基于LabVIEW的虚拟频谱仪的设计与实现毕业论文
科毕业论（设计） 题 目 基LbV虚拟频谱仪设计与实现 指导老师 职称 学生姓名 学 专 业 班 级 院 (系) 完成 基LbV虚拟频谱仪设计与实现 摘 要 LbV是种有效运用虚拟仪器设计技术进行虚拟仪器开发计算机应用软件设计是计算机平台上把虚拟仪器技术、信与系统分析和LbV软件等相结合而设计出虚拟频谱仪其主要目是对信进行频谱分析。
用LbV软件身产生仿真信模块发出信并通LbV软件其他模块实现信采集、滤波、傅里叶变换和频谱分析。
利用LbV软件设计虚拟仪器可以利用其图形化编程语言灵活编程思维设计出不功能虚拟仪器。
工业生产虚拟仪器应用信和数据测量及控制提供了方便它可以代替些传统测量仪器实现对信分析与处理功能这种情况下对节约成、提高效率要极高社会说虚拟仪器发展人们带了很社会效益。
关键词LbV；虚拟仪器；信生成；信采集；信分析 g l Vrl r r B LBV BR LbV k v g vrl r g lg r vrl r vl r l r, g lr r, bg vrl r lg, gl l LbV r g vrl rq r r, r r l r gl g LbV l r l gl r l, rg LbV r v gl q, lrg, rr rr r l g LbV r g vrl r, l grl rgrg lgg, lxbl rgr kg, g r vrl r rl r, l vrl r r gl r rl rv v, rl rl rg r v gl l rg, , vg rvg rr rqr , vl vrl r r l r ll brg gr l b l KR LbV ;Vrl r;gl gr;gl l 目 录 摘 要 BR 绪论 研究背景 虚拟仪器特及发展 3 设计结构 虚拟仪器及LbV软件介绍 虚拟仪器简介 虚拟仪器构成 5 3 LbV简介 5 3 虚拟频谱仪功能介绍 8 3 虚拟频谱仪工作原理 8 3 虚拟频谱仪设计 8 基LbV虚拟频谱仪设计与实现 3 虚拟频谱仪整体设计 3 软件部分设计 3 3 仿真信频率分析 7 结论 0 参考献 绪 论 研究背景 随着科学发展人们对电子科技也越越高特别研发生产人们要对各种产品功能要有足够了才能得到灵活运用尤其产品调试阶段人们往往要借助些仪器工具对产品进行测量控制工控、消费电子、智能电生产程我们往往要用仪器助我们完成产品设计甚至要专门测试仪器。
例如我们常见示波器、滤波器、频谱仪、模拟信发生器等都可以助我们实掌握被测控对象运行信息但他们都是传统仪器传统仪器往往会受到功能单、价格昂贵限制所以市场上这类电子产品并不高人们要种成低功能强仪器代替传统仪器所以虚拟仪器技术就这背景下被发展起了。
虚拟仪器是通LbV软件(可安装计算机上应用软件)开发平台将计算机硬件与传统电子仪器仪表设计理念整合起计算机硬件平台支持下通软件实现信产生、分析和处理并能软件窗口显示结达到方便人们测试产品、实掌握被控对象效。
虚拟仪器出现开辟了仪器测量技术新理念虚拟频谱仪设计就是这理念下产生它可以替代传统虚拟频谱仪器实现信测量频谱分析处理和输出显示结等功能降低了生产成人们实掌握信变化提供了方便。
虚拟仪器特及发展 虚拟仪器特 虚拟仪器是利用计算机软硬件平台和应用软件兼容性[]通软件编程实现信或者数据采集及处理。
虚拟仪器是LbV软件窗口采用可视化编程语言和控制用软件窗口控制面板取代传统控制面板仪器仪表。
软件窗口控制面板上不仅设置了传统仪器控制面板相似按键、旋钮等控件而且还具有类似我们语言r循环、l循环、条件选择等编程语言结构控件。
操作用户可通鼠标或者键盘操作软件窗口完成用户想要虚拟仪器软件设计。
虚拟仪器相比传统仪器优势 虚拟仪器相比与传统仪器还有如下几方面优势 ,与传统仪器功能是由生产厂定义而受限生产厂相比虚拟仪器功能是用户己定义。
, 虚拟仪器技术关键软件编程多样性和合理性受硬件局限性很因虚拟仪器可以方便与其他设备建立连接还可以通络进行多用户信息共享。
3, 虚拟仪器可以直接对数据进行编辑利用计算机足够数据存取容量把数据通计算机总线传输给存储器或者打印机能够对数据进行实传输和存储。
, 具有完美仪器控制模块虚拟仪器具有很灵活性可以使用多种方法显示并进行数据采集控制程分析。
5,虚拟仪器是基软件开发仪器测试技术设备材利用率低降低了开发及维护成。
3 虚拟仪器发展 虚拟仪器和相对传统仪器而体现优不仅促进了虚拟仪器发展也充分发挥了计算机操作系统兼容性和数据处理能力用软件使其发挥更多功能作用推进仪器测量技术飞速发展。
不论是国还是国外虚拟仪器便捷性和灵活性受到了工程师们欢迎这种背景下虚拟仪器正朝着高速、高效、高可靠性和高精方向发展。
3 设计结构 设计核心任是利用LbV软件设计虚拟频谱仪实现测试信产生、采集、滤波、傅里叶变换和频谱分析。
设计首先介绍了虚拟仪器研究背景和应用然介绍了虚拟仪器特、优势和发展情况；节详细介绍了虚拟仪器概念和LbV软件应用介绍；3节介绍了次毕业设计虚拟频谱仪功能原理和功能分析方法；节介绍了虚拟频谱仪设计生成程及具体步骤；并结论整编论做了总结。
虚拟仪器及LbV软件介绍 虚拟仪器简介 传统仪器主要由控制面板信输入和输出端口和显示屏等几部分组成。
操作面板有开关、旋钮、刻值、选择按键等。
检测结般会通数、图形显示屏幕上也可以通打印输出。
由传统仪器软件和硬件电子电路都固化仪器实现控制功能功能单用户灵活程低并且传统仪器功能更新慢开发成高随着技术提高人们就又发明了智能化仪器但是智能化仪器仍然没有摆脱单功能限制。
由这些原因传统仪器仪表已难以满足人们开发人员要这问题就希望只是必要硬件支持下可以通软件做成测试仪器是就产生了虚拟仪器设计理念。
虚拟仪器就是由用户己定义虚拟仪器功能相当套专门用户定制仪器。
人们利用虚拟仪器设计软件计算机上运行也就是操作台具有特定作用测量控制仪表仪器。
表传统仪器与虚拟仪器比较览表见下页。
表 传统仪器与虚拟仪器比较 传统仪器 虚拟仪器 硬件是关键 软件是关键 仪器功能出厂即固定 仪器功能用户可定义 系统是封闭与其他设备连 接有局限性 开放系统可方便络 设备及外设连接 价格昂贵功能单 价格低功能多 技术更新速慢 技术更新速快 开发和维护成高 开发和维护成低 多专业实验室拥有 人实验室 虚拟仪器构成 虚拟仪器包括硬件(计算机硬件接口设备)和软件(设备驱动软件和虚拟控制面板)两部分组成。
硬件是虚拟仪器软件基础。
应用软件则是虚拟仪器核心容软件里面包含丰富函数库和功能模块通不功能模块组合成具有不功能仪器以实现不测量和控制功能。
虚拟仪器软件具有相对直观化用户应用程序和接近底层驱动设备驱动程序两部分。
如图所示设备驱动程序是连接应用程序与底层设备基础。
通接口实现设备驱动程序和开发环境连接从而实现硬件设备控制。
图 虚拟软件体系结构 3 LbV 简介 3 LbV知识简介 LbV(Lbrr Vrl r grg rkb)是由美国国仪器（）公司编写开发。
它与Vl B语言、语言、v语言等编程风格不者是运用语言编写程序代码而LbV则是运用图形化编程语言编写,它是用图形控件代替了程序代码。
其功能还包含语言里子函数调用而且这种函数嵌套不受限制[]。
LbV软件版所提供图形控件研究开发人员用部分是致[3]这使得编程语言更加具有可性如下图所示LbV初始界面 图 LbV初始界面 3 LbV基程序构成 LbV核心是V。
LbV包括两面板[]是前面板另是程序面板。
前面板窗口(如图3)是图形用户界面它是LbV虚拟仪器面板相当传统仪器控制面板及显示屏幕它有效将程序和用户系起是程序运行输入和输出信息窗口。
如图所示图可以看到菜单栏软件呈现各种功能、程序运行停止功能以及用户输入和输出显示功能等。
图3 LbV前面板 程序框图窗口(如图)提供了图形化程序语言相当传统仪器硬件固化程序程序框图程序员不仅要能够控制和操作前面板上各控件功能而且还要用图形化语言编写程序代码。
如图5所示程序框图除了能显示前面板上控件外(二者图标不义相)还可以显示前面板上各控件端子并把各端子连接起。
程序框图各控件接口连线即数据 图 LbV程序面板 线或者数据流。
LbV编程语言和程序语言不它是根据数据线上信息运行程序只有当控件所要输入数据完全被控件接受到程序才能运行然控件处理数据待处理完成向其所有输出端口输出相应信息数据这些数据再沿数据线流向其他控件或者功能模块进行数据或者信处理分析。
3 虚拟频谱仪功能介绍 3 虚拟频谱仪工作原理 虚拟频谱仪主要有LbV软件设计控制完成信生成、采集、波形滤波处理和幅值频谱显示等功能。
其设计思路流程图如下图3所示 图3 设计流程图 虚拟频谱仪设计包括程序前面板设计和程序框图设计。
前面板提供了信生成模块可以通其属性容选择输入仿真信[5]例如方波信正弦波信三角波信等类似选择还有滤波器选择而且前面板可以对信频率和幅值进行调节。
并且前面板上可以显示输入原始波形通滤波模块滤波波形以及进行信分析处理结显示等。
虚拟频谱仪主要功能有()信生成类型选择控制；()动态显示选择控制信波形；（3）调节信频率和幅值；（）测量显示信处理幅值谱和频率谱。
依照图3设计流程图和虚拟仪器软件LbV开发平台设计虚拟频谱仪利用该软件前面板和程序框图上各控件功能以及该软件支持函数库通其仿真信生成模块产生信从而实现信采集、分析和处理从而实现虚拟频谱仪功能。
3 虚拟频谱仪设计 3信频谱分析知识简介 进行虚拟频谱仪设计前首先要掌握信理论知识如信域分析、频域分析、频谱分析、傅里叶变换等。
域是表示信[6]与变化关系。
频域是用坐标系表示信频率特性。
对任何事物描述都要从多方面进行描述才能把该事物与其他事物区分开。
例如眼前有台电脑我们可以描述它多方面特征如品牌、型性价比价格等。
理对信我们也要研究它多方面特性。
比如信域特性和域分析以及频域特性和频域分析。
域分析是指信随变化而变化分析频域分析是指坐标上显示信频率变化。
图3是因受到噪声干扰含有多频率周期分量信波形虽然从波形上看不出其有什么特但是从图33功率谱上却可以识别出该信包含有四周期分量信频谱可以更清楚表示不频率下信特性和变化[7]。
图3 受噪声干扰多频率周期信波形 图33 受噪声干扰多频率周期信功率谱 事物是按先顺序发展所以测试产品功能通常是变化检测域分析就是通这研究信变化。
频谱分析主要用分析信周期频谱分量它变化可以助我们理不期信分量波形特征。
3 信频谱分析方法 工作我们用频谱分析仪分析信频谱频谱仪有模拟式和数式[8]两种工作模式。
模拟式频谱仪是模拟滤波器基础上从信选出不频率分量；数式频谱仪是数滤波器和傅立叶变换基础上实现对信频谱分析并采用傅立叶变换将域信x()变换频域信X()助人们了信特征。
傅立叶变换用信频谱分析[9][0]重要工具域信x（）傅立叶变换 (3) 式频率X()域信表示X()频域信表示[]。
33 周期信频谱分析 周期信是定规律下会重新出现信满足条件 (3)。
很多周期函数信都可以展开成正交函数线性组合成无穷级数如正交函数集是三角函数集或者指数函数集,则可把它展开成傅立叶级数般表达式 （33） 直流分量幅值 （3） 各余弦分量幅值 （35） 各正弦分量幅值 （36） 周期信三角函数展开式另种形式 （37） 直流分量幅值 （38） 各频率分量幅值 （39） 各频率分量相位 （30） 式—周期；基波圆频率；0—基波频率；。
傅立叶级数复指数展开式 （3） （3） 其；。
该项目将习惯图形表示如图你可以得到振幅谱和频率谱和被称实部和虚部频谱。
周期信频谱具有三特 、周期信频谱是离散由系列冲击函数组成离散频谱。
、每条谱线只会出现基波频率谐波频率处。
3、各频率分量谱线高表示该谐波分量幅值或相位角。
3 快速傅里叶变换（） 快速傅里叶变换是(离散傅里叶变换)算法基础上进行改进可用它减少计算次数缩短计算获得新算法简称。
信采样数是幂次方就可以采用这种算法。
LbV还提供了图标可供用户直接使用进行频谱分析。
问题如何选取采样隔及取多少采样截取长以保证频谱分析精。
栅栏效应概念 无限长信频谱是连续当我们分析它频谱计算机它必须被截断并使它成有限长信。
信被有限截取就化周期信频率也由原连续谱成离散谱。
是处离散谱信频谱就被丢用这种方法只能算出信连续频谱抽样处值而漏些频谱所以它不能完全代表频谱分布像栅栏样所以把这种现象称栅栏效应。
基LbV虚拟频谱仪设计与实现 虚拟频谱仪整体设计 虚拟频谱仪主要由虚拟仪器设计软件LbV程序前面板和程序框图组成。
它可以对仿真信模块生成信进行域分析和频谱分析通计算机软件模块和数据处理以把结显示前面板上。
虚拟频谱仪功能是由用户己定义当我们要想让它实现更多功能可以随添加和修改它以满足我们。
前面板是面向用户对象虚拟控制面板设计是用设置输入数值、控制信和观察输出数值及输出波形控制端该控制面板上用户可以通各种按钮、开关、旋钮等控制虚拟频谱仪工作例如选项卡选择控件、信各参数设定数值控件、滤波器设置控件、结显示控件等。
图就是设计虚拟频谱仪前面板从前面板上可看出频谱仪有如下功能 、仿真信生成选择功能。
用户可以通该模块设置所要输入仿真信例如加噪声正弦波、方波、三角波等。
前面板放置有波形显示控件击窗口左上角“运行”按钮和前面板开关按钮即可显示出滤波前信波形变化、幅值谱图形显示和功率谱图形显示等。
且可对信幅值峰值、功率峰值进行数显示。
3、滤波器选择功能。
外还可主对滤波器采样频率进行调整。
由这些设计功能引用是种控件模块所以设置这样模块控制仿真信幅值和频率滤波器采样频率。
这样就可以直接改变仿真信频率、幅值等以方便适应不情况我们还可以直接改变滤波器幅值、采样频率实现不情况下各种滤波波形从而使波形不受仿真信频率限制。
这样就可以通改变滤波器波形、采样频率和类型实现不滤波效。
图 虚拟频谱分析仪前面板 5显示滤波器滤波波形高低电平和幅值。
观察信电压变化。
以上这些功能就是虚拟频谱仪设计能实现所有功能将这些功能集合起就组成了次虚拟频谱仪前面板将这些功能模块合理放置以如图所示显示模块左边共有二控制输入参数控件。
通信参数设定还可以设定仿真信频率和幅值。
滤波器模块可以输入设定滤波器采样频率、幅值、周期和滤波类型。
右边有六数值显示模块可以分别显示滤波波形峰峰值正峰值和反峰值以及波形电平值功率谱和幅值谱也添加了功率谱峰值显示模块可以直接看出波形功率谱和幅值谱。
打开LBV设计软件程序框图窗口进入程序框图设计界面由我们已完成了前面板设计所以程序框图会显示程序前面板已选择控件但是它们图标是不所以要区分。
根据设计虚拟频谱仪功能事先想我们要用到那些控件并表示出利用LBV这些功能控件由虚拟频谱分析仪前面板各控件作用与系程序框图设计窗口合理放置各程序要控件模块用鼠标可以直接将他们相关控件连接起以实现虚拟频谱仪功能。
该程序框图包括仿真信生成模块、滤波器设计、波形频谱分析模块数据流编辑主要是对端口图标连接用连线工具进行连接如端口无法建立连接关系说明相连数据类型不匹配仔细检数据重新建立连接。
设计用到了条件结构这和语言条件结构类似[]它程序框图如图所示。
图 程序框图 仿真信生成模块 LbV函数库有丰富仿真信如方波、正弦波、三角波等。
也可利用声卡采集到声音进行信处理分析。
仿真信生成程序框图如图3所示。
设计程包含了仿真信生成模块该模块有正弦+匀白噪声、方波、三角波。
如想得到其它噪声波形则可以设计程序框图对其属性进行更改即可以得到想要波形课题添加是匀白噪声。
也可以对采样率进行设置从而满足采样定理。
图3 仿真信生成程序框图 滤波器设计 滤波器是由电容、电感和电阻组成种对信具有处理功能器件或者电路它主要作用是让用户要信尽可能无衰减通并能通数据线传输出而对无用信则要尽可能衰减而达到不影响其他信效。
滤波器实质上就是允许特定频率信通而阻断其他频率信选频电路设计可以应用它这种特性[3]处理其他各种干扰信干扰。
前面板可以选择不滤波器观察到不滤波效。
低通滤波器程序框图如图所示 图 低通滤波器程序框图 低通滤波器是指滤波器以增加低频信成分目允许低截止频率信通而阻断高截止频率信通。
如下图5所示是设计提供选择滤波器低通滤波器滤波效图它展示是仿真信方波信波形通滤波滤波效图。
其左图是加匀白噪声方波右图是低通滤波器滤波信波形。
通滤波效图形可以看出滤波以噪声毛刺明显减少并且原始测试信失真减。
滤波达到了理想效。
图5 滤波程序框图 滤波波形相关参数也可以直观通波形分析模块和数值显示控件显示出如图6显示波形峰峰值、周期、正峰值和反峰值这里用到了幅值显示控件和数显示控件。
样我们还可以显示波形电平这里电平显示用到了电平显示模块和数组显示模块因我们可以多次对波形进行测量所以用到是数组显示模块如图7所示。
图6 波形峰值显示模块 图7 电平显示模块 图8 波形功率谱和幅值谱显示模块这里用到了选项卡前面板可以切换显示波形幅值谱和频率谱这里选项卡可以不用数据线连接要显示波形幅值谱和功率谱用到了相对应功率谱分析模块和幅值谱分析模块他们和波形图连接即可显示相应频谱。
图8 幅值谱和功率谱显示模块 3仿真信频谱分析 现以仿真信方波例简要说明分析信频谱分析[]。
输入仿真信是加匀白噪声方波滤波滤波效如图9所示可以看到滤波效理想。
由方波傅立叶变换知识可知方波各频率幅值和分布幅值图所示主频率幅值面各频率成分幅值分界清晰得到幅值谱结基正确。
得到功率谱如图0所示可以看到主频功率结与理想结基致。
图9 方波信滤波波形 图0 方波信功率谱 图 方波信幅值谱 结 论 这次毕业设计我做任就是我要先想设计思路只有思路想了着手做候才不会慌乱。
要做成次毕业设计我首先要对虚拟仪器有较深刻理虚拟仪器核心思想、背景和发展都是要知道其次是我做毕业设计所要用到知识比如上面有很多控件是要我有些硬件基础还有里面编程思维和其他语言有相似处把这些结合起我就可以做虚拟频谱仪了做虚拟频谱仪首先要做是软件功能实现软件功能实现程还出现了些问题比如波形参数控制不合理有些控件用方法不对考虑问题不周到等等这些都我和分析程序框图情况下逐步了软件功能初步实现以我所要做就是写毕业论了我写毕业论程结合所学知识尽量把论写得合理规并且也加深了我对这次毕业设计认识也可以再次完善我软件设计从而让整毕业设计更加完美。
虚拟频谱仪设计完成调试使用所有控件和所设计功能都能正常运行合使用要。
要指出是信是用LbV仿真信模块设置以产生。
虚拟频谱仪具有功能有波形显示、滤波功能、加窗修复泄露功能、结输出幅值谱、功率谱等。
由虚拟频谱仪设计程可以看出基LbV虚拟频谱仪开发设计是很直观用户可以通己调用软件不功能模块组建己想要仪器这对使用者尤其是人使用是非常方便。
我们可以针对不工作目设计出不档次虚拟仪器我们己或者己工作可分别对设计软件驱动程序、虚拟面板、信期处理、结显示等进行设计信期处理程序还可以设计成独立功能模块能够对采样信进行实再现和线性分析既满足人要又提高了工作效率节约了生产成。
完成虚拟频谱仪设计所用到编程软件LbV是种虚拟仪器软件开发工具。
基LbV虚拟频谱仪它不仅完成了对仿真信生成控制而且还对信进行了频域分析和域分析。
虚拟仪器频谱仪界面容易控制操作方便还降低了成方便用户修改与保存。
总虚拟仪器发展改变了传统测量控制仪器观念使用者通鼠标、键盘不仅可以设计虚拟仪器还可以操控虚拟仪器实现功能。
这就对信测量和控制技术提供了良设计理念和发展机会只要运用LbV简单软件开发环境即可实现虚拟仪器开发充分展示了“软件即仪器”新概念。
由可利用计算机操作系统功能和编程软件编程功能实现信数据采集、分析和处理等相关技术使得由LbV组成软件测试系统工业生产具备了广泛实用价值。
参考献 [] 袁渊古军虚拟仪器基础教程[]西安电子科技学出版社00 [] l r rr LbV r’ l998,8 [3] 刘君华虚拟仪器图形化编程语言LbV教程西安西安电子科技学出版社00 []侯国屏王坤LbV7编程与虚拟仪器设计[]北京清华学出版社005 [5] 黄松岭虚拟仪器基础教程清华学出版社0087 [6] 余成波陶红艳信与系统（二版）清华学出版社0076 [7] 康华光模拟电子技术基础（四版）[]高等教育出版社 006 [8] 李玮基频数化虚拟射频频谱分析仪设计与开发[硕士学位论]武汉理工学 3 [9] 丁玉美高西全数信处理西安西安电子科技学出版社00 [0] K Vrl r lzr g l, g, , g g [] 徐天成钱冬宁张胜付信与系统哈尔滨哈尔滨工程学出版社000 [] 谭浩强程序设计（三版）清华学出版社 0057 [3] 张重雄虚拟仪器技术分析与设计[]电子工业出版社0070 [] 陈行禄秦永元。
信分析与处理北京航空航天学出版社993 致谢 整毕业设计程我要感谢我导师给我细心指导她我毕业设计思路和论上提供了些指导和建议这些对我助很让我受益匪浅还避免了些不必要错误另外我还要感谢助我学们我设计软件程序和写论候他们旁边给我些指和建议让我少走很多弯路提高了我完成效率。
实践出真知这次毕业设计程我学会了把理论与实践相结合把理论知识与实践结合起多动手亲做实用东西将会把所学知识掌握更灵活这样对知识理就不会仅仅停留理论层面上了只有动手做才能把把知识学以致用。