基于LabV IEW的信号分析仪的设计

陈贞

(莆田学院电子信息工程学系，福建莆田 351100)

数字信号处理是电子信息类专业的重要专业基础课程之一，其基本理论和方法具有广泛的应用［1］，目前的教学实验方式为，教师对课本内容作讲解，配合使用多媒体课件展示一些图片，在实验中使用传统的实验设备，即以指示灯和部分开关模拟整个工业生产现场的设备，学生在实验中既体会不到信号特性分析对象的概念，也无法领会信号分析仪中时域分析部分和频域分析部分的形象分析.不利于培养学习兴趣，教学效率也较低.而信号分析仪实验室的一套分析设备，需要资金和人员的维护，是典型的信号分析仪器产品和理想的教学实验设备.但是这样的设备不能搬进课堂里，并且从数量上也无法满足所有学生的实验要求.

将虚拟现实技术引入计算机系统成为虚拟实验室，来虚拟地实现各种实验环境和实验操作，它是在计算机仿真基础上发展起来的一项应用技术.利用计算机强大的图形和数据处理功能可以虚拟仿真实验室的物理系统及其控制系统，将计算机辅助技术与虚拟仪器技术通过数据交换共享建成的虚拟仿真实验，能够代替部分实际实验项目供学生学习.这样的实验同样能给人创造一种近乎进行真实实验的感觉，实验者可以像在真实环境中一样完成实验项目，对学生创新能力的培养起到重要的促进作用.

1 信号分析仪的总体设计

本设计实现了基于LabVIEW的信号分析仪平台，具有初级信号处理、信号的时域分析、信号的频域分析等模块和数字功能、图形化功能及存储数据功能的信号分析仪的教学系统平台.

系统软件环境:采用WINXP中文操作系统和LabVIEW8.6开发平台，使用结构化和模块化的编程思想进行应用软件设计［2］.在LabVIEW开发平台下，模块化编程是实现软件结构化的重要手段.系统应用程序分为四个模块:数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和波形处理模块.在具体编程时按层次结构将每一个细节任务编制成结构完整、功能相对独立的子程序块.软件部分总体构成如图1所示.

图1 软件总体框图

信号采集模块:信号采集模块完成测量信号参量的采集，即从实验教学随机采集的各种信号，然后通过LabVIEW虚拟仪器的驱动程序完成信号采集过程.

信号处理模块:信号处理模块是本系统软件的核心部分，主要对采集得到的信号进行处理，分析常见波形信号的时域、频域和信号特性等.

信号存储模块:信号存储模块完成将各模块分析后的数据以Excel格式保存在文件中，并存放在计算机硬盘一定的目录下以便操作人员查阅和进行统计分析.

波形处理模块:波形处理模块包括波形数据的存盘和波形的回放以及波形图像的保存.其中波形图像保存为bmp格式.

2 主界面总体设计

为了提高《信号分析与处理》课程的教学水平，通过分析课程的特点和教学内容［3］，研究了在目前技术条件下实验教学系统的构成要求，设计了一种基于虚拟仪器的综合实验教学系统.该实验教学系统把理论知识和虚拟仪器系统结合起来，构成一个综合实验教学系统，内容包括初级信号处理模块、信号的时域分析模块、信号的频域分析模块和信号滤波及特性分析模块，这四个模块都是信号分析与处理教程的重中之重.主界面图和程序框图分别如下图2(a)、图2(b)所示.

3 信号分析仪的模块设计

3.1 初级信号处理模块

该模块是本设计的第一个小模块，也是信号分析与处理的基础知识，总共包括信号的发生、信号的微分和积分以及周期信号的平均值和均方根.

基本信号发生模块是信号分析最基础的知识模块，以此模块为基础，在接下来的模块设计中在分区段的进行信号分析处理，以达到本次课题的设计目标和实现价值.该模块由一个基本函数信号发生器控件和一个波形控件共同来完成的模块.前面板图和程序框图分别如下图3(a)、图3(b)所示.

3.2 时域分析模块

连续时间信号的时域分析就是将不同形式的信号波形用不同的时间函数来描述.本模块包括信号的自相关性、信号的卷积定律、信号的互相关性和周期信号的时域特性测量.

周期信号的时域特性测量使用方波波形和高斯白噪声波形共同叠加完成模块实现，参数模块设计过程中增加了方波频率、方波幅值、采样参数、噪声标准差分别通过方波波形和高斯白噪声波形，之后进行叠加产生波形图，同时还经过瞬态特性测量和脉冲测量分别进行时域特性分析.前面板和程序框图如下图4(a)、图4(b)所示.

图4 (a)前面板图

图4 (b)程序框图

3.3 频域分析模块

频域分析是通过傅里叶变换来观察信号的频率组成成分.傅里叶变换的一个基本应用就是计算信号的频谱，通过频谱可以方便地观察和分析信号的频率组成成分.学生从本环节中可以清晰地观察到振动信号的频率组成成分.

其中四种常见波形的频谱分析模块在输出端一边经过捆绑输出频谱分析图，另一边通过FFT的变换，再通过复制极坐标的转换，最后再通过捆绑产生变换后的频谱分析波形图.前面图和程序框图如下图5(a)、图5(b)所示.

图5 (a) 前面板图

图5 (b)程序框图

3.4 信号滤波及特性分析模块

该模块包括了窗函数及滤波器的应用，调幅波解调器，信号的互平稳性－声卡设计，虚拟函数信号发生器.

虚拟函数信号发生器模块是信号分析最综合的知识模块，也是本次设计程序的整个过程思想的实现方法，仅以此模块为基础，在接下来的模块设计中在分区段的进行信号分析处理，以达到系统的设计目标和实现价值.该模块由一个基本函数信号发生器控件和一个公式波形控件共同来完成的模块.前面板图和程序框图如下图6(a)、图6(b)所示.

图6 (a)前面板图

4 结论

基于虚拟仪器概念的信号分析仪系统，使用LabVIEW8.6版本虚拟仪器软件，最终实现了基于信号分析仪的教学平台的设计，具有频谱分析仪功能的谐波分析仪系统，并具备数字存储示波器功能.由于使用了LabVIEW进行系统的软件开发，使得本系统具有很好的通用性和灵活性.

但本系统的数据存储和回放模块还只能完成单通道的存储和读取，不能实现双通道数据的同时存储和读取，这一方面有待进一步加强.另外所开发的虚拟信号分析分析仪还未具有网络功能.

图6 (b)程序框图

［1］王怀兴.基于Labview的信号与系统仿真实验系统设计［J］.湖北第二师范学院学报，2009，26(2):76－78.

［2］袁渊，古军.Labview程序设计与应用［M］.西安:电子科技大学出版社，2000.

［3］徐科军.信号处理技术［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2002.