基于USB-6251的虚拟频谱分析仪开发研究

    虚拟仪器是一种全新概念的仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义虚拟面板，测试功能由软件编程实现的一种计算机仪器系统［1］。其实质是利用计算机显示器模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果; 利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理; 利用I / O 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。

    频谱分析仪是电子测量领域的必备仪器，有“射频万用表”的美称，应用十分广泛［2］。本文通过 USB －6251 和 LabVIEW2009 软件，开发研究虚拟频谱分析仪。

    USB － 6251 是美国国家仪器公司( National In-strument，NI) 推出的基于 USB 总线的数据采集卡，该设备具有高性能 M 系列产品的所有特性，并且加了 USB 即插即用的简单易用性［3 －5］。

    利用 LabVIEW2009 实现数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试等实验室研究和工业自动化领域的实际任务。LabVIEW2009 从基本的数学函数、字符串处理函数、文件 I/O 函数到高级分析库，包括了信号处理、窗函数、滤波器设计、线形代数、概率论与数理统计、曲线拟合等，涵盖了仪器设计中几乎所有需要的函数，能够将繁琐复杂的语言编程简化为一个个具有相应功能，可以直接使用的函数，体现出了极高的效率［6 －9］。

    1 结构和功能模块设计

    虚拟频谱分析仪的结构如图 1 所示。利用传感器将被测信号传送到 USB － 6251 数据采集卡，其中通过信号调理电路对信号进行放大、滤波、隔离等处理，然后由软件对测试信号进行频谱分析和处理，得到测试结果，并按要求显示或存储结果。

    本虚拟频谱分析仪实现了时域分析、频谱分析、联合时频分析等功能，功能模块设计如图 2 所示。它不仅可显示信号的频谱特性、分辨频宽、图像频宽、中心频率、扫描时间等功能要素，而且用户可根据面板上显示波形的大小，手动调整显示图形中的 x、y 轴坐标来观察所需要的频谱图。

    2 软件设计

    虚拟频谱分析仪部分程序框图如图 3 所示。在软件设计中，利用谱分析函数和波形测量函数实现频谱分析功能; 利用文件 I/O 函数完成存储和读取功能; 通过设计的两个子 VI，完成时域测量和频域制表功能; 通过“显示图标选择”模块，实现各种频域分析功能的在虚拟面板上的对应显示。

    3 系统调试

    实验中选用 SU3150DDS 函数信号发生器作为被测信号源，该信号发生器可以自由设置输入信号的波形类型、频率及幅值。时域信号的频谱分析可以通过观察虚拟频谱分析仪面板上的显示与理论计算值的比较来判断正确与否，依此来验证虚拟频谱分析仪的正确性。以方波信号为例进行频谱分析。输入 VP － P为1 V、频率10 Hz 的方波信号，采样频率为1. 25 MS/s，采样点数为1 024，实验结果如图 4、图5 所示。