CN107449966A - 多功能频谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能频谱分析仪，包括计算机及嵌入计算机内的Labview，计算机与Labview配合生成虚拟前面板，并结合计算机的相关硬件形成信号采集模块、信号显示控制模块、信号滤波模块、参数测量模块和波形存储模块；虚拟前面板包括时基控制模块前面板、增益调节与平移模块前面板、信号滤波模块前面板和参数测量模块前面板；本发明采用个人PC机硬件平台和Labview虚拟仪器平台实现了信号的采集与存储、时域波形的显示与测量、频域参数的测量、信号的滤波处理、波形的存储与打印、本地信号的读取与分析等功能，解决了现有频谱分析仪成本高、体积大、通用性差的问题，接入Internet实现远程信号的测量分析，大大提高了频谱分析仪的实用性和便携性。

Description

多功能频谱分析仪

技术领域：

本发明涉及一种电子测量仪表领域，特别是涉及一种多功能频谱分析仪。

背景技术：

随着IT技术的迅速发展，虚拟仪器的概念使得现代计算机技术、通信技术和测量技术达到了前所未有的紧密结合，进而引发了传统仪器概念的一次巨大变革。虚拟仪器技术充分利用计算机强大的软硬件功能，在计算机通用硬件的基础上，用软件代替专用硬件的功能实现复杂数据的测量，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测量仪器的主流。

随着信息科学的不断发展，需要处理的工程问题越来越复杂，信号处理中对频谱分析的要求也越来越高，分析方法的多样化，实现简单易操作，传统的频谱分析仪在实现各种复杂功能方面显得有些无能为力。传统的频谱分析仪本身的信号处理电路设计十分复杂，而且更新困难，当新的计算方法或计算要求出来后，传统仪器无法升级或更新计算方法，满足不了科研人员的要求，给科研上作带来不便。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、便于携带、通过在个人PC机通用硬件平台的基础上借助于Labview的信号处理功能，实现一种满足多功能频谱分析要求的多功能频谱分析仪。

本发明的技术方案是：一种多功能频谱分析仪，包括计算机及嵌入计算机内的Labview，所述计算机与Labview配合生成虚拟前面板，并结合计算机的相关硬件形成包括通过利用声卡的Line In、Wave Out、Mic In三个接口进行信号的输入输出，实现双通道、16位、32位、64位量化精度、44KHz的采样频率，满足采样需求的声卡采集、通过Labview调用TCP/IP VI模块，实现远程数据采集的网卡采集、通过读取计算机存储器的信息，实现信息采集的本地存储器采集的信号采集模块；

包括通过设置有三个档位的time base/div和Volts/div实现对每刻度显示的时间长度和电压值进行调节的时基控制模块、通过增益调节控件和平移调节控件进行增益调节和平移调节的增益调节与平移模块、对time base/div和Volts/div进行复位的复位控制模块的信号显示控制模块；

包括为采用三阶巴特沃斯拓扑结构的无限冲激响应的滤波器的信号滤波模块；

包括查找具有最高幅值的单频，或在指定范围内查找具有最高幅值的单频，或查找单频的频率和相位的单频测量模块、实现信号与噪声失真比，总谐波失真，基波电平三个失真参数测量的失真测量模块、对频谱的幅度和相位进行检测分析的频谱分析模块的参数测量模块；

包括对任意时刻信号在频谱分析模块中的显示数据进行记录，保存对相关图像进行保存和打印的波形存储模块；

所述生成的信号采集模块对信息进行采集，并通过键盘和鼠标控制前面板实现生成的信号显示控制模块、信号滤波模块、参数测量模块和波形存储模块对信号采集模块对采集的信息进行处理并储存，并通过计算机进行显示；

所述虚拟前面板包括时基控制模块前面板、增益调节与平移模块前面板、信号滤波模块前面板和参数测量模块前面板，所述滤波器前面板上设置有无、低通、高通、带通、带阻、平滑七种选项按钮；

其中单频测量模块、失真测量模块和频谱分析模块与参数测量模块前面板上的单频按键、失真按键和频谱按键对应，且所述数测量模块前面板上还设置有幅值、相关和统计按键；

所述网卡采集的步骤为：(1)Server主机处于工作状态，并监听通信端口，等待Client发送的连接请求；(2)Client计算机开启TCP连接；(3)Server主机响应并建立数据传输通道；(4)连接过程判断网络错误，若有则中断连接；(5)数据传输，利用VI模块TCP read/write完成；(6)传输完毕中断连接。

所述Line In接口为可接模拟信号源，实现对线性模拟信号采集的计算机接口；所述Wave Out接口为外接功放设备实现对音频范围内信号输出的线性输出端口；所述Mic In接口为通过麦克风实现对音频信号进行AD采样的计算机接口。

所述增益调节控件的调节范围为0.01—10，所述平移调节控件的调节范围为-10—+10。

所述time base/div属于时间轴调节，其设置的三个档位为0挡、1挡、2挡，0档的值为50ms/div,1档的值为100ms/div，2档值为200ms/div；所述Volts/div属于电压轴调节，其设置的三个档位为0挡、1挡、2挡。

所述Volts/div设置的三个档位中0档表示电压轴是从-2V到+2V，增量为0.5V，起始电压为-2V；1档表示电压轴是从-4V到+4V，增量为1V，起始电压为-4V；2档表示电压轴是从-8V到+8V，增量为2V，起始电压为-8V。

所述频谱分析模块的VI设计步骤如下：

(1)计算时间信号的FFT。

(2)将时间信号的当前FFT频谱与VI自上次平均过程重置后的最后一次计算得到的FFT频谱进行平均。

(3)返回平均频谱的幅度和相位。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用个人PC机硬件平台和Labview虚拟仪器平台实现了信号的采集与存储、时域波形的显示与测量、频域参数的测量、信号的滤波处理、波形的存储与打印、本地信号的读取与分析等功能，解决了现有频谱分析仪成本高、体积大、便携性差、可移植性差、通用性差的问题。

2、本发明可以接入Internet实现远程信号的测量分析，大大提高了频谱分析仪的实用性和便携性，极大地方便了科研人员户外工作的需求。

3、本发明通过计算机与Labview的结合实现建立虚拟仪器，其虚拟仪器测试功能可以及时根据使用者的需求进行模块更新，即插即用，既降低了科研成本，又保证了科研工具可以和技术发展同步。

附图说明：

图1为多功能频谱分析仪的结构框图。

图2多功能频谱分析仪操作前面板。

图3多功能频谱分析仪软件连接结构框图。

图4时基控制模块设计框图及前面板。

图5增益调节与平移模块设计框图及前面板。

图6复位控制模块设计框图。

图7信号滤波模块设计框图及前面板。

图8参数测量模块设计框图。

图9单频测量模块前面板。

图10失真测量模块前面板。

图11频谱分析模块前面板。

图12波形存储模块设计框图。

具体实施方式：

实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12。

多功能频谱分析仪，包括计算机及嵌入计算机内的Labview，计算机与Labview配合生成虚拟前面板，并结合计算机的相关硬件形成信号采集模块、信号显示控制模块、信号滤波模块、参数测量模块和波形存储模块；虚拟前面板包括时基控制模块前面板、增益调节与平移模块前面板、信号滤波模块前面板和参数测量模块前面板。

信号采集模块包括通过利用声卡的Line In、Wave Out、Mic In三个接口进行信号的输入输出，实现双通道、16位、32位、64位量化精度、44KHz的采样频率，满足采样需求的声卡采集、通过Labview调用TCP/IP VI模块，实现远程数据采集的网卡采集、通过读取计算机存储器的信息，实现信息采集的本地存储器采集。

Line In接口为可接模拟信号源，实现对线性模拟信号采集的计算机接口；WaveOut接口为外接功放设备实现对音频范围内信号输出的线性输出端口；MicIn接口为通过麦克风实现对音频信号进行AD采样的计算机接口。

网卡采集的步骤为：(1)Server主机处于工作状态，并监听通信端口，等待Client发送的连接请求；(2)Client计算机开启TCP连接；(3)Server主机响应并建立数据传输通道；(4)连接过程判断网络错误，若有则中断连接；(5)数据传输，利用VI模块TCP read/write完成；(6)传输完毕中断连接。

信号显示控制模块包括通过设置有三个档位的time base/div和Volts/div实现对每刻度显示的时间长度和电压值进行调节的时基控制模块、通过增益调节控件和平移调节控件进行增益调节和平移调节的增益调节与平移模块、对time base/div和Volts/div进行复位的复位控制模块。

增益调节控件的调节范围为0.01—10，该控件与信号数据相乘即可使得信号幅值为正数部分成倍数向正方向增加而信号幅值为负数部分成倍数向负方向增加；平移调节控件的调节范围为-10—+10，通过与信号数据相加即可得到信号数据幅值整体增加(向上平移)或整体减小(向下平移)。

time base/div属于时间轴调节，其设置的三个档位为0挡、1挡、2挡，0档的值为50ms/div,1档的值为100ms/div，2档值为200ms/div；Volts/div属于电压轴调节，其设置的三个档位为0挡、1挡、2挡。

Volts/div设置的三个档位中0档表示电压轴是从-2V到+2V，增量为0.5V，起始电压为-2V；1档表示电压轴是从-4V到+4V，增量为1V，起始电压为-4V；2档表示电压轴是从-8V到+8V，增量为2V，起始电压为-8V。

设置复位时示波器数据清零，time base和volts/div都在0档，增益为1，即信号不放大也不缩小，A通道信号向下移1V，B通道信号向上移1V。使得两个通道的信号错开，便于观察。

信号滤波模块包括为采用三阶巴特沃斯拓扑结构的无限冲激响应的滤波器：滤波器前面板上设置有无、低通、高通、带通、带阻、平滑七种选项按钮。

参数测量模块包括查找具有最高幅值的单频，或在指定范围内查找具有最高幅值的单频，或查找单频的频率和相位的单频测量模块、实现信号与噪声失真比，总谐波失真，基波电平三个失真参数测量的失真测量模块、对频谱的幅度和相位进行检测分析的频谱分析模块；其中单频测量模块、失真测量模块和频谱分析模块与参数测量模块前面板上的单频按键、失真按键和频谱按键对应，且数测量模块前面板上还设置有幅值、相关和统计按键。

通过计算信号RMS能量与信号RMS能量减去基波能量所得结果之比，即实现信号与噪声失真比(SINAD)的测量，以dB为单位；计算谐波的均方根总量与基频幅值之比，即可实现总谐波失真(THD)的测量；测量谐波次数为1时的电平值即可测得基波电平。

频谱分析模块的VI设计步骤如下：

(1)计算时间信号的FFT；

(2)将时间信号的当前FFT频谱与VI自上次平均过程重置后的最后一次计算得到的FFT频谱进行平均；

(3)返回平均频谱的幅度和相位。

波形存储模块包括对任意时刻信号在频谱分析模块中的显示数据进行记录，保存对相关图像进行保存和打印：采用bmp图像保存格式，实现方法如图12所示，用一个case结构，当按下“保存图像”按钮时，获取“频谱仪”节点图像，将图像数据写入bmp文件，实现保存bmp图像功能；再添加“文件对话框”为创建新bmp文件选择位置，根据需要可以改变要保存的图像名称和图像保存路径。

使用时，生成的信号采集模块对信息进行采集，并通过键盘和鼠标控制前面板实现生成的信号显示控制模块、信号滤波模块、参数测量模块和波形存储模块对信号采集模块对采集的信息进行处理并储存，并通过计算机进行显示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种多功能频谱分析仪，包括计算机及嵌入计算机内的Labview，其特征是：所述计算机与Labview配合生成虚拟前面板，并结合计算机的相关硬件形成包括通过利用声卡的Line In、Wave Out、Mic In三个接口进行信号的输入输出，实现双通道、16位、32位、64位量化精度、44KHz的采样频率，满足采样需求的声卡采集、通过Labview调用TCP/IP VI模块，实现远程数据采集的网卡采集、通过读取计算机存储器的信息，实现信息采集的本地存储器采集的信号采集模块；

包括通过设置有三个档位的time base/div和Volts/div实现对每刻度显示的时间长度和电压值进行调节的时基控制模块、通过增益调节控件和平移调节控件进行增益调节和平移调节的增益调节与平移模块、对time base/div和Volts/div进行复位的复位控制模块的信号显示控制模块；

包括为采用三阶巴特沃斯拓扑结构的无限冲激响应的滤波器的信号滤波模块；

包括查找具有最高幅值的单频，或在指定范围内查找具有最高幅值的单频，或查找单频的频率和相位的单频测量模块、实现信号与噪声失真比，总谐波失真，基波电平三个失真参数测量的失真测量模块、对频谱的幅度和相位进行检测分析的频谱分析模块的参数测量模块；

包括对任意时刻信号在频谱分析模块中的显示数据进行记录，保存对相关图像进行保存和打印的波形存储模块；

所述生成的信号采集模块对信息进行采集，并通过键盘和鼠标控制前面板实现生成的信号显示控制模块、信号滤波模块、参数测量模块和波形存储模块对信号采集模块对采集的信息进行处理并储存，并通过计算机进行显示；

所述虚拟前面板包括时基控制模块前面板、增益调节与平移模块前面板、信号滤波模块前面板和参数测量模块前面板，所述滤波器前面板上设置有无、低通、高通、带通、带阻、平滑七种选项按钮；

其中单频测量模块、失真测量模块和频谱分析模块与参数测量模块前面板上的单频按键、失真按键和频谱按键对应，且所述数测量模块前面板上还设置有幅值、相关和统计按键。

2.根据权利要求1所述的多功能频谱分析仪，其特征是：所述网卡采集的步骤为：(1)Server主机处于工作状态，并监听通信端口，等待Cl ient发送的连接请求；(2)Client计算机开启TCP连接；(3)Server主机响应并建立数据传输通道；(4)连接过程判断网络错误，若有则中断连接；(5)数据传输，利用VI模块TCP read/write完成；(6)传输完毕中断连接。

3.根据权利要求1所述的多功能频谱分析仪，其特征是：所述Line In接口为可接模拟信号源，实现对线性模拟信号采集的计算机接口；所述Wave Out接口为外接功放设备实现对音频范围内信号输出的线性输出端口；所述Mic In接口为通过麦克风实现对音频信号进行AD采样的计算机接口。

4.根据权利要求1所述的多功能频谱分析仪，其特征是：所述增益调节控件的调节范围为0.01—10，所述平移调节控件的调节范围为-10—+10。

5.根据权利要求1所述的多功能频谱分析仪，其特征是：所述time base/div属于时间轴调节，其设置的三个档位为0挡、1挡、2挡，0档的值为50ms/div,1档的值为100ms/div，2档值为200ms/div；所述Volts/div属于电压轴调节，其设置的三个档位为0挡、1挡、2挡。

6.根据权利要求1所述的多功能频谱分析仪，其特征是：所述Volts/div设置的三个档位中0档表示电压轴是从-2V到+2V，增量为0.5V，起始电压为-2V；1档表示电压轴是从-4V到+4V，增量为1V，起始电压为-4V；2档表示电压轴是从-8V到+8V，增量为2V，起始电压为-8V。

7.根据权利要求1所述的多功能频谱分析仪，其特征是：所述频谱分析模块的VI设计步骤如下：

(1)计算时间信号的FFT。

(2)将时间信号的当前FFT频谱与VI自上次平均过程重置后的最后一次计算得到的FFT频谱进行平均。

(3)返回平均频谱的幅度和相位。