[摘要]本文介紹了教學(xué)中常用的一種虛擬頻譜分析儀及測量相位差的方法。該分析儀基于圖形化編程語言LabVIEW所設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析及諧波分析。與傳統(tǒng)的硬件電路相位差測量方法相比，這種基于虛擬頻譜分析儀的測量相位差可以通過LabVIEW的高度靈活的工程工具，其具有編程方便，能夠簡單地進(jìn)行儀器控制和連接，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，良好的可視化性能，可擴(kuò)展性好，圖形界面易于上手，操作簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)，可以在學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]虛擬頻譜分析儀 相位差 教學(xué)裝置

一、前言

傳統(tǒng)的電子儀器是自封閉的系統(tǒng)，它具有信號輸入、輸出的能力并有固定的用戶接口，它的功能是由制造商決定的，用戶不能隨意更改，用戶如按自己的要求定制儀器，則價(jià)格比較昂貴。虛擬儀器的設(shè)想正式處于人們對這種儀器的需求，利用軟件的易于修改性，利用軟件來實(shí)現(xiàn)信號的的處理算法部分和人機(jī)接口部分。

虛擬儀器以圖形化編程語言LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器、儀表技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一門新型科學(xué)。虛擬儀器具有升級周期短，費(fèi)用低廉；很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和分析能力；針對不同的測試需求，不需要進(jìn)行硬件升級，便可自行開發(fā)軟件；開放、靈活的架構(gòu)可以隨計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，易于同周邊設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)互連等眾多優(yōu)點(diǎn)。

相位差的測量方法很多，可以采用模擬和數(shù)字的方法，模擬方法電路復(fù)雜，而數(shù)字方法的測量精度又受到計(jì)數(shù)脈沖工作頻率的限制。本文采用近年得到廣泛應(yīng)用的虛擬頻譜儀器技術(shù)，從很大程度上擺脫了硬件方面的限制，既可以避免上述缺點(diǎn)，又可以消除硬件電路的溫漂、噪聲和干擾的影響。

這種基于虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW頻譜分析法測量相位差的方法具有測量結(jié)果準(zhǔn)確度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，擴(kuò)展性好，可以方便地?cái)U(kuò)展其他功能。

二、LabVIEW簡介

LabVIEW是由美國國家儀器（National Instrument）公司研制開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW中的虛擬儀器相當(dāng)于常規(guī)語言（類似于C和BASIC）中的程序模塊。是一種基于G語言(Graphical programming language)的可視化(圖形化)優(yōu)秀開發(fā)平臺(tái)，它使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，使用圖標(biāo)表示功能模塊，省卻了復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的代碼編寫輸入；連線表示數(shù)據(jù)傳遞，簡化了圖形編程方式；用數(shù)據(jù)流程語言編寫程序并且還提供了調(diào)試功能，支持多種系統(tǒng)平臺(tái)，提供大量庫函數(shù)，包含有從底層VXI儀器、數(shù)據(jù)采集板到總線接口硬件和CPIB的程序的應(yīng)用模塊。

三、虛擬頻譜分析儀的功能

頻譜分析在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。例如，對各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械、電機(jī)、機(jī)床等機(jī)器的主體或部件進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的譜分析，可以提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，或者尋找震源和診斷故障，保證設(shè)備的安全運(yùn)行等。在聲納系統(tǒng)中，為了尋找海洋水面船只或潛艇，需要對噪聲信號進(jìn)行譜分析，以提供有用信息，判斷艦艇運(yùn)動(dòng)速度、方向、位置、大小等。因此，對頻譜分析方法的研究一直是當(dāng)前信號處理技術(shù)中一個(gè)十分活躍的課題。

虛擬頻譜分析儀可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間域分析、幅值域分析、諧波分析。從時(shí)域分析中可做出一些原始判斷如測量信號經(jīng)濾波后的特征值，并確定下一步分析的方向和目標(biāo)。頻率域分析一般用直方圖，根據(jù)信號的頻域描述來估計(jì)和分析信號的組成和特征量。頻率域分析可以進(jìn)行頻譜分析、功率譜分析、相關(guān)函數(shù)分析及頻率響應(yīng)函數(shù)分析。由于時(shí)域信號分為連續(xù)信號和離散信號，連續(xù)信號又可分為絕對可積、平方可積和均方可積；離散信號又可分為絕對可和、平方可和和軍方可和，所以對應(yīng)的頻譜也分為多種。頻率響應(yīng)函數(shù)FRF（Frequency Response Function）也是虛擬頻譜分析儀的常用分析功能，它可作為原始數(shù)據(jù)提供給應(yīng)用這個(gè)模態(tài)分析貨或在曲線擬合時(shí)使用。諧波分析則重點(diǎn)在于測量周期信號波形的畸變情況，包括諧波失真THD、基波信號相對噪聲或諧波信號的均方根比例SINAD。

此外，分析儀還具有到頻譜分析、希爾伯特變換等特殊功能及加窗、平均等輔助功能。

四、虛擬頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)模塊

一個(gè)虛擬儀器由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。硬件部分系統(tǒng)由虛擬信號發(fā)生器模塊和頻譜分析模塊兩部分組成。

傳統(tǒng)的測試儀器通過硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，因此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測試任務(wù)將會(huì)有復(fù)雜的電路，帶來的結(jié)果是儀器的價(jià)格隨測試功能的增加而成倍的增加。而虛擬儀器的硬件主要功能是采集數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)數(shù)字化，至于數(shù)據(jù)的分析和后期處理顯示都將由軟件來實(shí)現(xiàn)，因此，設(shè)計(jì)儀器時(shí)，在硬件結(jié)構(gòu)上虛擬儀器十分簡單，與傳統(tǒng)儀器有著本質(zhì)的區(qū)別。

虛擬信號發(fā)器模塊產(chǎn)生各種類型的數(shù)字信號并可疊加噪聲。虛擬頻譜分析儀，首先，對模擬信號進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)對模擬信號頻率值。然后，經(jīng)過數(shù)字濾波（由FPGA模塊實(shí)現(xiàn)），選擇合適的通頻帶寬和相應(yīng)的濾波器截止頻率，將獲取信號需要的頻率成分提取出來，而將不需要的頻率成分迅速衰減掉。然后，經(jīng)過加窗處理以減少每個(gè)采樣周期邊界上信號不連貫的程度。以上過程，我們需要選擇數(shù)字信號處理芯片DSP進(jìn)行處理。一方面，DSP芯片會(huì)輸出控制信號，通知濾波器如何進(jìn)行操作，另一方面，信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DSP后為頻譜分析工作做準(zhǔn)備。

頻譜分析模塊主要是對濾波和加窗處理后的信號進(jìn)行分析，包括時(shí)域分析、頻域分析以及諧波分析，可以分別實(shí)現(xiàn)時(shí)域特性和諧波特性顯示，頻域分析可以進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT）和功率譜測量，并能分別實(shí)現(xiàn)顯示。其中，顯示功能的實(shí)現(xiàn)是有兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器組成。

在硬件電路的設(shè)計(jì)中，還要注意A/D，D/A轉(zhuǎn)換器、DSP和計(jì)算機(jī)之間的通信問題，它們之間的數(shù)據(jù)線連接和I/O連接要按照相關(guān)的接口協(xié)議和通信協(xié)議進(jìn)行連接和通信。

本文設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀主要需要實(shí)現(xiàn)的功能分為兩大部分（虛擬分析儀的原理如圖1所示）:

（1）虛擬示波器的功能，包括實(shí)時(shí)波形的顯示，信號電參數(shù)的測量，信號基波頻率的測量，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后期的提取和分析，打印等。

（2）虛擬頻譜分析儀的功能，包括信號基波頻率、幅值、相位的測量，諧波頻率、幅值、相位的測量，信號幅值和相位譜的顯示，信號諧波總畸變率的測量，諧波含量柱狀圖的顯示，分析結(jié)果報(bào)表的輸出等。

其原理流程為：輸入的數(shù)字信號經(jīng)過移頻讓有用信號進(jìn)入濾波器，然后，經(jīng)低通數(shù)字濾波器降低數(shù)據(jù)密度，再對信號重新采樣，這部分操作稱為選帶細(xì)化FFT，信號經(jīng)過選帶細(xì)化以后經(jīng)過1024處理芯片后顯示。我們可以用VB語言提供的控件輕松實(shí)現(xiàn)信號處理結(jié)果的顯示和工作流程的控制與監(jiān)督。

五、虛擬頻譜分析法測量相位差

1.頻譜分析法原理

頻譜是通過對被檢測信號進(jìn)行頻譜分析，獲得信號的相頻特性，然后計(jì)算兩信號在主頻率處的差值即可測得兩個(gè)信號的相位差。設(shè)兩個(gè)周期信號x(t)、y(t) 在有限區(qū)間(t，t+T)內(nèi)絕對可積，則有:

頻譜分析法是將信號變換到頻域范圍內(nèi)進(jìn)行比較，檢測結(jié)果受采樣點(diǎn)數(shù)的影響較大。為了達(dá)到一定的精度， 其采樣點(diǎn)不能太少， 由此引起的計(jì)算量很大， 而且存在“柵欄效應(yīng)”和“泄漏”現(xiàn)象。為防止由泄漏引入的誤差，應(yīng)加入窗函數(shù)且使窗長等于信號周期的整倍數(shù)。

2.虛擬頻譜分析法測量相位差

基于虛擬頻譜分析儀測量相位差的方法很多，可以采用FFT譜分析法、相關(guān)法等方法。本文采用的虛擬頻譜分析法測量相位差其實(shí)質(zhì)上仍然是頻譜分析，只是求信號的基頻分量而已。

值得注意的是，在虛擬頻譜法測量相位差的主程序中，需要確定模擬信號的周期T，并確定一個(gè)周期內(nèi)的N個(gè)采樣值，這是通過調(diào)用求過零點(diǎn)的子程序來實(shí)現(xiàn)的，這是減小測量誤差的基本保證。過零點(diǎn)檢測的原理很簡單，只要求出信號單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過零點(diǎn)的次數(shù)就可以求得信號的周期。另外，需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將信號離散化，信號幅值分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)，時(shí)間分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率有關(guān)。

六、結(jié)束語

本文利用圖形化編程語言LabVIEW設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種虛擬頻譜分析儀，并介紹了基于此分析儀的相位差測量的原理。這種虛擬頻譜儀具有分析、判斷、顯示、儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)生成等功能，有利于對個(gè)別特殊的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)地觀察和研究。這種方法不僅降低了儀器的研制成本，提高了測試效率，而且還大大增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，不僅可以緩解學(xué)校實(shí)驗(yàn)儀器短缺的問題；還可以減少實(shí)驗(yàn)過程中元器件的耗費(fèi)。

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（作者單位：浙江理工大學(xué)信息與電子學(xué)院）