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1、基于 LabVIEW 的信号频域分析曹 会 国(山东科技大学 机电学院 266510 ,泰山学院 物理与电子科学系 ,山东 泰安 271012) 摘 要 通过基于 LabVIEW 语言的虚拟仪器的设计 ,对信号进行频域分析 ,相对于传统分析测试手段 ,既可省却硬件设备购置 ,又可实现快速化 、形象化 . 用户只需键入相应参数即可对被测信号进行频域分析 ,为信 号分析和处理的学习 、实践提供一种新的工具 . 关键词 信号分析和处理 ;频域分析 ;LabVIEW 文章编号 1672 - 2590 (2005) 03 - 0045 - 04 中图分类号 TN911. 7 文献标识码 A信号分析和处理
2、是信息科学的重要组成部分 ,20 世纪 80 年代以来 ,它的基本理论 、方法和技术 ,得到了迅猛的发展和广泛的应用 ,已经不仅仅是传统的无线电技术专业的基础知识 ,而成为许多专业的共 同基础 ,更是测控技术与仪器 、自动化技术等方面的科技人员必须掌握的专业理论之一. LabVIEW 是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (实验室虚拟仪器集成环境) 的简称 ,是美国国家仪器公 司 NI (National Instruments) 的创新软件产品 ,被誉为“科学家与工程师”的语言. 虚拟仪器是 LabVIEW 的精 髓 ,通过
3、虚拟仪器的延伸与扩展 ,使 LabVIEW 的应用更加广泛. 采用 LabVIEW 语言编程 ,借助于 PC 强大 的图形环境和在线帮助功能 ,建立图形化的“虚拟的”仪器面板 ,完成对信号的频域分析 ,充分发挥 Lab2VIEW 人机交互性好的特点 ,又可提高分析效率.1 信号的频域分析信号的频域描述是以 f 或( = 2f ) 为横坐标变量来描述信号幅值 、相位的变化规律 . 傅里叶变换 是信号处理与数据处理中一个重要分析工具 ,其意义在于将时域与频域信号联系了起来. 通过频域分析 将复杂的信号分解为各个单一的频率成分 ,因此一些在时域中难以分析的信号 ,在频域中其特征可以看 的一目了然.1
4、. 1 快速傅里叶变换计算机只能对离散数列进行处理 ,在数字系统中将采样信号由时域变化到频域的算法是著名的离 散傅里叶变换 (DFT) . DFT 建立了时域中的信号采样与其频域表示法之间的联系 ,但由于 DFT 运算工作 量太大 ,在许多应用场合 ,普遍应用快速傅里叶变换 ( FFT) . FFT 是 DFT 的一种简化快速算法. LabVIEW 高级分析程序中的频域子模板提供了丰富的时域和频域转换函数 ,其中有两种可以进行 FFT 的 VI ( 虚 拟仪器) ,即 Real FFT VI 和 Complex FFT VI. 前者用于对实信号 FFT ,后者用于对复信号进行 FFT ,但输出
5、都是复数. 由于大多数实际信号都是实数 ,因此大多数应用使用 Real FFT VI. Real FFT VI 模块作用如下 .1. 2信号的频谱分析功能模块程序 . 使用 LabVIEW 设计虚拟仪器自行产生信号进行分析 ,可以随时调整输入频率 、幅度 ,合理选取采样间隔 ,使频谱分析精度得到一定保证.另外还可以根据需要进行谐波失真分析 ,了解系统是否存在一定的非线性度.2信号频域分析的 LabVIEW 实现根据需要 ,被测信号可能来自外部输入 ,也可以用 LabVIEW 设计相应信号发生器来产生 . 这里以内部产生为例来说明信号频域分析的 LabVIEW 实现过程 . 基于 LabVIEW
6、 的虚拟仪器的设计包括前面板(仪器面板) 的设计和流程图 (程序) 的设计两个方面.2. 1信号发生器流程图的设计首先利用 LabVIEW 设计一个信号发生器 ,以产生多个正弦波相叠加的时域信号作为被测信号. 假设被测信号由三个时域信号正弦波相叠加而成 ,一个为频率为 F1 Hz ,幅值为 A1V ; 一个频率为 F2 Hz ,幅 值为 A2V ;一个频率为 F3 Hz ,幅值为 A3V. 设计过程很简单 ,从 LabVIEW 的功能模板 ( Function Palette) 中 找到 Sine Pattern. vi 和 Bundle 函数. 用三个 Sine Pattern. vi 产生
7、三个正弦波 ;通过选择工具向下拖动 Bun2 dle 函数图标 ,使输入增加为三个 ,以输入三个正弦波 ,产生被测时域信号. 如图 1 所示 :图 12. 2被测信号频域分析流程图的设计信号发生器输出的信号分别送到 Real FFT 和 Array Size 函数 ,经相应处理后送往显示部分. 同时设计好采样点数 . 具体流程图见图 2 .图 2其中所用各模块作用如下 :2. 3前面板窗口设计前面板是图形用户界面 ,也就是 VI 的虚拟仪器前面板 ,这一界面有用户输入和显示输出两类控件 ,具体表现有开关 、旋钮 、图形以及其他控制和显示控件. 这里根据需要从控制模板 ( Control Pal
8、ette) 选取 两个图形子模板 ,分别用来显示被测信号时域波形及频域波形 ; 从 Nun CTRLS 中选取 7 个 Numeric 控制对象 ,分别用来输入和调节采样频率 、输入信号的频率及幅值. 这些控制和显示控件在设计流程图时已 经出现在前面板 ,为使仪器面板布局合理 、美观 ,设计者可根据需要进行位置和颜色调整 (详见图 3) .图 32. 4具体应用利用 LabVIEW 的操作模板中工具模板 ( Tool Palette) 选择相应操作工具 ,向前面板的控制器键入相应的采样频率 、输入信号的频率及幅值. 设 F1 = 20 Hz ,A1 = 2V ; F2 = 50 Hz ,A2
9、= 4V ; F3 = 80 Hz ,A3 = 8V ;采 样点数为 256 ,按运行按钮 ,则显示如图 4 所示时域和频谱波形 . 为进行比较 ,可用操作工具改变相应的图 43结语这里仅以信号的频域分析为例进行说明 ,实际上几乎所有的信号分析和处理 ,从傅里叶变换 、Hil2bert 变换 、相关分析 、功率谱分析到联合时谱分析等都可以设计出相应的虚拟仪器进行信号的分析和处 理 . 参考文献 1234贾平民 ,张红亭 ,周剑英. 测试技术M. 北京 :高等教育出版社 ,2004 .丁玉美 ,高西全. 收数字信号处理 ( 第 2 版) M. 西安 :西安电子科技大学出版社 ,2003 . 张凯
10、 ,周陬 ,郭栋. LabVIEW 虚拟仪器工程设计与开发M. 北京 :国防工业出版社 ,2004 . 杨乐平 ,李海涛等. LabVIEW 高级程序设计M. 北京 :清华大学出版社 ,2003 .Analysis of signal freqency range based on La bVIEWCAO Hui - guo( School of Mechanics and Electronics , Shandong University of Science and Technology , 266510 ; Department of Physics and Electronics Sc
11、ience , Taishan University , Taian 271021 , China)Abstract : Through designing virtual instruments based on LabVIEW language , the users only need to enter corresponding parameters when analyzing signal frequency range . By doing this ,they can not only save equipment purcase ,but realize quick and vivid analysis. It is really an ideal tool to study and practise signal analysis and proc2 cessing.Key words : signal analysis and processing ; frequency range analysis ; LabVIEW
