基于LabVIEW的信號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，信號發(fā)生器已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)測試和教學(xué)科研等領(lǐng)域，而傳統(tǒng)的信號發(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)計系統(tǒng)功能，采用模塊化設(shè)計思路，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功率譜分析對于信號的特點(diǎn)及頻域特性十分重要，本文設(shè)計了基于LabVIEW的信號FFT功率譜分析系統(tǒng)，首先產(chǎn)生兩種不同類型的波形，然后經(jīng)過濾波器濾波后通過FFT功率譜分析模塊對濾波后的信號進(jìn)行功率譜分析。

1 FFT功率譜分析系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 FFT功率譜分析系統(tǒng)的功能要求

所設(shè)計的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)生的波形通過濾波器進(jìn)行濾波，濾波器的類型及窗函數(shù)可以選擇。

(3) 將濾波以后的波形通過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、類型、窗函數(shù)的類型、濾波器的類型，并且可以方便調(diào)節(jié)。同時顯示產(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“停止”按鈕使整個運(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

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對象。 在前面板上具體顯示有信號類型的選擇、頻率調(diào)節(jié)滑桿、窗函數(shù)的類型、濾波器的類型等[2]。所設(shè)計的FFT功率譜分析系統(tǒng)前面板如圖1所示。

用戶可以通過鍵盤和鼠標(biāo)控制前面板上的開關(guān)和按鈕，通過選擇信號類型能夠?qū)崿F(xiàn)input1、input2的信號類型的選擇輸出，而且通過調(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波形圖顯示控件，用于顯示用戶通過設(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，濾波器處理以后的信號及功率譜波形，以便用戶方便直觀地看到所產(chǎn)生波形信號、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

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算機(jī)和外圍硬件設(shè)備。通用計算機(jī)可以是筆記本電腦、臺式機(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現(xiàn)是將波形數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)采集卡的緩沖區(qū)當(dāng)中，通過設(shè)置緩沖區(qū)的更新頻率(改變內(nèi)部的時鐘頻率)來實現(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。利用該模塊可實現(xiàn)正弦波、方波、鋸齒波、三角波等波形。產(chǎn)生原理是通過調(diào)用基本函數(shù)發(fā)生器來實現(xiàn)。每一個波形周期內(nèi)的點(diǎn)數(shù)可以通過采樣點(diǎn)數(shù)來設(shè)置，信號的幅值、頻率、相位、占空比等都可以設(shè)置，信號類型是通過枚舉數(shù)據(jù)類型進(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)通過創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)處理后在同一個波形圖中進(jìn)行顯示。濾波器的類型、窗函數(shù)的類型都可以在前面板上選擇，濾波后的兩路波形在一個波形圖顯示控件中進(jìn)行顯示，便于對比分析。濾波后的波形經(jīng)過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，對結(jié)果的影響最小。利用軟件產(chǎn)生波形的一個最大的優(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)功能測試

FFT功率譜分析系統(tǒng)功能測試主要包括以下幾個方面

(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)生的波形通過濾波器進(jìn)行濾波，濾波器的類型及窗函數(shù)可以選擇；

(3) 將濾波以后的波形通過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、類型、窗函數(shù)的類型、濾波器的類型，并且可以方便調(diào)節(jié)。同時顯示產(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“停止”按鈕使整個運(yùn)行著的程序停止。仿真測試結(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，通過選擇信號類型，F(xiàn)FT功率譜分析系統(tǒng)能夠

實現(xiàn)正弦，方波，三角波，鋸齒波信號的輸出，并對兩路信號進(jìn)行濾波處理后進(jìn)行FFT功率譜分析，在同一個波形圖控件中顯示分析結(jié)果。而且，可以選擇信號類型、調(diào)節(jié)信號頻率、選擇濾波器類型、窗函數(shù)類型等。運(yùn)行時停止按鈕能夠使整個運(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軟件開發(fā)平臺設(shè)計了FFT功率譜分析系統(tǒng)，所設(shè)計的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)計簡單，靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，擺脫了傳統(tǒng)儀器獨(dú)立使用， 手動操作的模式，解決了高性能的多功能信號發(fā)生器價格高的問題，得到了廣泛的應(yīng)用[7]。