【文章內容簡介】 試儀的程序根據(jù)以上程序制作的失真度測試儀存在10%左右的測量誤差，不能滿足高精度的測量要求。其主要原因是頻譜泄漏以及疊加在信號上的干擾所引起的，要設計一高精度的失真度測試儀就要解決這兩個影響因素。對此，我們可以采用頻率跟蹤和均值濾波技術。其流程如圖49.圖49 高精度失真度測試儀的工作流程圖頻率跟蹤技術即首先精確地測量出被測信號的周期(頻率)，然后根據(jù)測得的信號周期對采樣頻率進行實時調整，使得單位信號周期內的采樣點數(shù)始終為2n 。該技術可以將非整周期部分的采樣點數(shù)r限制在177。1內，從而最大程度地抑制頻譜泄漏。使非整周期采樣所引入的測量誤差降到最低程度。同時，頻率跟蹤技術可實現(xiàn)對被測信號的一個周期采樣2n次，于是在進行頻譜分析時，可以用快速傅里葉變換取代離散傅里葉變換。使運算速度大幅度提升，同時也彌補了頻率跟蹤過程中測量信號周期所耗費的時間。當r=177。1時，采樣點數(shù)越多，頻譜泄漏越小，諧波失真度分析的精度就越高；然而采樣點數(shù)越多。頻譜分析時間也越長。而且當采樣點數(shù)多到一定程度時，r對測量精度的影響不再明顯。綜合這兩點因素我們可選取適當采樣點數(shù)來測量。 虛擬失真度測試儀測試結果6 35 3 2 1 4 3圖410虛擬失真度測試儀的測試結果上圖是對實際輸入信號（）進行的諧波失真度分析，諧波電平在下方數(shù)字顯示，圖形為自功率譜。面板介紹：圖中1區(qū)為被測信號自功率譜顯示；2區(qū)為被測信號諧波電平數(shù)字顯示；3區(qū)為窗函數(shù)設置部分；4區(qū)為基頻測量數(shù)據(jù)顯示及總諧波失真度數(shù)字顯示；5為失真度測試儀的開關；6為虛擬電工表2的總開關。當6兩個開關同時開啟后，虛擬失真度測試儀開始工作。 虛擬功率表的設計 功率測量原理通常功率測量的方法是：通過測量已知負載電阻兩端的電壓U，并利用關系式P=U2/R計算功率的方法來測量功率。本設計是仿照電能質量監(jiān)測儀的功能原理，設計的一單向功率測量儀，根據(jù)公式P=U*I,根據(jù)電壓和電流的波形，測得相位差及有功功率。 功率測量軟件設計圖411虛擬功率表的程序框圖功率測量程序如圖411所示，根據(jù)有功公式P=UI*cosθ編寫程序，均方根由框圖進行測量。 功率仿真測量結果 4 36 35 32 1 1圖412虛擬功率表的測試結果面板介紹：圖中1區(qū)為被測信號電壓、電流信號波形（軟件模擬產生）；2區(qū)為測量結果數(shù)字顯示；3區(qū)電壓信號設置部分；4區(qū)電壓信號設置部分；5為功率表的開關；6為虛擬電工表2的總開關。 計算器設計當我們進行數(shù)據(jù)測量時，必然會進行數(shù)據(jù)的記錄與計算。本計算器面板設計就是為了更方便使用本虛擬電子測量儀器。面板包含計算器功能，并另設草紙記錄區(qū)，方便記錄與運算。其程序框圖如圖451所示，測試結果如圖413所示。圖413計算器的程序框圖計算器程序很簡單，主要用到LabVIEW的基本運算符號編寫，如、、……。5 342 11 13 3圖414計算器的測試結果面板介紹：圖中1區(qū)為計算結果顯示部分；2區(qū)為計算器按鍵部分；3計算器開關；4區(qū)草紙區(qū)；5為虛擬電工表2的總開關。第五章 虛擬頻譜分析儀的重構本章首先介紹了時域與頻域的關系，接著介紹了傳統(tǒng)頻譜分析儀的設計思想、儀器功能及使用情況，主要講述虛擬頻譜分析儀的重構―虛擬儀器技術，給出了傳統(tǒng)頻譜分析儀與重構的虛擬頻譜分析儀各自的特點并進行了比較。 時域與頻域關系對于一個電信號，可以用它隨時間的變化情況來表示。各種電子示波器實現(xiàn)的波2形測試方法則屬這一類，一般稱它為時域分析方法。另一類是用信號所含的各種頻率分量（頻譜分布）來表示的，由頻譜分析儀來測量，一般稱它為頻域分析方法。這里所說的“譜”，系只按一定規(guī)律列出的圖表或繪制的圖像。諸如音樂的樂譜，京劇演員的臉譜，等等。頻譜是指信號按頻率順序排列起來的各種成分，當只考慮其幅值時，稱為幅度頻譜，簡稱頻譜。對于任意電信號的頻譜所進行的研究，稱為頻譜分析。一個周期信號，由基波和各次諧波等組成。其頻譜表示如圖511所示。圖中每一根縱線的長短代表一種正弦分量幅值（模）的大小，并且只取正值。稱這些縱線為“譜線”。既然時域和頻域兩種分析方法都能表示同一信號的特性，那么他們必然是可以互相轉換的。時域分析是研究信號的瞬時幅度u與t的關系，而頻域分析是研究信號中各頻率分量的幅值A與頻率f的關系。將二者畫在一個圖上即可看出他們之間的內在聯(lián)系，如圖512所示。 圖51 周期信號的頻譜圖 圖52 時域與頻域的關系示意圖從上可以看出，時域分析與頻域分析雖然可以用來反映同一信號的特性，但是它們分析的角度是不同的，各有適用場合。 傳統(tǒng)頻譜分析儀 傳統(tǒng)頻譜分析儀的工作原理頻譜分析儀架構猶如時域用途的示波器，外觀如圖53 所示，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統(tǒng)功能之調整與控制，系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性。圖53掃瞄調諧頻譜分析儀原理框圖頻譜分析儀依信號處理方式的不同，一般有兩種類型；實時頻譜分析儀(RealTime Spectrum Analyzer)與掃瞄調諧頻譜分析儀(SweepTuned Spectrum Analyzer)。實時頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器與檢知器(Detector)，再經由同步的多任務掃瞄器將信號傳送到CRT 屏幕上，其優(yōu)點是能顯示周期性雜散波(PeriodicRandom Waves)的瞬間反應，其缺點是價昂且性能受限于頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與最大的多任務交換時間(Switching Time)。信號流程架構如圖54 所示。圖54掃瞄調諧頻譜分析儀原理框圖最常用的頻譜分析儀是掃瞄調諧頻譜分析儀，其基本結構類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號經衰減器直接外加到混波器，可調變的本地振蕩器經與CRT 同步的掃瞄產生器產生隨時間作線性變化的振蕩頻率，經混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號（IF）再放大、濾波與檢波傳送到CRT 的垂直方向板，因此在CRT 的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應關系，信號流程架構如圖55所示。圖55實時頻譜分析儀原理框圖 虛擬頻譜分析儀虛擬頻譜分析儀改變了傳統(tǒng)頻譜分析儀的整體設計思路，用軟件代替了硬件?？梢暂p松完成信號的采集、處理及頻譜分析。虛擬信號頻譜分析儀應可以接收來自數(shù)據(jù)采集卡、其他儀器的數(shù)據(jù)，也可以實現(xiàn)典型信號的產生，并經FFT處理后獲得頻譜分布圖。其主要功能應包括：數(shù)據(jù)采集與控制、信號分析和處理、數(shù)據(jù)文件存儲和讀取。在設計過程中也是基本上遵循模塊化設計思想，根據(jù)所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后再集成和調試。下面對儀器工作原理及各個功能模塊的設計思想作簡要介紹。 虛擬頻譜分析儀的工作原理及實現(xiàn)方法本設計采用的是數(shù)字處理式頻譜分析原理，以美國NI公司的LabVIEW軟件為開發(fā)平臺。工作流程如下：連續(xù)時間信號經過采樣．將變?yōu)殡x散時間信號．利用LabVIEW 強大的數(shù)字信號處理功能，對數(shù)據(jù)進行濾波、加窗、FFt運算處理，得到信號的幅度譜、相位譜以及功率譜等結果。在采樣過程中．對不同的頻率信號，選用合適的采樣速率，以滿足采樣定理．從而防止頻率混疊。進行傅立葉變換的數(shù)據(jù)在理論上應為無限長的離散數(shù)據(jù)序列。實際上，只能對有限長的信號進行分析與處理，所以必須對無限長離散序列截斷，只取采樣時問內有限數(shù)據(jù)。這樣就存在頻譜泄漏。在本設計中用加窗的方法來減少頻譜泄漏。這里分別用到矩形窗、漢寧窗、哈明窗、布來克曼窗等窗函數(shù)。由于取樣信號中混疊有噪聲信號．為了消除干擾，在進行FFT變換之前，要先進行濾波處理。本設計采用了巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、橢圓(Ellipse)、貝塞爾(Besse1)等濾波器。 信號頻譜分析基礎傅立葉變換是信號頻譜分析中常用的一個工具了，它把一些復雜的信號分解為無窮多個相互之間具有一定關系的正弦信號之和，并通過對各個正弦信號的研究來了解復雜信號的頻率成分和幅值。信號頻譜分析是采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f)。時域信號x(t)的傅立葉變換為: 式中X(f)為信號的頻域表示，x(t)為信號的時域表示，f為頻率。(FFT)快速傅里葉變換是對DFT的算法進行改進獲得的。能在工程實際中用來減少計算次數(shù)，縮短計算時間的快速算法。簡稱FFT。當信號的采樣點數(shù)是2的冪時，就可以采用這種方法。LabVIEW提供了FFT圖標，可供直接調用進行快速頻譜分析。問題在于如問選取采樣時間問隔Ts，取多少個采樣點N，截取長度t0應為多大，以保證頻率分析的精度。對于一個無限長的信號，其頻譜是連續(xù)的，要利用計算機對它進行頻譜分析時，必須將它截斷，使其成為有限長度為tp的信號。經過有限截取的信號就轉化為周期為tp的周期信號。相應的，頻率由原來的連續(xù)譜變?yōu)殡x散譜。于是在離散譜之間的頻率分量就被“擋住”而丟掉，這就相當于透過柵欄觀賞風景，只能看到頻譜的一部分，而其它頻率點看不見，由于用數(shù)值方法只能算出連續(xù)頻譜中N個抽樣點處的值，因此很可能使一部分有用的頻率成份被漏掉，它不能代表頻譜的完整分布，這一現(xiàn)象稱為柵欄效應。例如，截取信號長度為tp=，則可獲得譜線的頻率為2Hz(基波)，4Hz，6Hz，SHz，10112，12HZ，…如果信號有5Hz的峰值分量，則被柵欄擋住而無法檢驗出來。這種情況可以通過提高頻率的分辨率F來改善:F=1/NT增大T將會減小采樣頻率，故需注意必須保證滿足采樣定律。增大N，要滿足2n=N的要求。對于某些衰減信號可以采取補零來增加N的數(shù)值。時域無限長信號X(t)被截斷，相當于用矩形窗函數(shù)。ω(t)=1(Tt0)或0(其他)與x(t)相乘，窗外時域信息全部損失，導致頻域增加頻率分量的現(xiàn)象。 虛擬頻譜分析儀的架構本設計為一雙通道虛擬頻譜分析儀，是由計算機()、數(shù)據(jù)采集硬件板卡 (前置程控放大、高速數(shù)據(jù)采集、CPLD邏輯控制等)以及數(shù)據(jù)通信接口總線（ EZUSB FX2系列芯片）組成，總體設計框圖如圖56所示。輸入信號前置程控放大電路雙通道數(shù)據(jù)采集USB數(shù)據(jù)通信模塊基于LabVIEW軟件處理PC機存儲與顯示邏輯控制單元輸入信號圖56 虛擬頻譜分析儀設計框圖被測信號通過放大、濾波、隔離等處理，調理后的信號經數(shù)據(jù)采集卡進行A／D轉換，將模擬信號轉換為數(shù)字信號，最后由控制軟件對測試信號進行頻譜分析和處理，得到測試結果，并按要求顯示和存儲結果。本設計采用吉林大學儀器科學與電氣工程學院自主研制的“VIETS虛擬儀器實驗教學系統(tǒng)”中數(shù)據(jù)采集卡VI5102進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了儀器的重構。它有兩個模擬輸入通道，支持兩路單端或差動模擬信號輸入；具有雙8位的連續(xù)A／D轉換， 3個10位的定時計數(shù)器。允許系統(tǒng)設置DMA、中斷和基本的輸入／輸出地址，避免了同系統(tǒng)中的其它板卡的地址沖突。最大抽樣速率為40MS／s，輸入信號范圍為5V～+5V或OV～10V。另外，它還具有兩個模擬輸出通道。采集數(shù)據(jù)通過USB總線上傳至上位機進行數(shù)據(jù)處理。 基于LabVIEW的軟件設計 軟件開發(fā)平臺本設計采用的是美國NI公司的LabVIEW平臺。LabVIEW是基于圖形化編程語言C的開發(fā)環(huán)境。它通過建立和連接圖標來構成虛擬儀器程序，而無需像傳統(tǒng)的文本編輯形式那樣，編寫源代碼來實現(xiàn)。LabVIEW虛擬儀器程序簡稱為VI，主要包括三個部分：前面板、框圖以及圖標、連接器，其中前面板是VI的交互式用戶界面，是用戶和程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口；框圖是VI的源代碼，是由圖標、連線等符號組成；圖標和連接器則用來指定數(shù)據(jù)流進流出的路徑，圖標是VI的圖形符號，連接器則對輸入和輸出進行定義。完整的LabVIEW程序設計包括前面板設計、框圖程序設計、程序調試以及可執(zhí)行程序生成。 軟件流程組建虛擬頻譜分析儀系統(tǒng)的關鍵是軟件編程， 即根據(jù)功能要求編制相應的功能模塊，實現(xiàn)通信，將采集到的數(shù)據(jù)進行軟件處理，實現(xiàn)頻譜分析的功能，軟件流程圖如圖57所示。圖57 虛擬頻譜分析儀的軟件流程 虛擬頻譜分析儀的模塊設計 頻譜分析功能模塊頻譜及幅相譜的定義：設為一功率有限信號，其傅氏變換為（其中）。稱為的頻譜。一般為復數(shù)，所以可寫成由此得到信號的幅值譜和相位譜離散形式的幅值譜和相位譜為了實現(xiàn)頻譜儀的功能，本系統(tǒng)采用了FFT算法。對采樣信號進行FFT運算就可以得到信號頻譜。在LabView中可以使用FFT控件實現(xiàn)FFT算法，編程很簡單。 圖57 為頻譜分析功能程序框圖，程序中采用了“復數(shù)至極坐標轉換” 函數(shù)（位于【編程】 【數(shù)值】 【復數(shù)】子選板）將FFT的輸出分解為幅值和相位，相位的單位為弧度。 圖57為labview中實現(xiàn)頻譜分析功能的程序由于采樣序列為實數(shù)序列，采用LabView中的實FFT控件對其進行處理，首先要將采樣序列的長度限定為2的整數(shù)次冪。因為實數(shù)序列經FFT處理后的幅度具有對稱性，只須取FFT輸出序列長度的1/2作為結果，即進行單邊FFT變換，此時須將輸出序列中除直流分量以外的各幅度值乘以2才能得到正確的結果。另外本程序中使用“采樣頻率/采樣點數(shù)”的值作為頻譜圖顯示的步進值，因此在頻譜顯示中直接以頻率值作為橫坐標，顯示的最大頻率范圍為采樣頻率的1/2。 諧波分析(失真度分析)功能模塊利用諧波失真度分析，我們可以實現(xiàn)正弦波的失真度測量，該用途在實際應用中很普遍也很重要。Auto =ΣXkXj+k（j=(M1),(M2),…,1,0,1,…(M2),(M1)。k∈[0,N1]）其中，Xj=0（j0或j=N）,Yj=0（j0或j=M）.用圖58所示諧波失真度分析程序，可以得到自功率譜、功率譜、總諧波失真度（THD%）、基波頻率、N次諧波分量的幅度