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摘 要：文章介绍应用LabVIEW虚拟仪器技术开发频率分析教学系统的思路、系统硬件组成及软件编制的关键技术。经实际测试结果的分析和讨论，验证了测试系统的准确性和适用范围。
关键词：虚拟仪器 频率特性 教学实验系统
频率分析系统被广泛应用于机电类专业的基础和专业课程的教学中。传统的教学，采用频率分析仪器来测试一个被测对象（如滤波器）的幅频特性和相频特性。由于一台频率分析仪器很难同时满足多组教学实验的需要，而购置多台频率分析仪器又是一般学校设备资金所不能允许，导致这方面的实验往往被搁置。为此，我们利用虚拟仪器技术，开发一种成本低廉的虚拟频率分析教学系统，可以满足一些频率分析实验的需要。本文介绍这种基于LabVIEW的虚拟频率分析教学系统的组成，重点阐述用LabVIEW编制频率分析软件编制的关键技术。最后，将根据测试结果进行讨论和分析。
一、频率分析教学系统的组成
频率分析系统主要任务是测试一个被测试对象的幅频特性和相频特性。从实验教学角度，它对测试精度的要求不高，因此，在频率分析教学系统设计上可以作一些简化，以降低硬件成本。在频率不高的教学测试系统中，我们仅采用一台具有AD功能的低档的数据采集卡，即可开发完整的频率分析教学系统，满足教学要求。
图1所示为频率分析教学系统原理，测试系统由1台计算机、1台正弦信号发生器和1块即插即用的数据采集卡。本实验教学系统采用的数据采集卡是中泰公司的PCI8333，12位，有16个AD通道，没有FIFO功能，本实验装置仅用了两个AD通道。激励正弦信号由1台信号发生器可产生，频率和幅值可连续调整。模数转换通道AD1和AD2分别实时采集激励信号和被测对象的响应信号并送至计算机进行频率分析特性分析。正弦信号发生器可用目前市场普通的信号发生器产品，也可根据正弦信号电路自制信号发生器。频率分析特性软件根据采集的激励信号和响应信号获得激励信号频率、幅值、响应信号幅值、幅值比和相位差等信息。
二、虚拟频率分析软件编制的关键技术
频率分析教学系统的软件采用LabVIEW虚拟仪器技术编程，界面清晰，交互性好，快捷方便，专业计算分析显示模块直接使用，快捷方便。
频率分析教学系统采用多步频率激励法,即在测试频率范围内,由低至高选择若干个频率点,每次测量一个频率的激励信号和响应信号,并在线进行数据分析处理,获得该频率下的幅值比和相位差,从而获得被测对象在一定频率范围内的频率响应特性：幅频特性和相频特性。
软件编制的流程框图如图2所示。
1.信号采样和采样频率计算模块
由于PCI8333数据采集卡是低档采集卡,在Windows XP操作系统下没有定时采样功能,因此,采样频率通过计算获得。激励和响应信号采样采用For循环,循环次数n在界面的编辑框内设置。为了后续的FFT分析要求,循环次数最好是2的幂,如512、1024、2048等。由Tick Count子VI计算循环前后时间差，本次的采样频率由下式计算：
2.激励信号频率计算模块
由于自制的正弦信号发生器产生的正弦激励信号的频率不能准确的显示，本测试系统软件探讨用一种算法通过软件在线获得激励信号周期值（频率值），即信号周期等于一个周期信号采样点数和采样周期的乘积。其算法流程如图3所示。
3.幅频特性和相频特性计算模块
幅频特性和相频特性计算有很多算法，本文软件编制是基于LabVIEW开发平台，采用FFT算法最为快捷。采用FFT频率分析算法获得被测对象的幅频和相频特性流程如图4所示。
在上面算法中，最关键的运算是对激励信号和响应信号的采样序列进行快速傅里叶变换，编程时直接使用LabVIEW的Amplitude and Phase Spectrum.vi.
三、测试结果与讨论
为了探讨开发的频率分析教学系统的性能，对系统进行测试。测试目的是：了解该系统最高采样频率和激励信号频率；了解该系统测试精度和可靠性。
1.最高采样频率
最高采样频率测试方法：在相同的测试次数下，多次采样，由前文提供的方法，测试采样周期和采样频率；在不同的测试次数下，由前文提供的方法，获得最小采样周期，从而得到最高采样频率。测试结果表明，最高采样周期在0.36～0.41ms，且采样周期是随机变化的。这种现象与Windows XP操作系统是多任务系统有关。频率特性测试结果表明，采样周期（频率）的不准确性和随机性对测试结果影响很小。
2.激励信号频率验证
激励信号频率测试借助一台数字式信号发生器，发出精确频率的正弦激励信号，验证开发的频率分析教学系统在线获得的信号周期（频率）的准确性。每一个激励频率，测试10次，测试数据如表1所示，结果表明，本系统采用的获得激励频率的算法在低频段（<80Hz）具有满意的精度和稳定性。
四、结束语
本文研发的频率分析教学系统是一种硬件配置简单、价格低廉、易于扩展的虚拟教学仪器，在不需要很多设备投资的情况下，实现同时开出多组实验的目的。由于受最高采样频率限制，该系统只适用于频率测试范围为0～80Hz。若开发测频范围更宽的频率分析教学系统，应采样价格较高的具有FIFO功能的数据采集卡或单片机作为下位机的数据采集装置。
参考文献
[1]侯国屏，王坤.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005
[2]石博强，赵德永.LabVIEW6.1编程技术实用教程[M].北京：中国铁道出版社，2002
[3]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2007
关键词：虚拟仪器 频率特性 教学实验系统
频率分析系统被广泛应用于机电类专业的基础和专业课程的教学中。传统的教学，采用频率分析仪器来测试一个被测对象（如滤波器）的幅频特性和相频特性。由于一台频率分析仪器很难同时满足多组教学实验的需要，而购置多台频率分析仪器又是一般学校设备资金所不能允许，导致这方面的实验往往被搁置。为此，我们利用虚拟仪器技术，开发一种成本低廉的虚拟频率分析教学系统，可以满足一些频率分析实验的需要。本文介绍这种基于LabVIEW的虚拟频率分析教学系统的组成，重点阐述用LabVIEW编制频率分析软件编制的关键技术。最后，将根据测试结果进行讨论和分析。
一、频率分析教学系统的组成
频率分析系统主要任务是测试一个被测试对象的幅频特性和相频特性。从实验教学角度，它对测试精度的要求不高，因此，在频率分析教学系统设计上可以作一些简化，以降低硬件成本。在频率不高的教学测试系统中，我们仅采用一台具有AD功能的低档的数据采集卡，即可开发完整的频率分析教学系统，满足教学要求。
图1所示为频率分析教学系统原理，测试系统由1台计算机、1台正弦信号发生器和1块即插即用的数据采集卡。本实验教学系统采用的数据采集卡是中泰公司的PCI8333，12位，有16个AD通道，没有FIFO功能，本实验装置仅用了两个AD通道。激励正弦信号由1台信号发生器可产生，频率和幅值可连续调整。模数转换通道AD1和AD2分别实时采集激励信号和被测对象的响应信号并送至计算机进行频率分析特性分析。正弦信号发生器可用目前市场普通的信号发生器产品，也可根据正弦信号电路自制信号发生器。频率分析特性软件根据采集的激励信号和响应信号获得激励信号频率、幅值、响应信号幅值、幅值比和相位差等信息。
二、虚拟频率分析软件编制的关键技术
频率分析教学系统的软件采用LabVIEW虚拟仪器技术编程，界面清晰，交互性好，快捷方便，专业计算分析显示模块直接使用，快捷方便。
频率分析教学系统采用多步频率激励法,即在测试频率范围内,由低至高选择若干个频率点,每次测量一个频率的激励信号和响应信号,并在线进行数据分析处理,获得该频率下的幅值比和相位差,从而获得被测对象在一定频率范围内的频率响应特性：幅频特性和相频特性。
软件编制的流程框图如图2所示。
1.信号采样和采样频率计算模块
由于PCI8333数据采集卡是低档采集卡,在Windows XP操作系统下没有定时采样功能,因此,采样频率通过计算获得。激励和响应信号采样采用For循环,循环次数n在界面的编辑框内设置。为了后续的FFT分析要求,循环次数最好是2的幂,如512、1024、2048等。由Tick Count子VI计算循环前后时间差，本次的采样频率由下式计算：
2.激励信号频率计算模块
由于自制的正弦信号发生器产生的正弦激励信号的频率不能准确的显示，本测试系统软件探讨用一种算法通过软件在线获得激励信号周期值（频率值），即信号周期等于一个周期信号采样点数和采样周期的乘积。其算法流程如图3所示。
3.幅频特性和相频特性计算模块
幅频特性和相频特性计算有很多算法，本文软件编制是基于LabVIEW开发平台，采用FFT算法最为快捷。采用FFT频率分析算法获得被测对象的幅频和相频特性流程如图4所示。
在上面算法中，最关键的运算是对激励信号和响应信号的采样序列进行快速傅里叶变换，编程时直接使用LabVIEW的Amplitude and Phase Spectrum.vi.
三、测试结果与讨论
为了探讨开发的频率分析教学系统的性能，对系统进行测试。测试目的是：了解该系统最高采样频率和激励信号频率；了解该系统测试精度和可靠性。
1.最高采样频率
最高采样频率测试方法：在相同的测试次数下，多次采样，由前文提供的方法，测试采样周期和采样频率；在不同的测试次数下，由前文提供的方法，获得最小采样周期，从而得到最高采样频率。测试结果表明，最高采样周期在0.36～0.41ms，且采样周期是随机变化的。这种现象与Windows XP操作系统是多任务系统有关。频率特性测试结果表明，采样周期（频率）的不准确性和随机性对测试结果影响很小。
2.激励信号频率验证
激励信号频率测试借助一台数字式信号发生器，发出精确频率的正弦激励信号，验证开发的频率分析教学系统在线获得的信号周期（频率）的准确性。每一个激励频率，测试10次，测试数据如表1所示，结果表明，本系统采用的获得激励频率的算法在低频段（<80Hz）具有满意的精度和稳定性。
四、结束语
本文研发的频率分析教学系统是一种硬件配置简单、价格低廉、易于扩展的虚拟教学仪器，在不需要很多设备投资的情况下，实现同时开出多组实验的目的。由于受最高采样频率限制，该系统只适用于频率测试范围为0～80Hz。若开发测频范围更宽的频率分析教学系统，应采样价格较高的具有FIFO功能的数据采集卡或单片机作为下位机的数据采集装置。
参考文献
[1]侯国屏，王坤.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005
[2]石博强，赵德永.LabVIEW6.1编程技术实用教程[M].北京：中国铁道出版社，2002
[3]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2007