虛擬頻譜分析儀及相位差測量在教學中的實現

[摘要]本文介紹了教學中常用的一種虛擬頻譜分析儀及測量相位差的方法。該分析儀基于圖形化編程語言LabVIEW所設計，能夠同時進行時域分析、頻域分析及諧波分析。與傳統的硬件電路相位差測量方法相比，這種基于虛擬頻譜分析儀的測量相位差可以通過LabVIEW的高度靈活的工程工具，其具有編程方便，能夠簡單地進行儀器控制和連接，數據處理功能強大，良好的可視化性能，可擴展性好，圖形界面易于上手，操作簡單等眾多優點，可以在學校教學實驗中廣泛應用。

[關鍵詞]虛擬頻譜分析儀 相位差 教學裝置

一、前言

傳統的電子儀器是自封閉的系統，它具有信號輸入、輸出的能力并有固定的用戶接口，它的功能是由制造商決定的，用戶不能隨意更改，用戶如按自己的要求定制儀器，則價格比較昂貴。虛擬儀器的設想正式處于人們對這種儀器的需求，利用軟件的易于修改性，利用軟件來實現信號的的處理算法部分和人機接口部分。

虛擬儀器以圖形化編程語言LabVIEW為開發平臺，是隨著計算機技術與儀器、儀表技術的發展而產生的一門新型科學。虛擬儀器具有升級周期短，費用低廉；很強的數據處理、存儲和分析能力；針對不同的測試需求，不需要進行硬件升級，便可自行開發軟件；開放、靈活的架構可以隨計算機同步發展，易于同周邊設備及網絡互連等眾多優點。

相位差的測量方法很多，可以采用模擬和數字的方法，模擬方法電路復雜，而數字方法的測量精度又受到計數脈沖工作頻率的限制。本文采用近年得到廣泛應用的虛擬頻譜儀器技術，從很大程度上擺脫了硬件方面的限制，既可以避免上述缺點，又可以消除硬件電路的溫漂、噪聲和干擾的影響。

這種基于虛擬儀器開發平臺LabVIEW頻譜分析法測量相位差的方法具有測量結果準確度高，抗干擾能力強等優點，同時，擴展性好，可以方便地擴展其他功能。

二、LabVIEW簡介

LabVIEW是由美國國家儀器（National Instrument）公司研制開發的一種標準虛擬儀器開發平臺。LabVIEW中的虛擬儀器相當于常規語言（類似于C和BASIC）中的程序模塊。是一種基于G語言(Graphical programming language)的可視化(圖形化)優秀開發平臺，它使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，使用圖標表示功能模塊，省卻了復雜、繁瑣、費時的代碼編寫輸入；連線表示數據傳遞，簡化了圖形編程方式；用數據流程語言編寫程序并且還提供了調試功能，支持多種系統平臺，提供大量庫函數，包含有從底層VXI儀器、數據采集板到總線接口硬件和CPIB的程序的應用模塊。

三、虛擬頻譜分析儀的功能

頻譜分析在生產實踐和科學研究中有著廣泛的應用。例如，對各類旋轉機械、電機、機床等機器的主體或部件進行實際運行狀態下的譜分析，可以提供設計數據和檢驗設計結果，或者尋找震源和診斷故障，保證設備的安全運行等。在聲納系統中，為了尋找海洋水面船只或潛艇，需要對噪聲信號進行譜分析，以提供有用信息，判斷艦艇運動速度、方向、位置、大小等。因此，對頻譜分析方法的研究一直是當前信號處理技術中一個十分活躍的課題。

虛擬頻譜分析儀可以實現時間域分析、幅值域分析、諧波分析。從時域分析中可做出一些原始判斷如測量信號經濾波后的特征值，并確定下一步分析的方向和目標。頻率域分析一般用直方圖，根據信號的頻域描述來估計和分析信號的組成和特征量。頻率域分析可以進行頻譜分析、功率譜分析、相關函數分析及頻率響應函數分析。由于時域信號分為連續信號和離散信號，連續信號又可分為絕對可積、平方可積和均方可積；離散信號又可分為絕對可和、平方可和和軍方可和，所以對應的頻譜也分為多種。頻率響應函數FRF（Frequency Response Function）也是虛擬頻譜分析儀的常用分析功能，它可作為原始數據提供給應用這個模態分析貨或在曲線擬合時使用。諧波分析則重點在于測量周期信號波形的畸變情況，包括諧波失真THD、基波信號相對噪聲或諧波信號的均方根比例SINAD。

此外，分析儀還具有到頻譜分析、希爾伯特變換等特殊功能及加窗、平均等輔助功能。

四、虛擬頻譜分析儀的結構模塊

一個虛擬儀器由硬件部分和軟件部分構成。硬件部分系統由虛擬信號發生器模塊和頻譜分析模塊兩部分組成。

傳統的測試儀器通過硬件實現數據的采集、分析和處理，因此實現復雜的測試任務將會有復雜的電路，帶來的結果是儀器的價格隨測試功能的增加而成倍的增加。而虛擬儀器的硬件主要功能是采集數據以及將數據數字化，至于數據的分析和后期處理顯示都將由軟件來實現，因此，設計儀器時，在硬件結構上虛擬儀器十分簡單，與傳統儀器有著本質的區別。

虛擬信號發器模塊產生各種類型的數字信號并可疊加噪聲。虛擬頻譜分析儀，首先，對模擬信號進行預處理，實現對模擬信號頻率值。然后，經過數字濾波（由FPGA模塊實現），選擇合適的通頻帶寬和相應的濾波器截止頻率，將獲取信號需要的頻率成分提取出來，而將不需要的頻率成分迅速衰減掉。然后，經過加窗處理以減少每個采樣周期邊界上信號不連貫的程度。以上過程，我們需要選擇數字信號處理芯片DSP進行處理。一方面，DSP芯片會輸出控制信號，通知濾波器如何進行操作，另一方面，信號經過A/D轉換器進入DSP后為頻譜分析工作做準備。

頻譜分析模塊主要是對濾波和加窗處理后的信號進行分析，包括時域分析、頻域分析以及諧波分析，可以分別實現時域特性和諧波特性顯示，頻域分析可以進行快速傅立葉變換（FFT）和功率譜測量，并能分別實現顯示。其中，顯示功能的實現是有兩個D/A轉換器組成。

在硬件電路的設計中，還要注意A/D，D/A轉換器、DSP和計算機之間的通信問題，它們之間的數據線連接和I/O連接要按照相關的接口協議和通信協議進行連接和通信。

本文設計的虛擬頻譜分析儀主要需要實現的功能分為兩大部分（虛擬分析儀的原理如圖1所示）:

（1）虛擬示波器的功能，包括實時波形的顯示，信號電參數的測量，信號基波頻率的測量，數據的存儲，存儲數據后期的提取和分析，打印等。

（2）虛擬頻譜分析儀的功能，包括信號基波頻率、幅值、相位的測量，諧波頻率、幅值、相位的測量，信號幅值和相位譜的顯示，信號諧波總畸變率的測量，諧波含量柱狀圖的顯示，分析結果報表的輸出等。

其原理流程為：輸入的數字信號經過移頻讓有用信號進入濾波器，然后，經低通數字濾波器降低數據密度，再對信號重新采樣，這部分操作稱為選帶細化FFT，信號經過選帶細化以后經過1024處理芯片后顯示。我們可以用VB語言提供的控件輕松實現信號處理結果的顯示和工作流程的控制與監督。

五、虛擬頻譜分析法測量相位差

1.頻譜分析法原理

頻譜是通過對被檢測信號進行頻譜分析，獲得信號的相頻特性，然后計算兩信號在主頻率處的差值即可測得兩個信號的相位差。設兩個周期信號x(t)、y(t) 在有限區間(t，t+T)內絕對可積，則有:

頻譜分析法是將信號變換到頻域范圍內進行比較，檢測結果受采樣點數的影響較大。為了達到一定的精度， 其采樣點不能太少， 由此引起的計算量很大， 而且存在“柵欄效應”和“泄漏”現象。為防止由泄漏引入的誤差，應加入窗函數且使窗長等于信號周期的整倍數。

2.虛擬頻譜分析法測量相位差

基于虛擬頻譜分析儀測量相位差的方法很多，可以采用FFT譜分析法、相關法等方法。本文采用的虛擬頻譜分析法測量相位差其實質上仍然是頻譜分析，只是求信號的基頻分量而已。

值得注意的是，在虛擬頻譜法測量相位差的主程序中，需要確定模擬信號的周期T，并確定一個周期內的N個采樣值，這是通過調用求過零點的子程序來實現的，這是減小測量誤差的基本保證。過零點檢測的原理很簡單，只要求出信號單位時間內經過零點的次數就可以求得信號的周期。另外，需要對采集到的數據進行A/D轉換，將信號離散化，信號幅值分辨率與A/D轉換器的位數有關，時間分辨率與A/D轉換器的采樣率有關。

六、結束語

本文利用圖形化編程語言LabVIEW設計和實現了一種虛擬頻譜分析儀，并介紹了基于此分析儀的相位差測量的原理。這種虛擬頻譜儀具有分析、判斷、顯示、儲存和數據生成等功能，有利于對個別特殊的實驗現象進行仔細地觀察和研究。這種方法不僅降低了儀器的研制成本，提高了測試效率，而且還大大增強了設計的靈活性，不僅可以緩解學校實驗儀器短缺的問題；還可以減少實驗過程中元器件的耗費。

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（作者單位：浙江理工大學信息與電子學院）