬件实现方案论证................................................... 10 3.3.2 虚拟仪器与传统仪器方案比较：...............................................12 3.3.3 开发平台比较选择....................................................................... 13 4 虚拟频谱分析仪数据采集卡选用....................................................................... 13 4.1 数据采集卡类型....................................................................................... 13 4.2 PCI-6014 采集卡介绍...............................................................................14 5 虚拟频谱分析仪的软件设计............................................................................... 14 5.1 系统软件总体设计思路........................................................................... 14 5.2 虚拟频谱分析仪各模块功能介绍........................................................... 16 5.2.1 信号发生模块............................................................................... 16 5.2.2 信号加窗模块............................................................................... 17 5.2.3 滤波器处理模块........................................................................... 19 5.2.4 频谱分析模块............................................................................... 21 5.2.5 频率响应函数分析模块............................................................... 22 6 结果显示及分析................................................................................................... 23 6.1 虚拟频谱仪前面板................................................................................... 24 6.2 虚拟频谱仪信号波形显示....................................................................... 25 6.3 加窗模块处理后波形............................................................................... 26 6.4 滤波模块处理波形显示........................................................................... 28 6.5 频谱分析处理波形显示........................................................................... 29 6.6 频率响应函数分析结果显示................................................................... 32 结论............................................................................................................................. 34 参考文献..................................................................................................................... 35 致谢............................................................................................................................. 36 附录 III
    中原工学院毕业设计（论文） 1 引言 1.1 课题研究目的与意义 随着科学技术的迅猛发展，电子设备和技术正在向集成化、数字化和高速化 方向发展，传统仪器下的高校实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需 要。大部分仪器设备已经陈旧，而先进的数字仪器(如数字存储示波器)由于价格 昂贵，不可能大量采购，同时传统仪器功能较为单一，虚拟仪器设计正是解决这 一矛盾的最佳方案，在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪 器的测试功能，充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能，开发结构简单、操 作方便、费用低的虚拟实验仪器，如频谱分析仪等虚拟仪器，既可以减少实验设 备资金的投入，又为学生做创新性实验、掌握现代仪器技术提供了条件。 传统测试系统中，信号的采集与控制、分析与处理、结果的表达与输出等功 能全是以硬件或固化形式的软件来完成。因此面对复杂的测试对象，组成一套完 整的测试系统需要大量的仪器；过多的连线使得系统不稳定，抗干扰性能差；测 试系统造价高、系统形式固定，通用性差，无法适应工程变化的需要；测试速度 缓慢，系统开发与组建周期长。在以自动化、高速化为特征的现代工业当中，传 统测试技术的这些缺陷己逐步成为测试技术发展的“瓶颈”。 虚拟仪器（Virtual Instrument）是随着微电子技术、计算机技术、软件技术、 现代测量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，它经历了电磁指针 式仪器、分立元件式仪器、数字式仪器、智能式仪器发展的步步进程，特别是上 个世纪80年代以来，新的测试理论，新的测试方法以及新的仪器结构不断出现， 在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，测量仪器的功能和作用发生了质的变 化。虚拟仪器技术的发展使现代测量技术和计算机技术真正地融合在一起，是计 算机技术和现代测量技术高速发展共同孕育出的一项革命性的新技术。它的出现 对科学技术发展和工业生产将产生不可估量的影响[1]。 1.2 国内外研究现状及分析 虚拟仪器是近年来发展起来的一种利用计算机模拟真实过程的实用技术。虚 拟仪器是虚拟技术发展的结晶，在发达国家，虚拟仪器已广泛应用于生产、科研、 国防等领域，而我国，虚拟仪器的研究由于开发起步较晚，目前尚处于探索研究 阶段。 国外方面，以美国仪器公司、惠普公司、Tektronix和Racal等公司为首的虚 拟仪器在测试领域呈现出越来越大的生命力。 1
    中原工学院毕业设计（论文） 国内方面，各高等学校及科研机构从90年代开始也积极开展虚拟仪器的研究 工作，研制具有自主知识产权的虚拟仪器软件平台，并开发出相应的虚拟仪器设 备，其中有代表性的是清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、国防大学、成都 电子科技大学、中国科技大学等，他们在引进和研究美国NI公司和HP公司产品方 面做了一系列有益的工作，并取得了一批较好的成果。 电子测量仪器发展至今，大体分为四代：模拟仪器、数字仪器、智能仪器、 虚拟仪器。虚拟仪器技术是现代计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计 算机辅助测试领域的一项重要技术，虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突 破，充分利用计算机系统强大的数据处理能力，利用软件完成数据的采集、控制、 分析和处理以及测试结果的显示等，突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、 存储等方面的限制，使用户可以方便的对仪器进行维护、扩展和升级，这些优点 使得虚拟仪器具有远大的发展前景。 目前虚拟仪器广泛应用于工业自动化和控制系统、图像的采集和分析处理、 系统仿真、运动控制、远程监控、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障 诊断、电子工程、电力工程及教学科研等诸多领域。可以看出，虚拟仪器开发及 应用已经进入了高速发展的时期。 在频谱仪领域中，传统频谱分析仪硬件电路太过复杂，生产技术要求过高， 价格昂贵，迄今，国内外频谱仪设计趋于虚拟趋势，依托于计算机强大的分析处 理能力，将现今的数字信号处理方法运用于软件设计之中，从而实现更好的效果， 进而逐渐取代传统频谱分析仪，除此之外，在国内外研究中，频谱仪的发展更趋 于功能化，在已有的硬件基础上，通过软件重构，进而构成各种所需的虚拟测量 仪器，可以说，频谱仪的发展趋势越来越具体化、功能化、高效化，我们期待它 的发展给我们带来更多的方便！ 1.3 设计任务与要求 以 Lab view 为软件开发平台,利用其图形化编程特点,设计频谱测量仪，实现 时域分析和频域分析两个功能。完成对前面版和后面版的设计，使其具有和实际 仪器同等测量的功能。时域分析主要完成对幅值特征值的分析进行设计，频域分 析主要完成频谱分析、频率响应函数分析。 2
    中原工学院毕业设计（论文） 2 虚拟仪器技术概述 2.1 虚拟仪器简介 2.1.1 虚拟仪器的定义 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各 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 NI Lab VIEW 图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改 善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使 用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共 享信息成果，有助于在较大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。 美国国家仪器公司 NI（National Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概 念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入 仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河与传统仪 器相比，虚拟仪器主要有四大优势： （1）性能高 虚拟仪器技术是在 PC 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现 成即用的 PC 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能卓越的处理器和文件 I/O，使得在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断 发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 （2）扩展性强 NI 的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于 NI 软件的灵 活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需 软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成 到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。 （3）开发时间少 在驱动和应用两个层面上，NI 高效的软件构架能与仪表和通讯方面的最新 技术结合在一起。NI 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时 还提供了灵活强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、 低成本的测量和控制解决方案。 （4）无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断 地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连 3
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