虚拟频谱分析仪的设计与实现
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摘要
本文设计的虚拟频谱分析仪结合了虚拟仪器技术、频谱校正技术和软件编程技术，借助于数据采集系统将被测信号采集到主控计算机内，利用虚拟仪器进行测量和分析，并将结果输出到屏幕或报表中，从而完成整个测试过程。围绕虚拟频谱分析仪的设计和实现这个主题，本文研究了频谱分析仪的原理和仪器各项功能的实现方法，并对软件设计中遇到的主要问题作了重点分析，提出了解决的方法，使最后实现的虚拟频谱分析仪能达到国家有关电网谐波检测仪器的A级标准。
首先，本文介绍了虚拟仪器的硬件结构，对其与传统仪器的区别进行了比较。概述了虚拟仪器开发平台HP VEE的特点，并且对比分析了几种典型的虚拟仪器开发平台。
然后，详细介绍了虚拟仪器的软件设计。分析了虚拟仪器中各种功能模块的程序设计和实现的算法，在此基础上，设计和实现了虚拟频谱分析仪的各项功能。其中重点分析在频域分析中遇到的问题以及解决的方法。为了使虚拟仪器频谱分析的结果更加准确，论文研究了目前应用广泛的频谱校正技术，并对三种相位差频谱校正技术进行了仿真实验和综合比较，提出了推荐采用的技术。
最后，结合VXI仪器对软件和硬件系统进了调试，并通过对标准信号的采集和分析，验证了虚拟频谱分析仪的各项功能达到设计目的，以及该虚拟仪器的实用性。
The virtual analyzer of frequency spectrum has combined the technology of virtual instrument, spectrum correcting and software programming. With data acquisition system, the experiment data are put into the master computer, analyzed and measured by the virtual instrument. The results are transmitted into the monitor or file. Involved the topic of designing and realization of virtual frequency spectrum analyzer, the theories of frequency spectrum analyzer and the realizing methods of the instrument functions are researched. The problems during designing software are analyzed in detail, and the ways of solving these problems are introduced. The virtual frequency spectrum analyzer reached the A class standard about instrument of analyzing power harmonic.
First of all, the hardware structure of virtual instrument is introduced. The difference between virtual instrument and traditional instrument is compared. The character of HP-VEE is summarized and some different computer software platforms are compared.
Then, the basic theories of software designing are introduced. The arithmetic and program for designing and realizing the function module of the virtual instrument is wrote up in detail. On this basis an application software system of virtual frequency spectrum analyzer is developed.
It is emphasized on the problems of signal analyzing in frequency-field and ways of solving these problems. In order to make the analyzing results of virtual instrument more accurate, the spectrum correcting technology is studied. After analyzing three existing methods for phase difference correcting on discrete spectrum, it is recommended to correct the spectrum by the first phase difference correcting method.
Finally, in combination with VXI instrument the software system is debugged. All functions of the system are tested through using standard signals. The design aim is achieved and the practicability is tested and verified.
首先，本文介绍了虚拟仪器的硬件结构，对其与传统仪器的区别进行了比较。概述了虚拟仪器开发平台HP VEE的特点，并且对比分析了几种典型的虚拟仪器开发平台。
然后，详细介绍了虚拟仪器的软件设计。分析了虚拟仪器中各种功能模块的程序设计和实现的算法，在此基础上，设计和实现了虚拟频谱分析仪的各项功能。其中重点分析在频域分析中遇到的问题以及解决的方法。为了使虚拟仪器频谱分析的结果更加准确，论文研究了目前应用广泛的频谱校正技术，并对三种相位差频谱校正技术进行了仿真实验和综合比较，提出了推荐采用的技术。
最后，结合VXI仪器对软件和硬件系统进了调试，并通过对标准信号的采集和分析，验证了虚拟频谱分析仪的各项功能达到设计目的，以及该虚拟仪器的实用性。
The virtual analyzer of frequency spectrum has combined the technology of virtual instrument, spectrum correcting and software programming. With data acquisition system, the experiment data are put into the master computer, analyzed and measured by the virtual instrument. The results are transmitted into the monitor or file. Involved the topic of designing and realization of virtual frequency spectrum analyzer, the theories of frequency spectrum analyzer and the realizing methods of the instrument functions are researched. The problems during designing software are analyzed in detail, and the ways of solving these problems are introduced. The virtual frequency spectrum analyzer reached the A class standard about instrument of analyzing power harmonic.
First of all, the hardware structure of virtual instrument is introduced. The difference between virtual instrument and traditional instrument is compared. The character of HP-VEE is summarized and some different computer software platforms are compared.
Then, the basic theories of software designing are introduced. The arithmetic and program for designing and realizing the function module of the virtual instrument is wrote up in detail. On this basis an application software system of virtual frequency spectrum analyzer is developed.
It is emphasized on the problems of signal analyzing in frequency-field and ways of solving these problems. In order to make the analyzing results of virtual instrument more accurate, the spectrum correcting technology is studied. After analyzing three existing methods for phase difference correcting on discrete spectrum, it is recommended to correct the spectrum by the first phase difference correcting method.
Finally, in combination with VXI instrument the software system is debugged. All functions of the system are tested through using standard signals. The design aim is achieved and the practicability is tested and verified.
引文
[1] [美]RobertHelsel著．中国惠普DSP技术研究中心译．“HPVEE可视化编程”(第三版)．北京：清华大学出版社，1999：全书
[2] Robert Helsel.Visual Programming with HPVEE
[3] 陈光禹．VXI总线测试平台技术．电子科技大学出版社，1996
[4] 宋北德，胡广书等编著．数字信号处理．清华大学出版社，1988．
[5] 王兆安，杨君等编著．谐波抑制和无功功率补偿．北京：机械工业出版社，1998．
[6] 顾郁莲，蔡宣平，严飞翔．虚拟仪表的可视化技术．电子技术应用，2000(6)
[7] 贾功贤，刘成康．基于PC的虚拟仪器的发展趋势，电子测试，1999(12)
[8] 王虹茹．虚拟仪器-仪器发展的新时代，国外电子测量技术，1998(1)
[9] 王成贵，频谱分析仪历史、性能、应用和选购，电子测试，1998(5)
[10] 连海州，赵英俊．计算机化仪器技术发展与展望，测控技术，2001(10)
[11] 倪养华，王重玮．数字信号处理—原理与实现．上海交通大学出版社，1998
[12] 乐德广，郭冬辉．虚拟仪器结构及其可视化编程的技术进展，计算机自动测量与控制，2001(9)
[13] 钟舜聪．动态信号分析中的频谱校正技术及软件系统，汕头大学硕士学位论文，2001
[14] 高品贤．测试信号分析处理方法与程序，西南交通大学出版社，1999
[15] 吴京．信号与系统分析，国防科技大学出版社，1999
[16] 赵而沅，周利清，张延平．数字信号处理实用教程，人民邮电出版社，2000
[17] Jozsef G.Nemeth, Balazs Vargha, Istvan kollar. Online Frequency Domain System Indentification Based on a Visual Instrument. IEEE Transaction on.Instrumentation and measurement,2000,49(6)
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[22] 黄纯，彭建春．电力系统频率实时测量新算法．湖南大学学报，1999，26(4)
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[24] 胡飞．面向仪器与测控系统的计算机软件应用平台技术现状与发展．测控技术，2001(4)
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[26] 蔡锦成，邓雄，方勇，袁文波．虚拟仪器的PC系统实现技术，四川大学学报(自然科学版)，1999，36(1)
[27] 虚拟仪器技术及其发展，国外电子测量技术，1997(2)
[28] 耿长福，VXI总线发展与现状．电子技术应用，1996(6)
[29] 汪红，虚拟仪器软件系统的组件化设计，工业控制计算机，2000，13(6)
[30] 陈敏健，任汝学，刘艳梅．虚拟仪器软面板设计，自动化与仪器仪表，1999(5)
[31] 周永强，姚振和．虚拟仪器数据采集系统的研制，长江科学院院报，1999(4)
[32] 韩慧莲，徐建华，许丽净．虚拟仪器系统集成和软面板设计，计算机自动测量与控制，1998(1)
[33] VXI Plug&Play System Alliance Vpp-x Specification Rev4.0
[34] 应怀樵．虚拟仪器与计算机采集测试分析仪器的发展和展望，测控技术，2000，19(8)
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[36]吴竞昌．供电系统谐波．北京：中国电力出版社，1998
[37]朱宏辉，佟力．一种实用的虚拟仪器软面板设计技术，自动化与仪器仪表，2000(5)
[38]谭山，熊元新，刘珠明．电力系统分数谐波的测量方法，继电器，2002(2)
[39]李伯雄，杨忠．虚拟谐波测试仪的开发设计，南京工程学院学报，2002，2(1)
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[41]陈隆道，钱照明，张圣训．周期域分析中非同步取样数据的同步化，电子学报，2001，29(7)
[42]Andria,G,Savino,M,Trotta,A.Windows and interpolation algorithms to improve electrical measurement accuracy.IEEE Trans, 1989,IM 38(4)
[43]Jiangtao Xi,Chicharo,JF.A new algorithm for improving the accuracy of periodic signal analysis.IEEE Trans, 1996,IM 45(4)
[44]戴先中．进一步提高准同步采样谐波分析准确度的两种方法．仪器仪表学报，1992，13(4)
[45]代俊光，陈光．一种周期信号测量中的自适应抽样算法．电子学报，1998，26(8)
[46]沈国峰，王祁．进一步提高准同步采样谐波分析法准确度的方案，仪器仪表学报，2001(10)
[47]戴先中．准同步采样应用中的若干问题．电测与仪表，1988，25(2)
[48]戴先中．准同步采样中的几个理论与实际问题．仪器仪表学报，1986，17(2)
[49]袁旭龙，谭山．频谱修正算法及其在电参数测量器中的应用，现代科学仪，2002(3)
[50]周海波，王学伟，白杨．数据插值在谐波分析算法中的应用及其实现，电测与仪表，2002(8)
[51]刘兆妍，雷振山．基于虚拟仪器的谐波测量技术，电测与仪表，2001(9)
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[53]涂海艳，胡修林．HPVEE与测试自动化，现代电子技术，2001(2)
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[56]丁康，谢明．离散频谱三点卷积幅值修正法的误差分析，振动工程学报，1994(9)
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