基于LabVIEW的虛擬頻譜儀的設計與實現(xiàn)

1、摘 要LabVIEW是一種有效的運用虛擬儀器設計技術來進行虛擬儀器開發(fā)的計算機應用軟件，本設計是在計算機的平臺上，把虛擬儀器技術、信號與系統(tǒng)分析和LabVIEW軟件等相結合而設計出的虛擬頻譜儀，其主要目的是對信號進行頻譜分析。用LabVIEW軟件自身產生的仿真信號模塊發(fā)出信號，并通過LabVIEW軟件內的其他模塊來實現(xiàn)信號的采集、濾波、傅里葉變換和頻譜分析。利用LabVIEW軟件來設計虛擬儀器，可以利用其圖形化的編程語言，靈活的編程思維，設計出不同功能的虛擬儀器。在工業(yè)生產中，虛擬儀器的應用為信號和數(shù)據的測量及控制提供了方便，它可以代替一些傳統(tǒng)的測量儀器來實現(xiàn)對信號的分析與處理功能，在這種情況

2、下，對節(jié)約成本、提高資源效率要求極高的社會來說，虛擬儀器的發(fā)展為人們帶來了很大社會效益。關鍵詞：LabVIEW；虛擬儀器；信號生成；信號采集；信號分析The design and implementation of Virtual Spectrum Instrument Based on LABVIEW ABSTRACTLabVIEW is a kind of effective using virtual instrument design technology for virtual instrument developed of computer application software

3、, this design is in the platform of computer, combining with virtual instrument technology, signal and system analysis and the LabVIEW software to design a virtual frequency spectrum instrument, its main purpose is the spectrum analysis for the signal . Using the LabVIEW application software module

4、sends a signal to the other modules, and through the LabVIEW software achieve the signal acquisition, filtering, Fourier transform and spectrum analysis. Using LabVIEW software to design the virtual instrument, you can also use the graphical programming language, the flexible program thinking, to de

5、sign the different function of virtual instrument. In industrial production, the application of virtual instrument for the signal and the data of measurement and control provide a convenient, it can replace some traditional measuring instruments to achieve the function of signal analysis and process

6、ing, in this case, saving the costs and improving the efficiency of resource requirement to the society, the development of the virtual instrument for the people are all bring great social benefit to people.KEYWORDS LabVIEW ;Virtual Instrument;signal generated;signal analysis目 錄摘 要IIABSTRACTIII1 緒論I

7、II1.1 研究背景11.2 虛擬儀器的特點及發(fā)展11.3 本設計的結構22 虛擬儀器及LabVIEW軟件介紹42.1 虛擬儀器的簡介42.2 虛擬儀器的構成52.3 LabVIEW簡介53 虛擬頻譜儀的功能介紹83.1 虛擬頻譜儀的工作原理83.2 虛擬頻譜儀的設計84 基于LabVIEW的虛擬頻譜儀的設計與實現(xiàn)134.1 虛擬頻譜儀的整體設計134.2 軟件部分設計134.3 仿真信號的頻率分析 17結論20參考文獻221 緒 論1.1 研究背景隨著科學的發(fā)展，人們對電子科技的需求也越來越高，特別在研發(fā)生產中，人們要對各種產品的功能要有足夠的了解才能得到靈活運用，尤其在產品的調試階段，人們

8、往往需要借助一些儀器工具來對產品進行測量控制，在工控、消費電子、智能家電的生產過程中，我們往往需要用儀器來幫助我們來完成產品的設計，甚至需要專門的測試儀器。例如我們常見的示波器、濾波器、頻譜儀、模擬信號發(fā)生器等都可以幫助我們實時的掌握被測控對象的運行信息，但他們都是傳統(tǒng)的儀器，傳統(tǒng)儀器往往會受到功能單一、價格昂貴的限制，所以市場上這類電子產品的需求并不高，人們需要一種成本低，功能強的儀器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，所以虛擬儀器技術就在這個背景下被發(fā)展起來了。虛擬儀器是通過LabVIEW軟件(可安裝在計算機上的應用軟件)開發(fā)平臺將計算機的硬件資源與傳統(tǒng)電子儀器儀表的設計理念整合起來，在計算機硬件平臺的支持下

9、，通過軟件來實現(xiàn)信號的產生、分析和處理，并能在軟件窗口內顯示結果，達到方便人們測試產品、實時掌握被控對象的效果。虛擬儀器的出現(xiàn)開辟了儀器測量技術的新理念，虛擬頻譜儀的設計就是在這個理念下產生的，它可以替代傳統(tǒng)的虛擬頻譜儀器來實現(xiàn)信號的測量，頻譜分析處理和輸出顯示結果等功能，大大降低了生產成本，為人們實時掌握信號變化提供了方便。1.2 虛擬儀器的特點及發(fā)展1.2.1 虛擬儀器的特點虛擬儀器是利用計算機的軟硬件資源平臺和應用軟件的兼容性1，通過軟件編程來實現(xiàn)信號或者數(shù)據的采集及處理。虛擬儀器是在LabVIEW的軟件窗口內，采用可視化編程語言和控制，用軟件窗口的控制面板來取代傳統(tǒng)的控制面板的儀器儀表

10、。軟件窗口控制面板上不僅設置了傳統(tǒng)儀器控制面板相似的按鍵、旋鈕等控件，而且還具有類似于我們C語言中的for循環(huán)、while循環(huán)、條件選擇等編程語言結構控件。在操作時，用戶可通過鼠標或者鍵盤來操作軟件窗口，來完成用戶想要的虛擬儀器軟件設計。1.2.2 虛擬儀器相比于傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢虛擬儀器相比與傳統(tǒng)儀器還有如下幾個方面的優(yōu)勢：1,與傳統(tǒng)儀器的功能是由生產廠家定義而受限于生產廠家相比虛擬儀器的功能是用戶自己來定義的。2, 虛擬儀器技術關鍵在于軟件編程的多樣性和合理性，受硬件的局限性很小，因此虛擬儀器可以方便的與其他設備建立連接，還可以通過網絡進行多個用戶的信息共享。3, 虛擬儀器可以直接對數(shù)據進行編

11、輯，利用計算機足夠的數(shù)據存取容量把數(shù)據通過計算機總線傳輸給存儲器或者打印機，能夠對數(shù)據進行實時傳輸和存儲。4, 具有一個完美的儀器控制模塊的虛擬儀器，具有很大的靈活性，可以使用多種方法顯示，并進行數(shù)據采集，控制過程分析。5,虛擬儀器是基于軟件開發(fā)的儀器測試技術，設備材料利用率低，降低了開發(fā)及維護的成本。1.2.3 虛擬儀器的發(fā)展虛擬儀器和相對于傳統(tǒng)儀器而體現(xiàn)的優(yōu)點不僅促進了虛擬儀器的發(fā)展，同時也充分發(fā)揮了計算機操作系統(tǒng)的兼容性和數(shù)據處理能力，用軟件使其發(fā)揮更多功能的作用，推進儀器測量技術的的飛速發(fā)展。不論是在國內還是國外，虛擬儀器的便捷性和靈活性受到了工程師們的歡迎，在這種大背景下，虛擬儀器正

12、朝著高速、高效、高可靠性和高精度的方向發(fā)展。1.3 本設計的結構本設計的核心任務是利用LabVIEW軟件來設計虛擬頻譜儀，來實現(xiàn)測試信號的產生、采集、濾波、傅里葉變換和頻譜分析。本設計首先介紹了虛擬儀器的研究背景和應用，然后介紹了虛擬儀器的特點、優(yōu)勢和發(fā)展情況；本文第2節(jié)詳細介紹了虛擬儀器的概念和LabVIEW軟件的應用介紹；第3節(jié)介紹了本次畢業(yè)設計虛擬頻譜儀的功能原理和功能分析方法；第4節(jié)介紹了虛擬頻譜儀的設計生成過程及具體步驟；并在結論中為整編論文做了總結。2 虛擬儀器及LabVIEW軟件介紹2.1 虛擬儀器的簡介傳統(tǒng)的儀器主要由控制面板，信號的輸入和輸出端口和顯示屏等幾個部分組成。操作面

13、板有開關、旋鈕、刻度值、選擇按鍵等。檢測結果一般會通過數(shù)字、圖形顯示在屏幕上，也可以通過打印輸出。由于傳統(tǒng)儀器的軟件和硬件電子電路都固化在儀器實現(xiàn)控制功能，功能單一，用戶的靈活程度低，并且傳統(tǒng)儀器的功能更新慢，開發(fā)成本高，隨著技術的提高，人們就又發(fā)明了智能化的儀器，但是智能化儀器仍然沒有擺脫單一功能的限制。由于這些原因，傳統(tǒng)儀器儀表已經難以滿足人們的需求，開發(fā)人員要解決這個問題，就希望只是在必要的硬件支持下，可以通過軟件來做成測試儀器，于是就產生了虛擬儀器的設計理念。虛擬儀器就是由用戶自己定義虛擬儀器的功能，相當于一套專門為用戶定制的儀器。人們在利用虛擬儀器設計軟件在計算機上運行時也就是在操作

14、一臺具有特定作用的測量控制儀表儀器。表2-1為傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較一覽表，見下頁。表2-1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器硬件是關鍵軟件是關鍵儀器的功能出廠即固定儀器的功能用戶可自定義系統(tǒng)是封閉的，與其他設備連接有局限性開放系統(tǒng)，可方便同網絡設備及外設連接價格昂貴，功能單一價格低，功能多技術更新速度慢技術更新速度快開發(fā)和維護成本高開發(fā)和維護成本低多為專業(yè)實驗室擁有個人實驗室2.2 虛擬儀器的構成虛擬儀器包括硬件資源(計算機硬件接口設備)和軟件資源(設備驅動軟件和虛擬控制面板)兩部分組成。硬件資源是虛擬儀器軟件資源的基礎。應用軟件資源則是虛擬儀器的核心內容，軟件資源里面包含豐富的函

15、數(shù)庫和功能模塊，通過不同的功能模塊組合成具有不同功能的儀器，以實現(xiàn)不同的測量和控制功能。虛擬儀器軟件具有相對直觀化的用戶應用程序和接近底層驅動的設備驅動程序兩部分。如圖2-1所示，設備驅動程序是連接應用程序與底層設備的基礎。通過接口api來實現(xiàn)設備驅動程序和開發(fā)環(huán)境的連接，從而實現(xiàn)硬件設備的控制。圖2-1 虛擬軟件體系結構2.3 LabVIEW 簡介2.3.1 LabVIEW知識簡介LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是由美國國家儀器（NI）公司編寫開發(fā)的。它與Visual Basic語言、C語言、Java語言

16、等的編程風格不同，后者是運用文本語言編寫的程序代碼，而LabVIEW則是運用圖形化的編程語言來編寫的,它是用圖形控件來代替了文本程序代碼。而且LabVIEW還提供很多具有特定功能的控件可供用戶使用。其功能還包含文本語言里的子函數(shù)調用，而且這種函數(shù)嵌套不受限制的2。LabVIEW軟件版本所提供的圖形控件在研究開發(fā)人員之間用的大部分是一致的3，這使得編程語言更加具有可讀性，如下圖2-2所示為LabVIEW的初始界面:圖2-2 LabVIEW的初始界面2.3.1 LabVIEW的基本程序構成LabVIEW的核心是VI。LabVIEW包括兩個面板4，一個是前面板，另一個是程序面板。前面板窗口(如圖2-

17、3)是一個圖形用戶界面，它是LabVIEW的虛擬儀器面板，相當于傳統(tǒng)儀器的控制面板及顯示屏幕，它有效的將程序和用戶聯(lián)系起來，是程序運行時輸入和輸出信息的窗口。如圖2-4所示，圖中可以看到菜單欄中軟件呈現(xiàn)的各種功能、程序運行停止功能以及用戶輸入和輸出顯示功能等。我們可以利用軟件具備的各種功能和控件來設計我們的前面板。圖2-3 LabVIEW前面板程序框圖窗口(如圖2-4)提供了圖形化程序語言，相當于傳統(tǒng)儀器硬件內固化的程序，在程序框圖中程序員不僅要能夠控制和操作前面板上各個控件的功能，而且還要用圖形化的語言來編寫程序代碼，。如圖2-5所示，程序框圖除了能顯示前面板上的控件外(二者圖標不同，意義相

18、同)，還可以顯示前面板上各個控件的端子并把各個端子連接起來。在程序框圖中各個控件接口之間的連線即數(shù)據圖2-4 LabVIEW程序面板線或者數(shù)據流?？丶g的數(shù)據信息就通過數(shù)據線在功能控件模塊之間傳遞。LabVIEW的編程語言和文本程序語言不同，它是根據數(shù)據線上的信息來運行程序的，只有當控件所要求的輸入數(shù)據完全被控件接受到后程序才能運行，然后控件處理數(shù)據，待處理完成之后向其所有的輸出端口輸出相應的信息數(shù)據，這些數(shù)據再沿數(shù)據線流向其他的控件或者功能模塊中進行數(shù)據或者信號處理分析。3 虛擬頻譜儀的功能介紹3.1 虛擬頻譜儀的工作原理虛擬頻譜儀主要有LabVIEW軟件來設計，控制完成信號的生成、采集、波

19、形濾波處理和幅值頻譜顯示等功能。其設計思路流程圖如下圖3-1所示： 圖3-1 設計流程圖虛擬頻譜儀的設計包括程序前面板的設計和程序框圖的設計。前面板提供了信號生成模塊，可以通過其屬性內容選擇輸入的仿真信號5，例如方波信號，正弦波信號，三角波信號等，類似的選擇還有濾波器的選擇，而且在前面板可以對信號的頻率和幅值進行調節(jié)。并且在前面板上，可以顯示輸入的原始波形，通過濾波模塊濾波后的波形，以及進行信號分析處理之后的結果顯示等。虛擬頻譜儀的主要功能有：(1)信號生成類型選擇的控制；(2)動態(tài)顯示選擇控制信號的波形；（3）調節(jié)信號的頻率和幅值；（4）測量顯示信號處理過的幅值譜和頻率譜。依照圖3-1的設計

20、流程圖和虛擬儀器軟件LabVIEW開發(fā)平臺來設計虛擬頻譜儀，利用該軟件的前面板和程序框圖上各個控件的功能以及該軟件支持的函數(shù)庫，通過其仿真信號生成模塊產生信號，從而實現(xiàn)信號的采集、分析和處理，從而實現(xiàn)虛擬頻譜儀的功能。這樣一個具有測試功能的虛擬儀器頻譜儀就完成了。3.2 虛擬頻譜儀的設計3.2.1信號頻譜分析的知識簡介在進行虛擬頻譜儀設計前，首先要掌握信號的理論知識，如信號的時域分析、頻域分析、頻譜分析、傅里葉變換等。時域是表示信號6與時間的變化關系。頻域是用坐標系來表示信號的頻率特性。對任何一個事物的描述都需要從多個方面進行描述才能把該事物與其他事物區(qū)分開來。例如，眼前有一臺電腦，我們可以描

21、述它多方面的特征如品牌、型號，性價比，價格等。同理，對于信號我們也要研究它多方面的特性。比如信號的時域特性和時域分析以及頻域特性和頻域分析。時域分析是指信號隨時間變化而變化的分析，頻域分析是指在坐標上顯示信號的頻率變化。圖3-2是一個因受到噪聲干擾的含有多個頻率周期分量的信號的波形，雖然從波形上看不出其有什么特點，但是從圖3-3的功率譜上卻可以識別出該信號包含有的四個周期分量，信號的頻譜可以更清楚的表示在不同的頻率下信號的特性和變化7。圖3-2 受噪聲干擾的多頻率周期信號的波形圖3-3 受噪聲干擾的多頻率周期信號的功率譜事物是按時間的先后順序發(fā)展的，所以在測試一個產品的功能時，通常是在時間的變

22、化中來檢測，時域分析就是通過這個來研究信號的變化。頻譜分析主要用于分析信號的周期頻譜分量，它的變化可以幫助我們理解在不同時期的信號分量的波形特征。3.2.2 信號頻譜分析的方法在工作中我們用頻譜分析儀來分析信號的頻譜，頻譜儀有模擬式和數(shù)字式8兩種工作模式。模擬式頻譜儀是在模擬濾波器的基礎上從信號中選出不同的頻率分量；數(shù)字式頻譜儀是在數(shù)字濾波器和傅立葉變換的基礎上實現(xiàn)對信號的頻譜分析并采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f)來幫助人們了解信號的特征。傅立葉變換用于信號的頻譜分析910的重要工具，時域信號x（t）的傅立葉變換： (3-1)式中f為頻率，X(t)為時域信號表示，X(f)

23、為頻域信號表示11。3.2.3 周期信號的頻譜分析周期信號是在一定規(guī)律下會重新出現(xiàn)的信號，滿足條件： (3-2)。很多周期函數(shù)信號都可以展開成正交函數(shù)來線性組合成無窮級數(shù)，如正交函數(shù)集是三角函數(shù)集或者指數(shù)函數(shù)集,則可把它展開成為傅立葉級數(shù)，一般表達式為： （3-3）直流分量幅值為： （3-4）各余弦分量幅值為： （3-5）各正弦分量幅值為： （3-6）周期信號的三角函數(shù)展開式的另一種形式為： （3-7）直流分量幅值為： （3-8）各頻率分量幅值為： （3-9）各頻率分量的相位為 （3-10）式中，T周期，；-基波圓頻率；f0基波頻率；。傅立葉級數(shù)的復指數(shù)展開式： （3-11） （3-12）其中

24、：；。該項目將習慣于圖形表示，如圖，你可以得到的振幅譜和頻率譜，和被稱為實部和虛部頻譜。周期信號的頻譜具有三個特點：1、周期信號的頻譜是離散的，由一系列沖擊函數(shù)組成離散頻譜。2、每條譜線只會出現(xiàn)在基波頻率的諧波頻率處。3、各頻率分量的譜線高度表示該諧波分量的幅值或相位角。3.2.4 快速傅里葉變換（FFT）快速傅里葉變換是在DFT(離散傅里葉變換)的算法的基礎上進行改進的可用它來減少計算次數(shù)，縮短計算時間獲得的新算法，簡稱FFT。在信號的采樣點數(shù)是2的冪次方時就可以采用這種算法。LabVIEW還提供了FFT圖標可供用戶直接使用來進行頻譜分析。問題在于如何選取采樣的時間間隔及取多少個采樣點N，截

25、取長度的大小，以保證頻譜分析的精度。柵欄效應的概念：無限長的信號的頻譜是連續(xù)的，當我們分析它的頻譜的計算機，它必須被截斷，并使它成為有限長度信號。信號在被有限的截取之后就轉化為周期為的信號，同時頻率也由原來的連續(xù)譜成為離散譜。于是處在離散譜之間信號頻譜就被丟掉，用這種方法只能算出信號連續(xù)頻譜中N個抽樣點處的值，而漏掉一些頻譜，所以它不能完全代表頻譜的分布，像個柵欄一樣，所以把這種現(xiàn)象稱為柵欄效應。4 基于LabVIEW的虛擬頻譜儀設計與實現(xiàn)4.1 虛擬頻譜儀的整體設計虛擬頻譜儀主要由虛擬儀器的設計軟件LabVIEW的程序前面板和程序框圖組成。它可以對仿真信號模塊生成的信號進行時域分析和頻譜分析

26、，通過計算機軟件模塊和數(shù)據處理以后，把結果顯示在前面板上。虛擬頻譜儀的功能是由用戶自己定義的，當我們要想讓它實現(xiàn)更多功能時，可以隨時添加和修改它，以滿足我們的需求。4.2 軟件部分的設計4.2.1 前面板的設計本設計是應用LabVIEW2012版本。前面板是面向用戶對象的虛擬控制面板，設計的是用于設置輸入數(shù)值、控制信號和觀察輸出數(shù)值及輸出波形的控制端，在該控制面板上用戶可以通過各種按鈕、開關、旋鈕等控制虛擬頻譜儀的工作，例如：選項卡選擇控件、信號各參數(shù)設定數(shù)值控件、濾波器設置控件、結果顯示控件等。圖4-1就是本設計虛擬頻譜儀的前面板，從前面板上可看出此頻譜儀有如下的功能：1、仿真信號生成選擇功

27、能。在LabVIEW軟件的前面板上添加了仿真信號生成模塊。用戶可以通過該模塊來設置所需要輸入的仿真信號，例如，加噪聲的正弦波、方波、三角波等。此外，本設計還另外添加了可供選擇的初始信號的頻率、幅值等。2、波形顯示功能。在前面板放置有波形顯示控件，點擊窗口左上角的“運行”按鈕和前面板的開關按鈕，即可顯示出濾波前后信號的波形變化、幅值譜的圖形顯示和功率譜的圖形顯示等。且可對信號幅值的峰值、功率的峰值進行數(shù)字顯示。3、濾波器選擇功能。本設計中用戶可通過前面板的濾波來控制模塊來選擇不同的濾波器觀察其濾波效果。此外，還可自主對濾波器的采樣頻率進行調整。4、控制仿真信號的幅值和頻率以及濾波器的采樣頻率、幅

28、值的功能。由于這些設計的功能引用的是同一種控件模塊，所以設置這樣的模塊來控制仿真信號的幅值和頻率，濾波器的采樣頻率。這樣就可以直接改變仿真信號的頻率、幅值等以方便適應不同的情況，我們還可以直接改變?yōu)V波器的幅值、采樣頻率來實現(xiàn)在不同情況下各種濾波的波形，從而使波形不受仿真信號頻率的限制。這樣就可以通過改變?yōu)V波器的波形、采樣頻率和類型來實現(xiàn)不同的的濾波效果。圖4-1 虛擬頻譜分析儀前面板5，顯示濾波器濾波后的波形的高低電平和幅值。觀察信號的電壓變化。以上這些功能就是本虛擬頻譜儀設計能實現(xiàn)的所有功能，將這些功能集合在一起就組成了本次虛擬頻譜儀的前面板，將這些功能模塊合理放置以后如圖所示，在顯示模塊的

29、左邊共有二個控制輸入參數(shù)的控件。通過信號參數(shù)的設定還可以設定仿真信號的頻率和幅值。濾波器模塊可以輸入設定濾波器的采樣頻率、幅值、周期和濾波類型。在右邊有六個數(shù)值顯示模塊，可以分別顯示濾波后波形的峰峰值的大小，正峰值和反峰值大小，以及波形的電平值，在功率譜和幅值譜中也添加了功率譜峰值顯示模塊，可以直接看出波形的功率譜和幅值譜。4.2.2 程序框圖的設計每一個程序的前面板設計都有相應的一個程序框圖設計。程序前面板的設計完成后，并不是程序結束了，還要進行程序框圖的設計。打開LABVIEW設計軟件的程序框圖窗口，進入程序框圖的設計界面，由于我們已經完成了前面板的設計，所以在程序框圖中會顯示程序前面板已

30、經選擇的控件，但是它們的圖標是不同的，所以要注意區(qū)分。根據本設計虛擬頻譜儀的功能，事先想好我們要用到的那些控件并表示出來，利用LABVIEW中的這些功能控件，由虛擬頻譜分析儀前面板的各控件的作用與聯(lián)系，在程序框圖設計窗口中合理放置各個程序需要的控件模塊，用鼠標可以直接將他們相關的控件連接起來以實現(xiàn)虛擬頻譜儀的功能。在該程序框圖中包括仿真信號生成模塊、濾波器設計、波形頻譜分析模塊，數(shù)據流的編輯主要是對端口圖標的連接，用連線工具進行連接時，如果端口無法建立連接關系，說明相連的數(shù)據類型不匹配，仔細檢查數(shù)據后重新建立連接。本設計用到了一個條件結構，這點和C語言中的if條件結構類似12，它的程序框圖如圖

31、4-2所示。 圖4-2 程序框圖4.2.2.1 仿真信號生成模塊LabVIEW的函數(shù)庫中有豐富的仿真信號，如方波、正弦波、三角波等。設計時只需將所要的子VI放入一個仿真信號生成模塊即可。也可利用聲卡采集到的聲音進行信號處理分析。仿真信號生成的程序框圖如圖4-3所示。在設計過程中，包含了一個仿真信號生成模塊，在該模塊中有正弦+均勻的白噪聲、方波、三角波。如果想得到其它噪聲的波形，則可以在設計的程序框圖中對其屬性進行更改，即可以得到想要的波形，本課題中添加的是均勻白噪聲。也可以對采樣率進行設置，從而滿足采樣定理。圖4-3 仿真信號生成程序框圖4.2.2.2 濾波器的設計濾波器是由電容、電感和電阻組

32、成的一種對信號具有處理功能的器件或者電路，它的主要作用是讓用戶需要的信號盡可能無衰減的通過并能通過數(shù)據線傳輸出來而對于無用的信號則要盡可能大衰減而達到不影響其他信號的效果。濾波器實質上就是一個允許特定頻率的信號通過而阻斷其他頻率的信號的選頻電路，在設計中可以應用它的這種特性13來處理其他各種干擾信號的干擾。在前面板可以選擇不同的濾波器觀察到不同的濾波效果。低通濾波器的程序框圖如圖4-4所示： 圖4-4 低通濾波器的程序框圖低通濾波器是指濾波器以增加低頻信號成分為目的允許低于截止頻率的信號通過而阻斷高于截止頻率信號的通過。如下圖4-5所示，是本設計提供選擇的濾波器中低通濾波器的濾波效果圖，它展示

33、的是仿真信號方波信號波形的通過濾波后的濾波效果圖。其中，左圖是加均勻白噪聲的方波，右圖是經過低通濾波器濾波后的信號波形。通過濾波后的效果圖形可以看出，在經過濾波以后，噪聲的毛刺明顯減少，并且原始測試信號失真度減小。濾波達到了理想的效果。圖4-5 濾波的程序框圖濾波后波形的相關參數(shù)也可以直觀的通過波形分析模塊和數(shù)值顯示控件顯示出來，如圖4-6為顯示波形的峰峰值、周期、正峰值和反峰值，在這里用到了幅值顯示控件和數(shù)字顯示控件。同樣的我們還可以顯示波形的電平，這里的電平顯示用到了電平顯示模塊和數(shù)組顯示模塊，因為我們可以多次對波形進行測量所以用到的是數(shù)組顯示模塊，如圖4-7所示。圖4-6 波形峰值顯示模

34、塊圖4-7 電平顯示模塊圖4-8 為波形的功率譜和幅值譜的顯示模塊在這里用到了選項卡，在前面板可以切換顯示波形的幅值譜和頻率譜，這里選項卡可以不用數(shù)據線連接，要顯示波形的幅值譜和功率譜用到了相對應的功率譜分析模塊和幅值譜分析模塊，在他們和波形圖連接后即可顯示相應的頻譜。圖4-8 幅值譜和功率譜顯示模塊4.3仿真信號的頻譜分析現(xiàn)在以仿真信號方波為例，簡要說明分析信號的頻譜分析14。輸入的仿真信號是加均勻白噪聲的方波，經過濾波后，濾波效果如圖4-9所示，可以看到濾波效果理想。經過頻譜分析后得到的功率譜如圖4-10所示，幅值譜如圖4-11所示。由方波的傅立葉變換知識可知方波各個頻率的幅值大小和分布，

35、幅值圖所示的主頻率的幅值最大，后面各個頻率成分的幅值大小分界清晰，得到的幅值譜結果基本正確。得到的功率譜如圖4-10所示，可以看到，主頻的功率最大，結果與理想結果基本一致。圖4-9 方波信號濾波后的波形圖4-10 方波信號的功率譜圖4-11 方波信號的幅值譜結 論在這次畢業(yè)設計中，我做的第一個任務就是我要先想好一個設計思路，只有思路想好了，在著手做的時候才不會慌亂。要做成本次畢業(yè)設計，我首先要對虛擬儀器有一個較深刻的理解，虛擬儀器的核心思想、背景和發(fā)展都是要知道的，其次是我做本畢業(yè)設計所要用到的知識，比如上面有很多控件，是需要我有一些硬件基礎的，還有里面的編程思維和其他文本語言有相似之處，把這

36、些結合起來，我就可以做虛擬頻譜儀了，做虛擬頻譜儀首先要做的是軟件功能的實現(xiàn)，在軟件功能實現(xiàn)的過程中還出現(xiàn)了一些問題，比如波形參數(shù)控制不合理，有些控件用的方法不對，考慮問題不周到等等，這些都在我查資料和分析程序框圖的情況下逐步解決了，在軟件功能初步實現(xiàn)以后，我所要做的就是寫畢業(yè)論文了，我在寫畢業(yè)論文過程中，結合所學知識，盡量把論文寫得合理規(guī)范，并且也加深了我對這次畢業(yè)設計的認識，同時也可以再次完善我的軟件設計，從而讓整個畢業(yè)設計更加完美。虛擬頻譜儀設計完成后，經過調試使用，所有的控件和所設計的功能都能正常的運行，符合使用的要求。需要指出的是，信號是用LabVIEW中的仿真信號模塊設置以后產生的。

37、本虛擬頻譜儀具有的功能有：波形顯示、濾波功能、加窗修復泄露功能、結果輸出幅值譜、功率譜等。由虛擬頻譜儀的設計過程可以看出，基于LabVIEW的虛擬頻譜儀的開發(fā)設計是很直觀的，用戶可以通過自己的需求，調用軟件中不同的功能模塊，組建自己想要的儀器，這對使用者，尤其是個人使用是非常方便的。我們可以針對不同的工作目的，設計出不同檔次的虛擬儀器來為我們自己或者自己的工作服務，可分別對設計軟件驅動程序、虛擬面板、信號的后期處理、結果的顯示等進行設計，信號的后期處理程序還可以設計成一個獨立的功能模塊，能夠對采樣信號進行實時的再現(xiàn)和線性分析，既滿足個人要求，又提高了工作效率，節(jié)約了生產成本。在完成虛擬頻譜儀設計時所用到的編程軟件LabVIEW是一種虛擬儀器軟件開發(fā)工具。基于LabVIEW的虛擬頻譜儀，它不僅完成了對仿真信