【摘要】传统台式仪器有性能不够稳定，升级更新周期长、成本高、种类多、操作复杂等问题。本文利用计算机结合LabVIEW虚拟仪器技术，探讨信号处理及检测仿真系统的开发。具有试验数据准确，试验过程稳定、形象直观、操作简单等优点。 【关键词】虚拟仪器；信号处理及检测；仿真系统 一、虚拟仪器概述 虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是现代仪器技术和计算机技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术[1]。虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，并以其特有的优势显现出强大的生命力。与传统仪器相比，其特点主要有：①通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成和扩展仪器的功能。②仪器的功能是由用户根据需要由软件设计和定义的，可以灵活方便的定制仪器。③研制周期较传统仪器大为缩短。④虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其他周边设备互联。 二、虚拟仪器的信号处理仿真系统 本文主要针对虚拟仪器技术——Labview软件开发平台在信号处理的仿真和实验当中的应用进行研究和设计。信号处理虚拟仿真系统主要由虚拟信号发生器模块和信号观察与分析功能模块组成。 信号发生器模块主要提供实验中所需的各种信号源。在不同的测量应用中会需要使用不同的测试信号。如在音频测试领域主要使用正弦波信号。单一频率的正弦波信号常用来检测一个系统的谐波失真而多频信号主要用于系统互调失真的测量及系统的频率响应测量；信号观察与分析功能模块，可以用软件实现对于信号的实时观察与分析，例如频谱分析和示波器功能等。以下分别从信号产生、信号频域分析方面介绍如何用虚拟仪器构建信号处理仿真系统。 三、信号的产生 1.仿真信号的产生 仿真信号是由LabView程序产生，生成指定的信号波形。LabView提供了大量的波形生成节点，它们位于函数→信号处理→波形生成子选板中。利用这些波形生成函数可以生成不同类型的波形信号和合成波形信号。这里主要介绍基本函数发生器和公式波形。 （1）基本函数发生器 基本函数发生器产生指定类型的波形。常见的波形，例如正弦波形、方波波形、三角波形、锯齿波形都可以由基本函数发生器来产生，其节点端口定义如下内容： 输入信号包括偏移量、信号类型、频率、幅值、相位、采样信息、方波占空比等。偏移量是指信号的直流偏移量（默认为0.0）。信号类型包括正弦波、方波、三角波、锯齿波。 频率是指产生信号的频率（默认为10HZ）。幅值表示信号的峰值电压，默认为1.0V。相位表示波形的初始相位，以度为单位（默认为0）。采样信息包含采样频率（默认为1KHZ）和采样点数（默认为1000）。方波占空比之后在信号类型为方波时才有效。 信号输出为输出的波形，相位输出为产生的信号的相位。 （2）公式波形 公式波形是按照公式输入引脚产生响应的波形输出。公式波形发生器除公式端子外所有端子与基本函数发生器相同。在公式端子输入的公式用于生成输出信号波形的表达式。该端默认公式为：，其中，f是输入频率[2]。 2.虚拟信号发生器的设计 根据上述的原理而设计的LabView程序，产生的虚拟信号发生器主要用来产生正弦波、方波、三角波和任何函数波形，其前面板如图二所示。 在公式端子的输入公式取决于公式选择控件。 为了更准确的描述实际信号发生器产生信号频率的选择，信号频率的最终值是由频率档位选择和频率旋钮共同确定，即信号的频率=频率旋钮值*频率档位，例如若频率旋钮显示4.5，而频率档位为1K-10K，则信号最终频率为4.5K。 占空比旋钮只对方波有作用。主要程序框图如图三所示。 四、信号的频域分析 1.系统的工作原理 在频谱分析中，采用了傅立叶变化计算法频谱分析，直接计算有限长序列的离散傅里叶变换DFT，即可获得信号序列的离散频谱。 有限长离散序列x(n)和它的频谱X(k)之间的DFT（离散傅里叶变换）可以表示为： 由于离散傅里叶变化具有选频性，所以对信号进行DFT就可以获得信号的频率分量[3]。 本实验根据频谱分析的原理，设计一个虚拟频谱分析仪，并通过它来观测周期信号的频谱。系统的结构框图如图四所示。 具体工作过程如下：输入信号为外部电路或信号源产生的信号，它输入到虚拟频谱仪模块，再经过相应的放大，传送到A/D转换模块，A/D转换模块（ADC0809）在51单片机（AT89S52）的控制之下，将输入的模拟信号转换为数字信号，再将数据通过USB接口计算机，计算机对波形数据进行快速傅里叶变换，转换为信号的频谱，并通过LabView前面板显示。 ADC0809是一个8位并行接口的多模拟输入通道的ADC，其转换过程采用逐次逼近方式，+5V工作电压。AT89S52可以通过数据总线与控制信号控制该模块，电路原理图如图五所示。 2.频谱分析节点 LabView8.20提供了丰富的时域和频域转换函数，位于函数→信号处理→谱分析中。 （1）幅度谱和相位谱的测量 测量信号幅度谱和相位谱的函数，其图标和端口定义如图六所示。 （2）功率谱的测量 测量信号功率谱的函数，其图标和端口定义如图七所示。 3.频谱分析仪的设计 运行虚拟频谱分析仪软件。前面板如图八所示。 左边波形图显示时域波形，右边的波形图显示频谱参数，根据左上角的系统选项卡控件，可选择观测幅度谱、相位谱、功率谱和功率谱密度。使用采样率调整旋钮来修改时域信号的采样率，保证在时域波形图显示4～8个信号周期。 可观测输入实际信号的幅度谱、相位谱、功率谱、功率谱密度等波形图。其主要程序框图如图九所示。 五、结束语 利用Labview编程能很好的实现信号与系统的实验过程，而且直观方便，效果比传统实验仪器更理想[4]，只需要一台电脑和一个软件程序，不需要其他任何辅助实验仪器。例如频谱分析仪、示波器等等，大大的节省了开发成本。因此其应用前景是广阔的。 参考文献 [1]张爱平,LabVIEW入门与虚拟仪器[M].北京:电子工业初版社,2007:1-2. [2]LabVIEW Function and VI Reference Manual.National Instruments,1998. [3]朱成华.基于LabView的弧焊电参数虚拟检测分析系统设计[J].电子技术应用,2008(8). [4]杨丰萍,姜志玲.基于虚拟仪器技术的示波器的设计[J].华东交通大学学报,Vol.26(1),2009. 作者简介：郭昕（1983—），女，内蒙古包头人，江南大学硕士，现供职于无锡机电高等职业技术学院，研究方向，信号处理。
【摘要】传统台式仪器有性能不够稳定，升级更新周期长、成本高、种类多、操作复杂等问题。本文利用计算机结合LabVIEW虚拟仪器技术，探讨信号处理及检测仿真系统的开发。具有试验数据准确，试验过程稳定、形象直观、操作简单等优点。 【关键词】虚拟仪器；信号处理及检测；仿真系统 一、虚拟仪器概述 虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是现代仪器技术和计算机技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术[1]。虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，并以其特有的优势显现出强大的生命力。与传统仪器相比，其特点主要有：①通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成和扩展仪器的功能。②仪器的功能是由用户根据需要由软件设计和定义的，可以灵活方便的定制仪器。③研制周期较传统仪器大为缩短。④虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其他周边设备互联。 二、虚拟仪器的信号处理仿真系统 本文主要针对虚拟仪器技术——Labview软件开发平台在信号处理的仿真和实验当中的应用进行研究和设计。信号处理虚拟仿真系统主要由虚拟信号发生器模块和信号观察与分析功能模块组成。 信号发生器模块主要提供实验中所需的各种信号源。在不同的测量应用中会需要使用不同的测试信号。如在音频测试领域主要使用正弦波信号。单一频率的正弦波信号常用来检测一个系统的谐波失真而多频信号主要用于系统互调失真的测量及系统的频率响应测量；信号观察与分析功能模块，可以用软件实现对于信号的实时观察与分析，例如频谱分析和示波器功能等。以下分别从信号产生、信号频域分析方面介绍如何用虚拟仪器构建信号处理仿真系统。 三、信号的产生 1.仿真信号的产生 仿真信号是由LabView程序产生，生成指定的信号波形。LabView提供了大量的波形生成节点，它们位于函数→信号处理→波形生成子选板中。利用这些波形生成函数可以生成不同类型的波形信号和合成波形信号。这里主要介绍基本函数发生器和公式波形。 （1）基本函数发生器 基本函数发生器产生指定类型的波形。常见的波形，例如正弦波形、方波波形、三角波形、锯齿波形都可以由基本函数发生器来产生，其节点端口定义如下内容： 输入信号包括偏移量、信号类型、频率、幅值、相位、采样信息、方波占空比等。偏移量是指信号的直流偏移量（默认为0.0）。信号类型包括正弦波、方波、三角波、锯齿波。 频率是指产生信号的频率（默认为10HZ）。幅值表示信号的峰值电压，默认为1.0V。相位表示波形的初始相位，以度为单位（默认为0）。采样信息包含采样频率（默认为1KHZ）和采样点数（默认为1000）。方波占空比之后在信号类型为方波时才有效。 信号输出为输出的波形，相位输出为产生的信号的相位。 （2）公式波形 公式波形是按照公式输入引脚产生响应的波形输出。公式波形发生器除公式端子外所有端子与基本函数发生器相同。在公式端子输入的公式用于生成输出信号波形的表达式。该端默认公式为：，其中，f是输入频率[2]。 2.虚拟信号发生器的设计 根据上述的原理而设计的LabView程序，产生的虚拟信号发生器主要用来产生正弦波、方波、三角波和任何函数波形，其前面板如图二所示。 在公式端子的输入公式取决于公式选择控件。 为了更准确的描述实际信号发生器产生信号频率的选择，信号频率的最终值是由频率档位选择和频率旋钮共同确定，即信号的频率=频率旋钮值*频率档位，例如若频率旋钮显示4.5，而频率档位为1K-10K，则信号最终频率为4.5K。 占空比旋钮只对方波有作用。主要程序框图如图三所示。 四、信号的频域分析 1.系统的工作原理 在频谱分析中，采用了傅立叶变化计算法频谱分析，直接计算有限长序列的离散傅里叶变换DFT，即可获得信号序列的离散频谱。 有限长离散序列x(n)和它的频谱X(k)之间的DFT（离散傅里叶变换）可以表示为： 由于离散傅里叶变化具有选频性，所以对信号进行DFT就可以获得信号的频率分量[3]。 本实验根据频谱分析的原理，设计一个虚拟频谱分析仪，并通过它来观测周期信号的频谱。系统的结构框图如图四所示。 具体工作过程如下：输入信号为外部电路或信号源产生的信号，它输入到虚拟频谱仪模块，再经过相应的放大，传送到A/D转换模块，A/D转换模块（ADC0809）在51单片机（AT89S52）的控制之下，将输入的模拟信号转换为数字信号，再将数据通过USB接口计算机，计算机对波形数据进行快速傅里叶变换，转换为信号的频谱，并通过LabView前面板显示。 ADC0809是一个8位并行接口的多模拟输入通道的ADC，其转换过程采用逐次逼近方式，+5V工作电压。AT89S52可以通过数据总线与控制信号控制该模块，电路原理图如图五所示。 2.频谱分析节点 LabView8.20提供了丰富的时域和频域转换函数，位于函数→信号处理→谱分析中。 （1）幅度谱和相位谱的测量 测量信号幅度谱和相位谱的函数，其图标和端口定义如图六所示。 （2）功率谱的测量 测量信号功率谱的函数，其图标和端口定义如图七所示。 3.频谱分析仪的设计 运行虚拟频谱分析仪软件。前面板如图八所示。 左边波形图显示时域波形，右边的波形图显示频谱参数，根据左上角的系统选项卡控件，可选择观测幅度谱、相位谱、功率谱和功率谱密度。使用采样率调整旋钮来修改时域信号的采样率，保证在时域波形图显示4～8个信号周期。 可观测输入实际信号的幅度谱、相位谱、功率谱、功率谱密度等波形图。其主要程序框图如图九所示。 五、结束语 利用Labview编程能很好的实现信号与系统的实验过程，而且直观方便，效果比传统实验仪器更理想[4]，只需要一台电脑和一个软件程序，不需要其他任何辅助实验仪器。例如频谱分析仪、示波器等等，大大的节省了开发成本。因此其应用前景是广阔的。 参考文献 [1]张爱平,LabVIEW入门与虚拟仪器[M].北京:电子工业初版社,2007:1-2. [2]LabVIEW Function and VI Reference Manual.National Instruments,1998. [3]朱成华.基于LabView的弧焊电参数虚拟检测分析系统设计[J].电子技术应用,2008(8). [4]杨丰萍,姜志玲.基于虚拟仪器技术的示波器的设计[J].华东交通大学学报,Vol.26(1),2009. 作者简介：郭昕（1983—），女，内蒙古包头人，江南大学硕士，现供职于无锡机电高等职业技术学院，研究方向，信号处理。