基于LabVIEW的信号FFT功率谱分析系统

刘小群

(宝鸡文理学院 物理与光电技术学院， 宝鸡 721016)

0 引言

目前，信号发生器已广泛地应用于工业测试和教学科研等领域，而传统的信号发生器存在功能固定、不能扩展、仪器组装与维修工作复杂、价格较贵、不易携带等主要缺点。虚拟仪器能够使得用户按照自己的需求设计系统功能，采用模块化设计思路，使用方便，用户可以自行定义仪器的功能。彻底改变了传统仪器功能由开发者预先自定义、仪器不可调控的缺点。FFT功率谱分析对于信号的特点及频域特性十分重要，本文设计了基于LabVIEW的信号FFT功率谱分析系统，首先产生两种不同类型的波形，然后经过滤波器滤波后通过FFT功率谱分析模块对滤波后的信号进行功率谱分析。

1 FFT功率谱分析系统的设计

1.1 FFT功率谱分析系统的功能要求

所设计的FFT功率谱分析系统的功能如下。

(1) 能产生两种基本波形如正弦波、方波、三角波、锯齿波等函数波形，且波形频率可以调节。

(2) 将所产生的波形通过滤波器进行滤波，滤波器的类型及窗函数可以选择。

(3) 将滤波以后的波形通过FFT功率谱分析模块进行功率谱分析并输出功率谱波形图。

(4) 前面板上显示所产生的波形的频率、类型、窗函数的类型、滤波器的类型，并且可以方便调节。同时显示产生的两种波形、滤波以后的波形及其功率谱波形。可以通过“停止”按钮使整个运行着的程序停止。

1.2 FFT功率谱分析系统前面板的设计

前面板是图形用户界面，也就是虚拟仪器面板， 用于用户输入和输出两类对象。 在前面板上具体显示有信号类型的选择、频率调节滑杆、窗函数的类型、滤波器的类型等[2]。所设计的FFT功率谱分析系统前面板如图1所示。

用户可以通过键盘和鼠标控制前面板上的开关和按钮，通过选择信号类型能够实现input1、input2的信号类型的选择输出，而且通过调节滑杆可以改变所选输出波形的频率。公共显示部分是三个波形图显示控件，用于显示用户通过设

图1 FFT功率谱分析系统的前面板

置波形发生器产生的要输出的波形信号，滤波器处理以后的信号及功率谱波形，以便用户方便直观地看到所产生波形信号、滤波后的波形及其功率谱波形。设置“停止”按钮的作用是使整个运行着的程序停止。

2.3 FFT功率谱分析系统程序框图的设计

程序框图中放置程序的源代码，在程序框图中进行编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。 程序框图中包括前面板上控件的连线端子，还有函数、 结构和连线等[3-4]。FFT功率谱分析系统的程序面板如图2所示。

图2 FFT功率谱分析系统的程序框图

虚拟任意波形发生器包括硬件和软件两部分。硬件通常包括通用计算机和外围硬件设备。通用计算机可以是笔记本电脑、台式机等。外围设备可以选择GPIB系统、VXI系统、PXI系统、数据采集系统或其他系统，也可以选择由两种或两种以上系统构成的混合系统。

软件部分采用专业的LabVIEW图形化虚拟仪器开发工具。FFT功率谱分析系统主要由软件完成输出波形信号的产生和滤波器滤波及FFT功率谱分析。输出波形频率的变化的具体实现是将波形数据写入数据采集卡的缓冲区当中，通过设置缓冲区的更新频率(改变内部的时钟频率)来实现输出数据频率的变化[5]。

波形产生模块是FFT功率谱分析系统的核心。利用该模块可实现正弦波、方波、锯齿波、三角波等波形。产生原理是通过调用基本函数发生器来实现。每一个波形周期内的点数可以通过采样点数来设置，信号的幅值、频率、相位、占空比等都可以设置，信号类型是通过枚举数据类型进行选择，然后利用While循环，使程序反复执行，就可以连续输出正弦波形、方波、锯齿波、三角波等。将产生的两路波形数据通过创建数组函数处理后在同一个波形图中进行显示。滤波器的类型、窗函数的类型都可以在前面板上选择，滤波后的两路波形在一个波形图显示控件中进行显示，便于对比分析。滤波后的波形经过FFT功率谱分析函数分析后输出显示。便于分析波形的频域特性。

与模拟信号相比，利用软件的方法产生的波形数字序列虽然存在着一定的误差，但只要一个周期内选的点数足够的多。就可以使误差降到最低，对结果的影响最小。利用软件产生波形的一个最大的优点是使仪器的成本大大降低，而且使仪器小型化，智能化。

2.4 FFT功率谱分析系统功能测试

FFT功率谱分析系统功能测试主要包括以下几个方面

(1) 能产生两种基本波形如正弦波、方波、三角波、锯齿波、斜坡上升、斜坡下降等函数波形，且波形频率可以调节；

(2) 将所产生的波形通过滤波器进行滤波，滤波器的类型及窗函数可以选择；

(3) 将滤波以后的波形通过FFT功率谱分析模块进行功率谱分析并输出功率谱波形图；

(4) 前面板上显示所产生的波形的频率、类型、窗函数的类型、滤波器的类型，并且可以方便调节。同时显示产生的两种波形、滤波以后的波形及其功率谱波形。

可以通过“停止”按钮使整个运行着的程序停止。仿真测试结果如图3、图4、图5所示。

图3 三角波+方波输出显示

图4 正弦波+方波输出显示

经仿真，通过选择信号类型，FFT功率谱分析系统能够

实现正弦，方波，三角波，锯齿波信号的输出，并对两路信号进行滤波处理后进行FFT功率谱分析，在同一个波形图控件中显示分析结果。而且，可以选择信号类型、调节信号频率、选择滤波器类型、窗函数类型等。运行时停止按钮能够使整个运行着的程序停止。

图5 三角波+正弦波输出显示

3 总结

虚拟仪器技术是现代仪器技术与计算机技术相结合的产物，它的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向[6]。 本课题主要利用虚拟仪器技术LABVIEW软件开发平台设计了FFT功率谱分析系统，所设计的FFT功率谱分析系统不仅可以产生正弦波，方波，三角波，锯齿波，而且通过调节旋钮可以改变所选输出波形的幅值和频率，其具有设计简单，灵活性强的优点，摆脱了传统仪器独立使用， 手动操作的模式，解决了高性能的多功能信号发生器价格高的问题，得到了广泛的应用[7]。