基于LabV IEW的虚拟信号频谱分析仪设计

张 静

(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定 071003)

基于LabV IEW的虚拟信号频谱分析仪设计

张 静

(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定 071003)

设计了基于 LabV IEW的虚拟信号频谱分析仪,并成功地进行了运行检测.利用 N I公司的 PCI6251数据采集卡,虚拟信号分析仪能够分析信号频率小于 50 kHz,最大幅值小于 5 V的电压信号的频谱;采集到的波形通过相应的程序处理模块处理,能够得到波形的频率、幅值、平均值和均方根等信息;波形信号、信号参数信息及波形的频谱分析结果能够通过保存模块以报表的形式进行保存.实验证明,所设计的频谱分析仪分析结果正确,程序运行稳定.

虚拟仪器;频谱分析;数据采集

虚拟仪器实际上是一个按照用户自定义的需求来组织数据采集并通过软件设计来实现仪器全部功能的一种仪器.在数字信号处理理论、微电子技术、计算机技术迅速发展的支撑下,虚拟仪器得到了长足的发展,且广泛应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域,涵盖了从研发、测试、生产到服务的所有阶段[1].

LabV IEW是美国 N I公司推出的一种基于 G语言 (Graphics language,图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具,包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储等[2].本文介绍一种虚拟信号频谱分析仪的软件设计方法,以 LabV IEW8.6作为开发平台,配合利用 N I公司的 PCI6251数据采集卡,实现信号采集、显示和频谱分析功能.

1 频谱分析仪器功能

频谱分析是将信号强度按频率顺序展开,使其成为频率的函数.本文介绍的信号分析仪的主要功能包括:

1)对输入的波形信号进行采样,将采集的波形信号在前面板显示;

2)对采集的波形信号进行分析,显示信号的幅度、频率、均值、最大值、最小值及均方根;

3)对采集的波形信号进行频谱分析,在前面板显示信号的频率 -幅度波形;

4)通过点击前面板的保存按钮以报表的形式保存该时刻的波形信号、波形参数以及频谱分析结果.

2 前面板设计

LabV IEW程序由 2个部分组成:前面板程序和框图程序.整个程序基于多线程设计,即前面板和系统程序各占用一个线程.使用采集卡的模拟电压输入通道采集信号波形,通过 LabV IEW的图形用户界面来模拟频谱分析仪的操作面板,利用信号处理程序对信号波形进行分析.

前面板用于设置输入参数、观察信号及信号分析结果,模拟真实的频谱分析仪面板.由于虚拟面板直接面向用户,是控制软件的核心,因此设计这部分时,主要考虑界面美观、操作简洁,用户能通过面板上的各种按钮、开关来控制频谱分析仪工作.

虚拟频谱分析仪的前面板如图 1所示,设计前面板时充分利用 LabV IEW软件的优点,建立了友好的人机交互界面.使用过程中,用户可同时观察信号的时域波形、单频信号的波形参数和频谱分析结果.

图1 虚拟频谱分析仪前面板

3 软件程序设计

基于虚拟仪器的频谱分析仪程序设计主要包括 3个模块:信号采集与处理、信号的频谱分析、信号及信号频谱分析结果保存.

3.1 信号采集与处理数据采集模块利用 N I公司的 PCI6251数据采集卡进行数据采集,频谱分析仪的最大输入信号频率为 50 kHz,最大输入电压幅值为 5 V.利用 N I-DAQmx作为驱动软件,部分信号采集程序如图 2所示.信号采集类型选择电压,物理通道选择 1通道;采样模式为连续采样,通过外加 while循环来实现;采样频率通过读取前面板的时基参数进行换算;PCI6251属于M系列数据采集卡,信号采集的触发方式采用模拟边沿触发,利用模拟输入通道的信号本身作为触发源.

图2 信号采集程序

利用信号处理程序[3]对信号进行处理,主要是提取输入信号的单频信息,当只有单频信号输入时,在参数显示窗口显示输入波形信号的频率、最大值、最小值、幅度、均值等.当输入的信号包含多个频率时,参数显示窗口显示幅值最大信号的频率和幅值等信息.提取信号参数信息函数如图 3所示.

3.2 信号的频谱分析信号的频谱分析利用LabV IE W提供的 FFT(Fast Fourier Transfor m)频谱分析函数完成,如图 4所示.FFT即快速傅立叶变换[4],用来计算时间信号的平均 FFT频谱,幅度和相位返回 FFT值.

图3 波形参数提取函数

图4 频谱分析函数

3.3 信号及信号频谱分析结果保存信号及信号频谱分析结果的保存是通过前面板的保存按钮来实现.点击保存按钮时波形信号、信号的参数及频谱分析结果将以图片的形式进行保存,保存的结果如图 5所示.每次保存时要同时提取本地时间进行保存,以方便进行查询.信号及信号频谱分析结果的存储程序如图 6所示,利用报表生成V I中的报表生成函数,完成报表的生成,以图像的形式存储频谱分析仪前面板的图像和参数信息.

图5 保存结果

图6 存储程序

4 虚拟频谱分析仪的检测结果

信号分析仪设计完成后,需要进行性能检验,实验检测过程中利用 2台信号发生器分别产生测试信号,第 1组为频率 500 Hz与 1 000 Hz、幅值 2.5 V和 1 V的正弦波信号,第 2组为频率 500 Hz、幅值 2.5 V的正弦波信号及频率 1 000 Hz、幅值 1 V的方波信号,将 2组信号同时连接到数据采集卡的模拟信号输入端,频谱分析仪的显示结果如图 7所示.

图7 频谱分析检测结果

实验结果表明,频谱分析结果及波形参数显示正确,程序运行稳定可靠.

5 结束语

虚拟仪器是在计算机的支持下的数据采集硬件,通过软件设计来实现仪器的全部功能,性能上更具有灵活性,是现代测试系统的发展趋势,利用本文设计的虚拟频谱分析仪可以方便、快捷地实现信号的频谱分析,并完成分析结果的保存.如果换成高速率的数据采集卡,频谱分析仪将能分析更高的信号频率.随着计算机和微电子技术的发展,虚拟仪器技术在实践中将会越来越受到重视.

[1]武一,杨瑞霞,时惠玲.虚拟信号测量仪的设计与开发[J].电子测量技术,2008,31(3):55-57.

[2]张宏群.基于LabV IEW的虚拟信号分析仪的设计[J].仪器仪表用户,2007,14(5):124-125.

[3]龙华伟,顾永刚.LabV IEW8.2与 DAQ数据采集[M].北京:清华大学出版社,2008.

[4]胡广书.数字信号处理—理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版社,2002.

Design of Virtual Signal Spectrum Analyzer Based on LabVIE W

ZHANG Jing

(Department of Electronics and Communication Engineering,North China Electric PowerUniversity,Baoding 071003,China)

In our report,the virtual signal spectrum analyzer based on LabV IEW was designed,and the testwas perfor med successfully.Amplitude signal frequencywhich is less than 50 kHz and voltage which is lower than 5 V could be analyzed by the virtual spectrum analyzer.Waveforms collected were processed by the corresponding program module,and the waveform frequency,amplitude,mean,RMS and other infor mation could be obtained.Wavefor m signal,the signal parameter infor mation and the wavefor m of the spectrum analysis module could be saved in the form of statements.The results showed that the analysis data with the spectrum analyzer is correct,and the program runs s mooth.

virtual instruments;spectrum analysis;data collection

TP 311 < class="emphasis_bold">文献标志码:A

A

1004-1729(2011)02-0162-04

2010-10-26

张静 (1981-),女,河北保定人,华北电力大学电子与通信工程系助理工程师.