基于LabVIEW的多功能虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)頻譜分析儀器硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積笨重，價(jià)格昂貴，而且功能和規(guī)模固定、不可進(jìn)行再開發(fā),使其在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很難普及。虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，利用計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的硬件實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理和顯示等多種功能[1]。本設(shè)計(jì)在研究了傳統(tǒng)頻譜分析儀的基本結(jié)構(gòu)和工作原理后，提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)的頻譜分析儀設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜分析儀的一般功能——幅相譜分析、功率譜分析、頻譜分析，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的時(shí)頻分析和倒頻譜分析。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化的構(gòu)建方式，主控制卡和模塊采集卡均插在系統(tǒng)背板上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)即插即用功能，提高了系統(tǒng)的靈活性和儀器的可重構(gòu)性;硬件采用FPGA技術(shù)，使其具有開放性，有利于功能的擴(kuò)展;軟件采用LabVIEW圖形化編程語言，其開發(fā)效率高，可維護(hù)性好，自定義功能強(qiáng)大。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

上層軟件采用LabVIEW語言進(jìn)行編程，通過驅(qū)動(dòng)把控制命令傳遞到主控制卡上，主控制卡與模塊采集卡通過利用FPGA實(shí)現(xiàn)的雙口RAM 保持通信、傳遞命令。采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到模塊采集卡的FIFO存儲(chǔ)器中，之后再通過背板總線把數(shù)據(jù)傳送到主控制卡中，主控制卡再把數(shù)據(jù)傳送到上層軟件LabVIEW中，通過LabVIEW編寫程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分析處理[2]，完成多功能虛擬頻譜分析儀的功能開發(fā)。

2 頻譜分析儀的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬頻譜分析儀的硬件部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字化，由總線接口通信模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、觸發(fā)電路模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊四部分構(gòu)成。圖2為硬件設(shè)計(jì)原理圖。

(1)總線接口通信模塊：MCU通過利用FPGA實(shí)現(xiàn)的雙口RAM與系統(tǒng)總線接口進(jìn)行通信。MCU主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、處理總線發(fā)送過來的命令、控制相應(yīng)的電路單元。

(2)信號(hào)調(diào)理模塊：對(duì)大信號(hào)進(jìn)行衰減、小信號(hào)進(jìn)行放大，保證將信號(hào)調(diào)整到合適的電壓范圍內(nèi)。由輸入耦合電路、衰減電路、驅(qū)動(dòng)放大電路等組成，單片機(jī)控制各個(gè)功能電路。

(3)觸發(fā)電路模塊：觸發(fā)電路的作用是控制每次信號(hào)采集的起始位置，保證用戶能夠觀察到穩(wěn)定的波形，MCU通過控制多路選擇器來選擇觸發(fā)信號(hào)源，之后經(jīng)過信號(hào)整形電路輸入給FPGA，從而進(jìn)行時(shí)序控制[3]。

(4)A/D轉(zhuǎn)換模塊：選用ADI公司的雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9288，每通道最高采樣率為40 MS/s。該模塊是多功能虛擬頻譜分析儀的核心模塊，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放到FPGA內(nèi)部的FIFO中。

3 頻譜分析儀的軟件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀結(jié)合虛擬儀器技術(shù),采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，每個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能分析。首先在前面板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的各項(xiàng)設(shè)置，上層軟件通過調(diào)用DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫)與系統(tǒng)總線進(jìn)行通信，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過USB總線上傳到上位機(jī)，之后通過LabVIEW軟件編程處理，最后實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀的功能分析。

3.1 一般功能分析

3.1.1 幅相譜分析

在測(cè)量信號(hào)的幅值和相位時(shí),主要利用快速傅里葉變換,得出信號(hào)的FFT譜,然后根據(jù)FFT譜計(jì)算出幅值譜和相位譜[4]。幅相譜定義：假設(shè)x(n)是一個(gè)功率有限的輸入，它的傅里葉變換為：

稱X(?棕)為x(n)的頻譜。當(dāng)x(n)為離散信號(hào)時(shí)，幅值譜的計(jì)算公式：

圖3為幅相譜分析程序圖。

3.1.2 功率譜分析

功率譜表示隨機(jī)信號(hào)頻域的統(tǒng)計(jì)特性,有明顯的物理意義。本文采用直接法，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)直接進(jìn)行快速傅里葉變換,求得DFT譜后再求功率譜密度[5]。功率譜密度公式為：

式中P(k)為輸出序列的功率譜，X(k)為輸入序列的傅里葉變換;N信號(hào)序列的點(diǎn)數(shù)。圖4為功率譜分析程序圖。

3.1.3 頻譜分析

本設(shè)計(jì)采用快速傅里葉變換算法來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分析。LabVIEW軟件包含F(xiàn)FT控件，調(diào)用該控件對(duì)采樣后的離散序列進(jìn)行 FFT即可得到信號(hào)的頻譜。當(dāng)用LabVIEW中的實(shí)數(shù) FFT 控件對(duì)從數(shù)據(jù)采集卡中傳上來的實(shí)數(shù)序列進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，需要保證采樣序列長(zhǎng)度是2n;考慮到實(shí)數(shù)序列通過FFT控件處理后的幅度是對(duì)稱的，僅需對(duì)信號(hào)進(jìn)行單邊傅里葉變換;需注意直流序列可直接輸出，而交流輸出序列的幅值翻倍后輸出才是最終結(jié)果[6]。圖5為頻譜分析程序圖。