基于LabVIEW的信號(hào)FFT功率譜分析系統(tǒng)

劉小群

(寶雞文理學(xué)院 物理與光電技術(shù)學(xué)院， 寶雞 721016)

0 引言

目前，信號(hào)發(fā)生器已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)測(cè)試和教學(xué)科研等領(lǐng)域，而傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器存在功能固定、不能擴(kuò)展、儀器組裝與維修工作復(fù)雜、價(jià)格較貴、不易攜帶等主要缺點(diǎn)。虛擬儀器能夠使得用戶按照自己的需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，使用方便，用戶可以自行定義儀器的功能。徹底改變了傳統(tǒng)儀器功能由開(kāi)發(fā)者預(yù)先自定義、儀器不可調(diào)控的缺點(diǎn)。FFT功率譜分析對(duì)于信號(hào)的特點(diǎn)及頻域特性十分重要，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的信號(hào)FFT功率譜分析系統(tǒng)，首先產(chǎn)生兩種不同類(lèi)型的波形，然后經(jīng)過(guò)濾波器濾波后通過(guò)FFT功率譜分析模塊對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行功率譜分析。

1 FFT功率譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 FFT功率譜分析系統(tǒng)的功能要求

所設(shè)計(jì)的FFT功率譜分析系統(tǒng)的功能如下。

(1) 能產(chǎn)生兩種基本波形如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等函數(shù)波形，且波形頻率可以調(diào)節(jié)。

(2) 將所產(chǎn)生的波形通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，濾波器的類(lèi)型及窗函數(shù)可以選擇。

(3) 將濾波以后的波形通過(guò)FFT功率譜分析模塊進(jìn)行功率譜分析并輸出功率譜波形圖。

(4) 前面板上顯示所產(chǎn)生的波形的頻率、類(lèi)型、窗函數(shù)的類(lèi)型、濾波器的類(lèi)型，并且可以方便調(diào)節(jié)。同時(shí)顯示產(chǎn)生的兩種波形、濾波以后的波形及其功率譜波形。可以通過(guò)“停止”按鈕使整個(gè)運(yùn)行著的程序停止。

1.2 FFT功率譜分析系統(tǒng)前面板的設(shè)計(jì)

前面板是圖形用戶界面，也就是虛擬儀器面板， 用于用戶輸入和輸出兩類(lèi)對(duì)象。 在前面板上具體顯示有信號(hào)類(lèi)型的選擇、頻率調(diào)節(jié)滑桿、窗函數(shù)的類(lèi)型、濾波器的類(lèi)型等[2]。所設(shè)計(jì)的FFT功率譜分析系統(tǒng)前面板如圖1所示。

用戶可以通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)控制前面板上的開(kāi)關(guān)和按鈕，通過(guò)選擇信號(hào)類(lèi)型能夠?qū)崿F(xiàn)input1、input2的信號(hào)類(lèi)型的選擇輸出，而且通過(guò)調(diào)節(jié)滑桿可以改變所選輸出波形的頻率。公共顯示部分是三個(gè)波形圖顯示控件，用于顯示用戶通過(guò)設(shè)

圖1 FFT功率譜分析系統(tǒng)的前面板

置波形發(fā)生器產(chǎn)生的要輸出的波形信號(hào)，濾波器處理以后的信號(hào)及功率譜波形，以便用戶方便直觀地看到所產(chǎn)生波形信號(hào)、濾波后的波形及其功率譜波形。設(shè)置“停止”按鈕的作用是使整個(gè)運(yùn)行著的程序停止。

2.3 FFT功率譜分析系統(tǒng)程序框圖的設(shè)計(jì)

程序框圖中放置程序的源代碼，在程序框圖中進(jìn)行編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。 程序框圖中包括前面板上控件的連線端子，還有函數(shù)、 結(jié)構(gòu)和連線等[3-4]。FFT功率譜分析系統(tǒng)的程序面板如圖2所示。

圖2 FFT功率譜分析系統(tǒng)的程序框圖

虛擬任意波形發(fā)生器包括硬件和軟件兩部分。硬件通常包括通用計(jì)算機(jī)和外圍硬件設(shè)備。通用計(jì)算機(jī)可以是筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)等。外圍設(shè)備可以選擇GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或其他系統(tǒng)，也可以選擇由兩種或兩種以上系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)。

軟件部分采用專業(yè)的LabVIEW圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具。FFT功率譜分析系統(tǒng)主要由軟件完成輸出波形信號(hào)的產(chǎn)生和濾波器濾波及FFT功率譜分析。輸出波形頻率的變化的具體實(shí)現(xiàn)是將波形數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)采集卡的緩沖區(qū)當(dāng)中，通過(guò)設(shè)置緩沖區(qū)的更新頻率(改變內(nèi)部的時(shí)鐘頻率)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)頻率的變化[5]。

波形產(chǎn)生模塊是FFT功率譜分析系統(tǒng)的核心。利用該模塊可實(shí)現(xiàn)正弦波、方波、鋸齒波、三角波等波形。產(chǎn)生原理是通過(guò)調(diào)用基本函數(shù)發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)。每一個(gè)波形周期內(nèi)的點(diǎn)數(shù)可以通過(guò)采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)設(shè)置，信號(hào)的幅值、頻率、相位、占空比等都可以設(shè)置，信號(hào)類(lèi)型是通過(guò)枚舉數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行選擇，然后利用While循環(huán)，使程序反復(fù)執(zhí)行，就可以連續(xù)輸出正弦波形、方波、鋸齒波、三角波等。將產(chǎn)生的兩路波形數(shù)據(jù)通過(guò)創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)處理后在同一個(gè)波形圖中進(jìn)行顯示。濾波器的類(lèi)型、窗函數(shù)的類(lèi)型都可以在前面板上選擇，濾波后的兩路波形在一個(gè)波形圖顯示控件中進(jìn)行顯示，便于對(duì)比分析。濾波后的波形經(jīng)過(guò)FFT功率譜分析函數(shù)分析后輸出顯示。便于分析波形的頻域特性。

與模擬信號(hào)相比，利用軟件的方法產(chǎn)生的波形數(shù)字序列雖然存在著一定的誤差，但只要一個(gè)周期內(nèi)選的點(diǎn)數(shù)足夠的多。就可以使誤差降到最低，對(duì)結(jié)果的影響最小。利用軟件產(chǎn)生波形的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是使儀器的成本大大降低，而且使儀器小型化，智能化。

2.4 FFT功率譜分析系統(tǒng)功能測(cè)試

FFT功率譜分析系統(tǒng)功能測(cè)試主要包括以下幾個(gè)方面

(1) 能產(chǎn)生兩種基本波形如正弦波、方波、三角波、鋸齒波、斜坡上升、斜坡下降等函數(shù)波形，且波形頻率可以調(diào)節(jié)；

(2) 將所產(chǎn)生的波形通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，濾波器的類(lèi)型及窗函數(shù)可以選擇；

(3) 將濾波以后的波形通過(guò)FFT功率譜分析模塊進(jìn)行功率譜分析并輸出功率譜波形圖；

(4) 前面板上顯示所產(chǎn)生的波形的頻率、類(lèi)型、窗函數(shù)的類(lèi)型、濾波器的類(lèi)型，并且可以方便調(diào)節(jié)。同時(shí)顯示產(chǎn)生的兩種波形、濾波以后的波形及其功率譜波形。

可以通過(guò)“停止”按鈕使整個(gè)運(yùn)行著的程序停止。仿真測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 三角波+方波輸出顯示

圖4 正弦波+方波輸出顯示

經(jīng)仿真，通過(guò)選擇信號(hào)類(lèi)型，F(xiàn)FT功率譜分析系統(tǒng)能夠

實(shí)現(xiàn)正弦，方波，三角波，鋸齒波信號(hào)的輸出，并對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行濾波處理后進(jìn)行FFT功率譜分析，在同一個(gè)波形圖控件中顯示分析結(jié)果。而且，可以選擇信號(hào)類(lèi)型、調(diào)節(jié)信號(hào)頻率、選擇濾波器類(lèi)型、窗函數(shù)類(lèi)型等。運(yùn)行時(shí)停止按鈕能夠使整個(gè)運(yùn)行著的程序停止。

圖5 三角波+正弦波輸出顯示

3 總結(jié)

虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向[6]。 本課題主要利用虛擬儀器技術(shù)LABVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了FFT功率譜分析系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的FFT功率譜分析系統(tǒng)不僅可以產(chǎn)生正弦波，方波，三角波，鋸齒波，而且通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕可以改變所選輸出波形的幅值和頻率，其具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，擺脫了傳統(tǒng)儀器獨(dú)立使用， 手動(dòng)操作的模式，解決了高性能的多功能信號(hào)發(fā)生器價(jià)格高的問(wèn)題，得到了廣泛的應(yīng)用[7]。