頻譜分析儀的原理及應(yīng)用（遠(yuǎn)程互動(dòng)方式）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、熟悉遠(yuǎn)程電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)客戶端程序的操作，了解如何控制遠(yuǎn)地服務(wù)器主機(jī)，操作與其連接的電子綜合實(shí)驗(yàn)板和PCI-1200數(shù)據(jù)采集卡，具體可參照實(shí)驗(yàn)操作說(shuō)明。2、了解FFT快速傅立葉變換理論及數(shù)字式頻譜分析儀的工作原理，同時(shí)了解信號(hào)波形的數(shù)字合成方法以及程控信號(hào)源的工作原理。3、在客戶端程序上進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作，由程控信號(hào)源分別產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等幾種典型電壓波形，并由數(shù)字頻譜分析儀對(duì)這幾種典型電壓波形進(jìn)行頻譜分析，并對(duì)測(cè)量結(jié)果做記錄。二、實(shí)驗(yàn)原理：1、理論概要數(shù)字式頻譜分析儀是通過(guò)A/D采樣器件，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳給微處理器系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)來(lái)處理和顯示，與模擬儀器相比，數(shù)據(jù)的量化更精確，而且很容易實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、傳輸、控制等智能化的功能。電壓測(cè)量的分辨率取決于A/D采樣器件的位數(shù)，例如12位A/D采樣的分辨率是1/4096。在對(duì)交流信號(hào)的測(cè)量中，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣速率必須是信號(hào)頻率的兩倍以上，采樣頻率越高，時(shí)間軸上的信號(hào)分辨力就越高，所獲得的信號(hào)就越接近原始信號(hào)，在頻譜上展現(xiàn)的頻帶就越寬。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于虛擬儀器構(gòu)建，數(shù)字頻譜分析儀是通過(guò)PCI-1200數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)虛擬儀器軟件提供的網(wǎng)絡(luò)通信功能，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的遠(yuǎn)程通信。由客戶端程序發(fā)出操作請(qǐng)求，由服務(wù)器接受并按照要求控制硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，然后將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)給客戶端，由客戶端程序進(jìn)行處理。頻譜分析儀是在頻域進(jìn)行信號(hào)分析測(cè)量的儀器之一，它采用濾波或傅立葉變換的方法，分析信號(hào)中所含各個(gè)頻率份量的幅值、功率、能量和相位關(guān)系。頻譜儀按工作原理，大致可分為濾波法和計(jì)算法兩大類，本實(shí)驗(yàn)所用的數(shù)字頻譜分析儀采用的是計(jì)算法。計(jì)算法頻譜分析儀的構(gòu)成如圖1所示：模擬輸入—LPS/HA/DRAM—DSP——顯示圖1計(jì)算法頻譜分析儀構(gòu)成方框圖數(shù)據(jù)采集部分由數(shù)據(jù)采集部分由抗混低通濾波（LP）、采樣保持（S/H）和模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）幾個(gè)部分組成。數(shù)字信號(hào)處理（DSP）部分的核心是FFT運(yùn)算。有限離散序列Xn和它的頻譜Xm之間的傅立葉變換可表示如下：TOC\o"1-5"\h\zN-1nmXm=￡Xn?WNn=0-j2n/N\o"CurrentDocument"式中WN=Cn,m=0,1,,N-11N-1-nmXn=—￡Xm?WNNm=0Xm有N個(gè)復(fù)數(shù)值，由它可獲得振幅和相位譜IXm|,?m。由于時(shí)間信號(hào)Xn總是實(shí)函數(shù)，Xm的N個(gè)值的前后半部分共軛對(duì)稱。由于數(shù)據(jù)采集進(jìn)行的是有限時(shí)間內(nèi)的信號(hào)采集，而不是無(wú)限時(shí)間信號(hào)，在進(jìn)行FFT變

換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頻譜遺漏和干擾，因此，需要用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行平滑處理，即FFT變換后再采用相應(yīng)的平滑窗函數(shù)進(jìn)行處理。2、程控信號(hào)源的工作原理可以用數(shù)字合成的辦法產(chǎn)生任意波形的電壓信號(hào)。原理圖如圖2所示，信號(hào)的一個(gè)周期用256個(gè)點(diǎn)組成，每個(gè)點(diǎn)的值由8位的二進(jìn)制碼表示，因此需要一個(gè)256X8的ROM來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)。由加法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，產(chǎn)生0-255的8位二進(jìn)制碼，作為地址碼提供給ROM，依次取出ROM中存儲(chǔ)的256個(gè)點(diǎn)的值(8位二進(jìn)碼)，送至DAC輸入端，在DAC輸出端即可產(chǎn)生相應(yīng)的電壓波形。在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)就可以產(chǎn)生連續(xù)的周期電壓信號(hào)。時(shí)鐘脈沖f0-時(shí)鐘脈沖f0-計(jì)數(shù)器圖2任意信號(hào)波形的數(shù)字合成法程控信號(hào)源實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓挠布砣鐖D3所示。DB0--DB7DB0--DB7圖3程控信號(hào)源實(shí)驗(yàn)?zāi)０逵布碓贓PROM27C64中固化有16種波形數(shù)據(jù)，每一種波形的一個(gè)周期由256個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)點(diǎn)的值由8位二進(jìn)制碼表示，因此該EPROM要有16X256X8的存儲(chǔ)空間。輸出信號(hào)的頻率是由計(jì)數(shù)器前的分頻器控制的。晶體振蕩器產(chǎn)生的是2MHz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，改變分頻器的分頻比就改變了計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率，從而改變了DAC輸出的速率。那么，輸出信號(hào)的頻率可以由下式得出：輸出頻率=2MHz/(分頻比X256)輸出信號(hào)的幅度是由DAC(11)控制的。0832為8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，DAC(1)和的參考電壓為5V，則它輸出的某個(gè)點(diǎn)的電壓值Vo1為：Vo1=5VXDI1/255其中，DI1為DAC(1)的輸入數(shù)據(jù)(D10-D17)，即該點(diǎn)在EPROM中存儲(chǔ)的8位二進(jìn)碼的值。DAC(1)的輸出Vo1作為DAC(11)的參考電壓，DAC(11)的輸入數(shù)據(jù)DI2(D10-D17)由數(shù)據(jù)總線寫入，則DAC(11)輸出的某個(gè)點(diǎn)的電壓值Vo2為：Vo2=Vo1XDI2/255=5VXDI1XDI2/(255X255)從數(shù)據(jù)總線寫入不同的DI2，就可得到不同的信號(hào)幅度。信號(hào)為單極性輸出，幅度范圍為0-5V。三、實(shí)驗(yàn)硬件及軟件：1、可以上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)一臺(tái)；2、客戶端程序。四、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求：

1、復(fù)習(xí)好《電子測(cè)量》中頻譜分析及信號(hào)源的有關(guān)章節(jié)。2、參照遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作說(shuō)明書，了解程控信號(hào)源、數(shù)字頻譜分析儀的控制方法。3、詳細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，作好測(cè)試記錄的準(zhǔn)備。五、實(shí)驗(yàn)步驟：1、將本地計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，并用ping命令測(cè)試與遠(yuǎn)地服務(wù)器是否可以連通。2、運(yùn)行客戶端程序，輸入用戶名及密碼，選擇進(jìn)入“電子綜合實(shí)驗(yàn)”，并正確輸入主、從服務(wù)器的IP地址（可以從實(shí)驗(yàn)主頁(yè)上獲?。?。實(shí)驗(yàn)界面如下:勤宇電壓表ar宇匆器示施器地宇黯妥分析悅圖4數(shù)字頻譜分析儀面板3、本實(shí)驗(yàn)只需一個(gè)信號(hào)源。由程控信號(hào)源一產(chǎn)生一個(gè)正弦波，頻率控制設(shè)為8,幅度控制設(shè)為200，PCI-1200采集卡的采樣頻率設(shè)為20000，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為10000。用數(shù)字頻譜分析儀對(duì)該信號(hào)進(jìn)行頻譜測(cè)量，幅度刻度方式設(shè)為對(duì)數(shù)刻度（dbV），譜線顯示方式設(shè)為離散方式，并將測(cè)量結(jié)果填入表1。表1正弦波的頻譜分析頻率分量參數(shù)直流分量基波二次諧波三次諧波四次諧波五次諧波頻率（Hz）幅度（dbV）4、由程控信號(hào)源一產(chǎn)生一個(gè)方波，頻率控制設(shè)為8,幅度控制設(shè)為200，PCI-1200采集卡的采樣頻率設(shè)為20000，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為10000。用數(shù)字頻譜分析儀對(duì)該信號(hào)進(jìn)行頻譜測(cè)量，幅度刻度方式設(shè)為對(duì)數(shù)刻度（dbV），譜線顯示方式設(shè)為離散方式，并將測(cè)量

結(jié)果填入表2。表2方波的頻譜分析頻率分量參數(shù)直流分量基波二次諧波三次諧波四次諧波五次諧波頻率（Hz）幅度（dbV）5、由程控信號(hào)源一產(chǎn)生一個(gè)三角波，頻率控制設(shè)為8,幅度控制設(shè)為200,PCI-1200采集卡的采樣頻率設(shè)為20000，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為10000。用數(shù)字頻譜分析儀對(duì)該信號(hào)進(jìn)行頻譜測(cè)量，幅度刻度方式設(shè)為對(duì)數(shù)刻度（dbV），譜線顯示方式設(shè)為離散方式，并將測(cè)量結(jié)果填入表3。表