【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 試儀的程序根據(jù)以上程序制作的失真度測(cè)試儀存在10%左右的測(cè)量誤差，不能滿足高精度的測(cè)量要求。其主要原因是頻譜泄漏以及疊加在信號(hào)上的干擾所引起的，要設(shè)計(jì)一高精度的失真度測(cè)試儀就要解決這兩個(gè)影響因素。對(duì)此，我們可以采用頻率跟蹤和均值濾波技術(shù)。其流程如圖49.圖49 高精度失真度測(cè)試儀的工作流程圖頻率跟蹤技術(shù)即首先精確地測(cè)量出被測(cè)信號(hào)的周期(頻率)，然后根據(jù)測(cè)得的信號(hào)周期對(duì)采樣頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使得單位信號(hào)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)始終為2n 。該技術(shù)可以將非整周期部分的采樣點(diǎn)數(shù)r限制在177。1內(nèi)，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(cè)量誤差降到最低程度。同時(shí)，頻率跟蹤技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期采樣2n次，于是在進(jìn)行頻譜分析時(shí)，可以用快速傅里葉變換取代離散傅里葉變換。使運(yùn)算速度大幅度提升，同時(shí)也彌補(bǔ)了頻率跟蹤過程中測(cè)量信號(hào)周期所耗費(fèi)的時(shí)間。當(dāng)r=177。1時(shí)，采樣點(diǎn)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(diǎn)數(shù)越多。頻譜分析時(shí)間也越長(zhǎng)。而且當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)多到一定程度時(shí)，r對(duì)測(cè)量精度的影響不再明顯。綜合這兩點(diǎn)因素我們可選取適當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)來測(cè)量。 虛擬失真度測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果6 35 3 2 1 4 3圖410虛擬失真度測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果上圖是對(duì)實(shí)際輸入信號(hào)（）進(jìn)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(cè)信號(hào)自功率譜顯示；2區(qū)為被測(cè)信號(hào)諧波電平數(shù)字顯示；3區(qū)為窗函數(shù)設(shè)置部分；4區(qū)為基頻測(cè)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(cè)試儀的開關(guān)；6為虛擬電工表2的總開關(guān)。當(dāng)6兩個(gè)開關(guān)同時(shí)開啟后，虛擬失真度測(cè)試儀開始工作。 虛擬功率表的設(shè)計(jì) 功率測(cè)量原理通常功率測(cè)量的方法是：通過測(cè)量已知負(fù)載電阻兩端的電壓U，并利用關(guān)系式P=U2/R計(jì)算功率的方法來測(cè)量功率。本設(shè)計(jì)是仿照電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的功能原理，設(shè)計(jì)的一單向功率測(cè)量?jī)x，根據(jù)公式P=U*I,根據(jù)電壓和電流的波形，測(cè)得相位差及有功功率。 功率測(cè)量軟件設(shè)計(jì)圖411虛擬功率表的程序框圖功率測(cè)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(jìn)行測(cè)量。 功率仿真測(cè)量結(jié)果 4 36 35 32 1 1圖412虛擬功率表的測(cè)試結(jié)果面板介紹：圖中1區(qū)為被測(cè)信號(hào)電壓、電流信號(hào)波形（軟件模擬產(chǎn)生）；2區(qū)為測(cè)量結(jié)果數(shù)字顯示；3區(qū)電壓信號(hào)設(shè)置部分；4區(qū)電壓信號(hào)設(shè)置部分；5為功率表的開關(guān)；6為虛擬電工表2的總開關(guān)。 計(jì)算器設(shè)計(jì)當(dāng)我們進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，必然會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄與計(jì)算。本計(jì)算器面板設(shè)計(jì)就是為了更方便使用本虛擬電子測(cè)量?jī)x器。面板包含計(jì)算器功能，并另設(shè)草紙記錄區(qū)，方便記錄與運(yùn)算。其程序框圖如圖451所示，測(cè)試結(jié)果如圖413所示。圖413計(jì)算器的程序框圖計(jì)算器程序很簡(jiǎn)單，主要用到LabVIEW的基本運(yùn)算符號(hào)編寫，如、、……。5 342 11 13 3圖414計(jì)算器的測(cè)試結(jié)果面板介紹：圖中1區(qū)為計(jì)算結(jié)果顯示部分；2區(qū)為計(jì)算器按鍵部分；3計(jì)算器開關(guān)；4區(qū)草紙區(qū)；5為虛擬電工表2的總開關(guān)。第五章 虛擬頻譜分析儀的重構(gòu)本章首先介紹了時(shí)域與頻域的關(guān)系，接著介紹了傳統(tǒng)頻譜分析儀的設(shè)計(jì)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(gòu)―虛擬儀器技術(shù)，給出了傳統(tǒng)頻譜分析儀與重構(gòu)的虛擬頻譜分析儀各自的特點(diǎn)并進(jìn)行了比較。 時(shí)域與頻域關(guān)系對(duì)于一個(gè)電信號(hào)，可以用它隨時(shí)間的變化情況來表示。各種電子示波器實(shí)現(xiàn)的波2形測(cè)試方法則屬這一類，一般稱它為時(shí)域分析方法。另一類是用信號(hào)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(cè)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(hào)按頻率順序排列起來的各種成分，當(dāng)只考慮其幅值時(shí)，稱為幅度頻譜，簡(jiǎn)稱頻譜。對(duì)于任意電信號(hào)的頻譜所進(jìn)行的研究，稱為頻譜分析。一個(gè)周期信號(hào)，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(zhǎng)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(shí)域和頻域兩種分析方法都能表示同一信號(hào)的特性，那么他們必然是可以互相轉(zhuǎn)換的。時(shí)域分析是研究信號(hào)的瞬時(shí)幅度u與t的關(guān)系，而頻域分析是研究信號(hào)中各頻率分量的幅值A(chǔ)與頻率f的關(guān)系。將二者畫在一個(gè)圖上即可看出他們之間的內(nèi)在聯(lián)系，如圖512所示。 圖51 周期信號(hào)的頻譜圖 圖52 時(shí)域與頻域的關(guān)系示意圖從上可以看出，時(shí)域分析與頻域分析雖然可以用來反映同一信號(hào)的特性，但是它們分析的角度是不同的，各有適用場(chǎng)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(gòu)猶如時(shí)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(diào)整與控制，系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性。圖53掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀原理框圖頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同，一般有兩種類型；實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RealTime Spectrum Analyzer)與掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀(SweepTuned Spectrum Analyzer)。實(shí)時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器(Detector)，再經(jīng)由同步的多任務(wù)掃瞄器將信號(hào)傳送到CRT 屏幕上，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波(PeriodicRandom Waves)的瞬間反應(yīng)，其缺點(diǎn)是價(jià)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(wù)交換時(shí)間(Switching Time)。信號(hào)流程架構(gòu)如圖54 所示。圖54掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀原理框圖最常用的頻譜分析儀是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀，其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT 同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)（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(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，信號(hào)流程架構(gòu)如圖55所示。圖55實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)思路，用軟件代替了硬件?？梢暂p松完成信號(hào)的采集、處理及頻譜分析。虛擬信號(hào)頻譜分析儀應(yīng)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(shí)現(xiàn)典型信號(hào)的產(chǎn)生，并經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。其主要功能應(yīng)包括：數(shù)據(jù)采集與控制、信號(hào)分析和處理、數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)和讀取。在設(shè)計(jì)過程中也是基本上遵循模塊化設(shè)計(jì)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(diào)試。下面對(duì)儀器工作原理及各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思想作簡(jiǎn)要介紹。 虛擬頻譜分析儀的工作原理及實(shí)現(xiàn)方法本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字處理式頻譜分析原理，以美國(guó)NI公司的LabVIEW軟件為開發(fā)平臺(tái)。工作流程如下：連續(xù)時(shí)間信號(hào)經(jīng)過采樣．將變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)．利用LabVIEW 強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、加窗、FFt運(yùn)算處理，得到信號(hào)的幅度譜、相位譜以及功率譜等結(jié)果。在采樣過程中．對(duì)不同的頻率信號(hào)，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(jìn)行傅立葉變換的數(shù)據(jù)在理論上應(yīng)為無限長(zhǎng)的離散數(shù)據(jù)序列。實(shí)際上，只能對(duì)有限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行分析與處理，所以必須對(duì)無限長(zhǎng)離散序列截?cái)?，只取采樣時(shí)問內(nèi)有限數(shù)據(jù)。這樣就存在頻譜泄漏。在本設(shè)計(jì)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(hào)中混疊有噪聲信號(hào)．為了消除干擾，在進(jìn)行FFT變換之前，要先進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計(jì)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(hào)頻譜分析基礎(chǔ)傅立葉變換是信號(hào)頻譜分析中常用的一個(gè)工具了，它把一些復(fù)雜的信號(hào)分解為無窮多個(gè)相互之間具有一定關(guān)系的正弦信號(hào)之和，并通過對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的研究來了解復(fù)雜信號(hào)的頻率成分和幅值。信號(hào)頻譜分析是采用傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)x(t)變換為頻域信號(hào)X(f)。時(shí)域信號(hào)x(t)的傅立葉變換為: 式中X(f)為信號(hào)的頻域表示，x(t)為信號(hào)的時(shí)域表示，f為頻率。(FFT)快速傅里葉變換是對(duì)DFT的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。能在工程實(shí)際中用來減少計(jì)算次數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間的快速算法。簡(jiǎn)稱FFT。當(dāng)信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)是2的冪時(shí)，就可以采用這種方法。LabVIEW提供了FFT圖標(biāo)，可供直接調(diào)用進(jìn)行快速頻譜分析。問題在于如問選取采樣時(shí)間問隔Ts，取多少個(gè)采樣點(diǎn)N，截取長(zhǎng)度t0應(yīng)為多大，以保證頻率分析的精度。對(duì)于一個(gè)無限長(zhǎng)的信號(hào)，其頻譜是連續(xù)的，要利用計(jì)算機(jī)對(duì)它進(jìn)行頻譜分析時(shí)，必須將它截?cái)?，使其成為有限長(zhǎng)度為tp的信號(hào)。經(jīng)過有限截取的信號(hào)就轉(zhuǎn)化為周期為tp的周期信號(hào)。相應(yīng)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(dāng)于透過柵欄觀賞風(fēng)景，只能看到頻譜的一部分，而其它頻率點(diǎn)看不見，由于用數(shù)值方法只能算出連續(xù)頻譜中N個(gè)抽樣點(diǎn)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(yīng)。例如，截取信號(hào)長(zhǎng)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(hào)有5Hz的峰值分量，則被柵欄擋住而無法檢驗(yàn)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(huì)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(duì)于某些衰減信號(hào)可以采取補(bǔ)零來增加N的數(shù)值。時(shí)域無限長(zhǎng)信號(hào)X(t)被截?cái)?，相?dāng)于用矩形窗函數(shù)。ω(t)=1(Tt0)或0(其他)與x(t)相乘，窗外時(shí)域信息全部損失，導(dǎo)致頻域增加頻率分量的現(xiàn)象。 虛擬頻譜分析儀的架構(gòu)本設(shè)計(jì)為一雙通道虛擬頻譜分析儀，是由計(jì)算機(jī)()、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(shè)計(jì)框圖如圖56所示。輸入信號(hào)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(jī)存儲(chǔ)與顯示邏輯控制單元輸入信號(hào)圖56 虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)框圖被測(cè)信號(hào)通過放大、濾波、隔離等處理，調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后由控制軟件對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和處理，得到測(cè)試結(jié)果，并按要求顯示和存儲(chǔ)結(jié)果。本設(shè)計(jì)采用吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院自主研制的“VIETS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”中數(shù)據(jù)采集卡VI5102進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了儀器的重構(gòu)。它有兩個(gè)模擬輸入通道，支持兩路單端或差動(dòng)模擬信號(hào)輸入；具有雙8位的連續(xù)A／D轉(zhuǎn)換， 3個(gè)10位的定時(shí)計(jì)數(shù)器。允許系統(tǒng)設(shè)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(hào)范圍為5V～+5V或OV～10V。另外，它還具有兩個(gè)模擬輸出通道。采集數(shù)據(jù)通過USB總線上傳至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 基于LabVIEW的軟件設(shè)計(jì) 軟件開發(fā)平臺(tái)本設(shè)計(jì)采用的是美國(guó)NI公司的LabVIEW平臺(tái)。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(biāo)來構(gòu)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(shí)現(xiàn)。LabVIEW虛擬儀器程序簡(jiǎn)稱為VI，主要包括三個(gè)部分：前面板、框圖以及圖標(biāo)、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(biāo)、連線等符號(hào)組成；圖標(biāo)和連接器則用來指定數(shù)據(jù)流進(jìn)流出的路徑，圖標(biāo)是VI的圖形符號(hào)，連接器則對(duì)輸入和輸出進(jìn)行定義。完整的LabVIEW程序設(shè)計(jì)包括前面板設(shè)計(jì)、框圖程序設(shè)計(jì)、程序調(diào)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(guān)鍵是軟件編程， 即根據(jù)功能要求編制相應(yīng)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)通信，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理，實(shí)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(shè)計(jì) 頻譜分析功能模塊頻譜及幅相譜的定義：設(shè)為一功率有限信號(hào)，其傅氏變換為（其中）。稱為的頻譜。一般為復(fù)數(shù)，所以可寫成由此得到信號(hào)的幅值譜和相位譜離散形式的幅值譜和相位譜為了實(shí)現(xiàn)頻譜儀的功能，本系統(tǒng)采用了FFT算法。對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算就可以得到信號(hào)頻譜。在LabView中可以使用FFT控件實(shí)現(xiàn)FFT算法，編程很簡(jiǎn)單。 圖57 為頻譜分析功能程序框圖，程序中采用了“復(fù)數(shù)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換” 函數(shù)（位于【編程】 【數(shù)值】 【復(fù)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(shí)現(xiàn)頻譜分析功能的程序由于采樣序列為實(shí)數(shù)序列，采用LabView中的實(shí)FFT控件對(duì)其進(jìn)行處理，首先要將采樣序列的長(zhǎng)度限定為2的整數(shù)次冪。因?yàn)閷?shí)數(shù)序列經(jīng)FFT處理后的幅度具有對(duì)稱性，只須取FFT輸出序列長(zhǎng)度的1/2作為結(jié)果，即進(jìn)行單邊FFT變換，此時(shí)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(jié)果。另外本程序中使用“采樣頻率/采樣點(diǎn)數(shù)”的值作為頻譜圖顯示的步進(jìn)值，因此在頻譜顯示中直接以頻率值作為橫坐標(biāo)，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(shí)現(xiàn)正弦波的失真度測(cè)量，該用途在實(shí)際應(yīng)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