基于LabVIEW的信號(hào)分析設(shè)計(jì)

于永芳　王毓順　許中運(yùn)　劉曉峰

【摘 要】信號(hào)分析作為數(shù)字信號(hào)處理的主要組成內(nèi)容，在各種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文在對(duì)信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)信號(hào)分析的軟件結(jié)構(gòu)，并且采用LabVIEW 工具以圖形界面的方式實(shí)現(xiàn)了周期信號(hào)的仿真分析。仿真結(jié)果表明基于LabVIEW 的信號(hào)分析系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、高效地對(duì)信號(hào)進(jìn)行多功能的分析，具有很好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW；時(shí)域分析；頻域分析；仿真

【Abstract】Signal analysis works as the main part of digital signal processing which has been widely used in various fields.This paper has researched on the signal analysis methods of time domain analysis and frequency domain analysis.The software system structure of digital signal analysis is also designed in the paper.In addition，analysis and simulation of periodic signal have been finished by the way of graphic interface based on LabVIEW.Simulation results show this system based on LabVIEW can provide a precise and high efficiency way to implement multi-function signal analysis， which has good application foreground.

【Key words】LabVIEW； Time domain analysis； Frequency domain analysis； Simulation

0 引言

傳統(tǒng)的基于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的硬件信號(hào)分析工具，雖然其精度高，但是硬件依賴(lài)性強(qiáng)、功能單一、價(jià)格昂貴、使用不靈活[1]，例如示波器、頻譜分析儀等。而實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)LabVIEW作為虛擬儀器的核心部分，它基于圖形化的界面，從數(shù)字化的指標(biāo)入手，融合多種信號(hào)分析方法，可以全面提高工程信號(hào)分析開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的效率，易于操作[2]。本文從信號(hào)分析的主要方法出發(fā)，研究了信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析方法，利用LabVIEW 開(kāi)發(fā)了相關(guān)信號(hào)分析方法的系統(tǒng)，并對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)分析系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、高效工作，滿足了應(yīng)用的需求。

1 LabVIEW簡(jiǎn)介及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

LabVIEW 作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)的核心部分，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境[1]。它為用戶提供了簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)的圖形編程方法，把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成了用菜單或圖標(biāo)提示的方法進(jìn)行選擇功能，再用線條把各種功能連接起來(lái)完成設(shè)計(jì)。LabVIEW 的應(yīng)用程序，由前面板、流程圖以及圖標(biāo)/連結(jié)器三部分構(gòu)成[2]。LabVIEW 軟件平臺(tái)采用數(shù)據(jù)流模型，自動(dòng)多線程運(yùn)行程序，可充分利用處理器特別是多核處理器的處理能力，且內(nèi)建的編譯器在用戶編寫(xiě)程序的同時(shí)就在后臺(tái)自動(dòng)完成了編譯[4]。因此，利用LabVIEW 可以便捷、高效地構(gòu)建界面美觀、功能豐富的虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析等功能[6]。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

如圖1 信號(hào)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，本文主要從兩個(gè)方面對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，包括時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析又分為參數(shù)測(cè)量、瞬態(tài)特性測(cè)量和諧波失真分析；頻域分析包括幅值譜分析、相位譜分析和功率譜分析。

2 時(shí)域分析

2.1 參數(shù)測(cè)量

參數(shù)測(cè)量主要完成對(duì)波形的平均值、均方根值、峰峰值、均值等的測(cè)量并且把它變成了數(shù)字指標(biāo)，更便于觀察。本文采用了LabVIEW強(qiáng)大的自帶函數(shù)——幅值和電平測(cè)量VI，通過(guò)這個(gè)強(qiáng)大的內(nèi)置函數(shù)分析就算出這些參數(shù)變量。

2.2 瞬態(tài)特性測(cè)量

瞬態(tài)特性測(cè)量用于測(cè)量信號(hào)的瞬態(tài)特性，包括持續(xù)期（上升或下降的時(shí)間）、邊緣斜率、前沖或過(guò)沖。

2.3 諧波失真分析

諧波失真分析用于分析信號(hào)的諧波，包括信號(hào)的基頻、各諧波的幅值及總的諧波失真在內(nèi)的信號(hào)的各種諧波。

時(shí)域分析的程序框圖如圖2所示，其前面板如圖3所示。

3 頻域分析

雖然在實(shí)際測(cè)量時(shí)獲取的是時(shí)域波形，但僅通過(guò)時(shí)域上的簡(jiǎn)單分析無(wú)法取得有規(guī)律或有價(jià)值的信息，無(wú)法徹底地反應(yīng)出信號(hào)的全部特征[7]，這時(shí)需要把問(wèn)題轉(zhuǎn)換到頻域來(lái)處理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析。LabVIEW中主要是在對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT（快速傅里葉變換）分析基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)施頻域分析的[4]。信號(hào)的幅度相位譜用于對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT變換，并求出變換的幅值譜和相位譜；信號(hào)的功率譜分析反映了信號(hào)在頻率上的能量分布，突出信號(hào)頻譜的主頻率[10]。本文的頻域信號(hào)分析的程序框圖如圖4所示，其前面板如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從時(shí)域和頻域的角度出發(fā)，利用LabVIEW 構(gòu)建信號(hào)分析的軟件系統(tǒng)，對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行了參數(shù)測(cè)量、瞬態(tài)特性測(cè)量、諧波失真分析、幅值譜分析、相位譜分析和功率譜分析，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了LabVIEW 平臺(tái)開(kāi)發(fā)信號(hào)分析系統(tǒng)的有效性和高效性。LabVIEW 作為目前國(guó)際上唯一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言，它為用戶提供了簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)的圖形編程法，把復(fù)雜、煩瑣、的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成菜單或圖標(biāo)提示的方法，具有巨大的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步地推廣應(yīng)用到虛擬儀器教學(xué)、工程應(yīng)用等領(lǐng)域。

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