基于LabView的虚拟频率特性测试仪的设计.doc

收稿日期09.15 基于LabVIEW的虚拟频率特性测试仪赵清艳 朱斌(华南理工大学 广州 510640)摘要：采用虚拟仪器的设计思想，设计了基于LabVIEW的频率特性测量虚拟仪器。这个虚拟仪器能够根据不同的设定，产生一系列不同频率的激励信号加到实际被测的网络(或系统)上，使用相应的信号测量手段和处理方法，快速得到网络的幅频和相频特性。关键词：LabVIEW，虚拟仪器，数据采集，频率测量The Instrument of Virtual Frequency Measurer Based on LabVIEWZhao Qing-yan Zhu Bin(School of Software Engineering, South China University of Technology, Guangzhou,510640)Abstract:This frequency measurer was realized base on LabVIEW by Virtual Instrument Technology.It can create a serial of frequency response and phase response rapidly by some technique of measurement and processing after the signal of dissimilar frequency was provided and passed actual measured system.Key Word: LabView, Virtual Instrument, Data Acquisition, frequency measurement. 1 引言随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展,以及它们在各种测量技术与仪器仪表上的应用,使新的测试理论、测试方法、测试领域和仪器结构不断涌现并趋向成熟,传统测试仪器的概念已逐渐被仪器软件化的概念所代替，使得测试仪器向标准化、网络化、软件化方向发展。所谓虚拟仪器是指基于计算机的软硬件测试平台，它由通用计算机，模块化功能硬件和控制专用软件组成，用户能够根据自己的需要设计和扩展仪器的测试功能。与传统仪器相比，它在开放性、灵活性、智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性、可扩展性等方面有着明显的优势。NI公司的LabVIEW就是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台。2 虚拟频率特性测试仪的功能与结构21虚拟频率特性测试仪的功能频率特性测试仪简称扫频仪，它是一种把扫频信号发生器和示波器结合起来的测试仪器。虚拟频率特性测试仪改变了原有频率特性测试仪的整体设计思路。用软件代替了硬件，测试人员可以用一部电脑加相应的数据采集卡就可以轻松完成网络或系统频率特性的测量，得到相应的幅频和相频特性，同时完成测量结果的显示和保存。22虚拟频率特性测试仪的结构被测网络数据采集设备计算机用LabVIEW开发的应用软件虚拟频率特性测试仪由计算机、数据采集卡和相应的软件（用LabVIEW开发的应用软件）组成。结构如图1所示：图1 虚拟频率特性测试仪的结构该虚拟频率特性测试仪用到数据采集卡的模拟输入和模拟输出两个功能，用模拟输出功能产生所需的激励信号，并将其加到被测网络上，再用两个模拟输入通道将激励信号和网络输出端的响应信号同时采集到计算机中，经处理后，构成幅频和相频特性曲线，并显示在计算机屏幕上。3 虚拟频率特性测试仪软件设计3.1 测量原理与算法该虚拟频率特性测试仪的基本测量原理是使用随机信号白噪声作为激励信号，通过数据采集卡的模拟输出功能将激励信号加到被测网络上，再用两个模拟输入通道将激励信号和网络输出端的响应信号同时采集到计算机中，计算随机信号的自功率谱和随机信号和响应信号的互功率谱，根据随机信号通过线性时不变系统的特征，得到系统的幅频特性和相频特性。1白噪声作为随机信号,含有丰富的频率成分。设随机信号X(t)是由依赖于时间t的随机变量组成，对随机信号X(t)进行时间离散化得到X(n)，对X(n)的每一次实现记为X(n,i)，X(n)的自相关函数如下： 公式（1）随机信号X(n)自功率谱为： 公式（2）设随机信号X(n)通过单位抽样响应为h(n)的线性时不变系统，输出为Y(n)，输入输出仍满足关系式： 公式（3）随机信号X(n)与Y(n)的互功率谱为： 公式（4）根据随机信号通过线性时不变系统的特性，输入输出序列满足以下关系式： 公式（5） 公式（6）将上面两式转换到频域中进行分析，得到： 公式（7） 公式（8）整理得： 公式（9） 公式（10） 公式（11）3.2 软件模块结构该虚拟频率特性测试仪软件模块主要分为参数设置模块、激励信号产生、数据采集、谱分析、滤波处理、波形显示、波形保存模块。各模块之间的数据流图如图2所示：设置保存路径设置窗函数设置采样率和样本数设置信号频率和样本数被测网络开始产生激励信号数据采集参数设置谱分析滤波处理波形显示波形保存 图2 各模块数据流图3.2.1激励信号的产生使用LABVIEW自带的函数Gaussian White Noise Waveform VI产生激励信号，激励信号频率Fs和样本数的设置应当根据被测网络的需要及数据采集卡的实际情况确定。（框图程序如图3） 图3 激励信号的产生3.2.2谱分析根据虚拟频率特性测试仪的测量原理与算法，采用互功率谱的方法。首先使用Cross Spectrum VI得到激励信号与响应信号的互功率谱，同时使用FFT Power Spectrum VI 得到激励信号的自功率谱；然后根据公式（10）和公式（11）就可以得到系统的幅频响应和相频响应。(框图程序如图4a所示)3.2.3滤波处理在利用随机噪声作为激励信号求网络的频率特性时，通常实验得到的曲线需要做适当的处理。本虚拟仪器首先使用LabVIEW自带的滤波器 Median Filter VI对所得到的响应频率做中值滤波，以剔除曲线中较大的毛刺，然后再利用移动平均法，以使曲线进一步光滑（框图程序如图4b所示）。图4a谱分析 图4b滤波处理 4 结束语该虚拟频率特性测试仪配合不同的数据采集卡，通过参数的设置和调节，可以对从低频到高频不同频率范围的网络进行相频特性和幅频特性的测试和分析，除实现传统频率特性测试仪的功能外，还可以将所测得的波形数据进行显示和保存，以供数据的进一步使用。参考文献：【1】候国屏等著LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计清华大学出版社,20