文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)12-0100-03
0 引言
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(kāi)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(kāi)放性,,有利于功能的擴(kuò)展,;軟件采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言,其開(kāi)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(yǔ)言進(jìn)行編程,,通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)LabVIEW編寫(xiě)程序來(lái)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(kāi)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(guò)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(guò)來(lái)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(guò)控制多路選擇器來(lái)選擇觸發(fā)信號(hào)源,,之后經(jīng)過(guò)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(guò)調(diào)用DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))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(guò)USB總線上傳到上位機(jī),,之后通過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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。
3.2 特殊功能的分析
3.2.1 時(shí)頻分析
傳統(tǒng)的分析方法是信號(hào)單獨(dú)在時(shí)域或頻域中進(jìn)行分析,,而聯(lián)合時(shí)頻分析可以同時(shí)在時(shí)域和頻域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析,,確定在某一時(shí)刻頻率成份的分布情況,。
本文利用短時(shí)傅里葉變換基本原理進(jìn)行時(shí)頻分析,,其基本思想是:將信號(hào)加窗,加窗后的信號(hào)再進(jìn)行傅里葉變換,,窗函數(shù)可根據(jù)的位置變化在整個(gè)時(shí)間軸上平移,,利用窗函數(shù)可以得到任意位置附近的時(shí)間段頻譜實(shí)現(xiàn)時(shí)間局域化,e-jwt起頻限作用,,g(t)起時(shí)限作用,,合在一起可起到時(shí)頻雙限作用[7],其變換公式為:
大致反映了f(t)在時(shí)刻子時(shí)頻率成分的分布情況,。圖6為時(shí)頻分析程序圖,。
3.2.2 倒頻譜的分析
利用頻譜分析分離和提取密集泛頻信號(hào)中成分較為困難,而倒頻譜能夠分析復(fù)雜頻譜圖上的周期成分,,尤其在同族頻譜和異族頻譜等復(fù)雜信號(hào)的分析中運(yùn)用較多[8],。倒頻譜分析包括實(shí)倒頻譜分析和復(fù)倒頻譜分析這兩類,這里僅介紹實(shí)倒頻譜,。
實(shí)倒頻譜就是功率倒頻譜的模,,工程中常取功率倒頻譜開(kāi)方的形式。功率倒頻譜即對(duì)功率譜作對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行傅里葉變換,。功率倒頻譜定義:
若時(shí)域信號(hào)x(t)的功率譜密度函數(shù)為Px(f),,功率倒頻譜為:
Cx(?子)=|F[lg(Px(f))]|2(6)
圖7為倒頻譜程序框圖,倒頻譜分析的優(yōu)點(diǎn):
(1)倒頻譜中使用了對(duì)數(shù)加權(quán)擴(kuò)大頻譜的動(dòng)態(tài)范圍,,提高了再變換的精度,,可以把復(fù)雜頻譜中的各種信號(hào)頻率成分分開(kāi)。
(2)去除回波,。帶多次回波的原始信號(hào)可視為原始信號(hào)與一系列沖擊函數(shù)卷積,如果傳遞路徑較近,,回波與原始波形疊加會(huì)造成原始波形的形狀的混淆,利用倒頻譜可有效地去掉回波[10]。
(3)倒頻譜變換具有較好邊頻信號(hào)的檢測(cè)能力,,可分離各種邊帶頻率,。
4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
4.1 濾波
從采集卡獲取的信號(hào)在傳輸過(guò)程中可能會(huì)疊加無(wú)用的噪聲信號(hào)或干擾信號(hào),為了提取有用信號(hào),在進(jìn)行FFT變換前需進(jìn)行濾波處理,。選擇濾波器時(shí)需要考慮應(yīng)用的需求,。
4.2 去混疊
由于各次諧波的調(diào)制頻譜會(huì)相互交疊,出現(xiàn)混疊失真,,不能分開(kāi)和恢復(fù)信號(hào),,為了避免采樣信息的丟失,,根據(jù)奈奎斯特采樣定律可知,,在對(duì)連續(xù)信號(hào)采樣時(shí)必須使采樣頻率大于或者等于信號(hào)中含有的最高頻率的兩倍,但為更好地恢復(fù)信號(hào)信息,采樣率最好設(shè)置為高于信號(hào)最高頻率的5~10倍,。
4.3 加窗
在實(shí)際測(cè)量中,信號(hào)采樣長(zhǎng)度有限,,局限的信號(hào)記錄將產(chǎn)生譜信息的泄漏,。本設(shè)計(jì)采用加窗的辦法抑制譜泄漏,加窗就是將原始采樣波形乘以幅度變化平滑且邊緣趨零的有限長(zhǎng)度窗來(lái)減弱每個(gè)周期邊界處信號(hào)的不連貫程度,。
5 儀器功能測(cè)試結(jié)果
虛擬頻譜分析儀選用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行功能測(cè)試,,該信號(hào)發(fā)生器可以自行設(shè)置輸入信號(hào)的波形類型、頻率及幅值,。當(dāng)測(cè)試信號(hào)是頻率為1 kHz的正弦波時(shí),,圖8~圖11分別為頻譜分析圖、功率譜分析圖,、幅相圖,、時(shí)頻分析圖;當(dāng)測(cè)試信號(hào)是頻率為1 kHz方波時(shí),,圖12為其倒頻譜分析圖,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,多功能虛擬頻譜分析儀顯示的信號(hào)較穩(wěn)定, 輸出頻譜分量明顯, 與理論計(jì)算值相符。
6 結(jié)論
本文介紹了一款以虛擬儀器為平臺(tái),,采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言和FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀,,不僅實(shí)現(xiàn)了一般的頻譜分析儀所具有的功能,而且增強(qiáng)了分析處理能力,其特點(diǎn)如下:
?。?)軟件采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言,提高了軟件的開(kāi)發(fā)速度和效率,。
(2)硬件采用FPGA技術(shù),,使其具有開(kāi)放性,,提高了系統(tǒng)靈活性,有利于功能的擴(kuò)展,,在同樣硬件基礎(chǔ)上,,只需更改上層軟件的設(shè)計(jì)就能夠?qū)崿F(xiàn)其他儀器功能,例如:虛擬示波器,、頻率計(jì)等,。
(3)功能方面不僅能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)域分析,,還能進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合域的分析,。
參考文獻(xiàn)
[1] 張學(xué)軍,回文靜.基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].儀器儀表用戶,2011(1):57-59.
[2] 許菁菁,,何夢(mèng)甜.基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與對(duì)比分析[J].科技信息,,2012(12):90-91.
[3] 韋建榮.可重構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2006.
[4] 丁娜.虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:西南交通大學(xué),,2003.
[5] 孔凡平.基于LabVIEW虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:陜西科技大學(xué),,2004.
[6] 李建康.基于虛擬儀器技術(shù)的頻譜分析儀的研制[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2009.
[7] 陳潔.時(shí)頻分析方法小結(jié)[J].中國(guó)水運(yùn),,2009(12):87.
[8] 張金,,張耀輝,黃漫國(guó).倒頻譜分析法及其在齒輪箱故障診斷中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師,,2005(8):34-36.
[9] 周福超,,汪志勇,,居滋培.基于LabVIEW的虛擬頻譜分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào),,2002,23(3):741-742.
[10] 梁璨.虛擬數(shù)字頻譜分析儀的設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),,2009.