采用LabView虛擬儀器創(chuàng)建掃頻正弦函數(shù)實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用

當(dāng)您需要在很寬的頻率范圍測(cè)試某種產(chǎn)品時(shí)，掃頻正弦波很有用。例如某個(gè)大型研究項(xiàng)目需要確定波浪在遠(yuǎn)洋的傳播方式，則該應(yīng)用需要生成掃頻正弦波，以便驅(qū)動(dòng)聲波換能器。雖然許多波形發(fā)生器都有內(nèi)置的函數(shù)來滿足這一要求，但您如果希望用多功能數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)正弦掃頻的話，就必須親自對(duì)它編程。僅憑一臺(tái)虛擬儀器（VI），您就能在National Instruments公司的LabView中創(chuàng)建掃頻正弦函數(shù)。利用該函數(shù)，可以控制起始頻率和終止頻率、采樣率，以及掃頻的總時(shí)長(zhǎng)（圖1）。

圖1 僅用一臺(tái)LabView虛擬儀器，您就能控制起始頻率、終止頻率、采樣率，以及掃頻總時(shí)長(zhǎng)。

LabView軟件對(duì)某個(gè)數(shù)組執(zhí)行計(jì)算，該數(shù)組代表了頻率增加或降低時(shí)（取決于掃頻方向），每個(gè)樣本點(diǎn)的掃頻正弦波時(shí)間數(shù)列。您必須逐點(diǎn)處理輸出的頻率變化。方程的基本形式為Y（I）=V×sin（（A×I2）/2+B×I），其中Y（I）是掃頻正弦波的振幅，是樣本點(diǎn)的函數(shù)；I是隨時(shí)間數(shù)列變化的整數(shù)；V是峰值電壓；A和B是變量。把A定義為2×π（fSTOP–fSTART）/N，把B定義為2×πfSTART，其中N是樣本數(shù)量，fSTART是歸一化起始頻率，fSTOP是歸一化終止頻率。為使起始頻率和終止頻率歸一化，必須把單位換算成每樣本的周期數(shù)。換算方法是把f1和 f2頻率（單位：赫茲）除以采樣率。采樣率的確定取決于您希望表現(xiàn)的掃頻正弦波的光滑程度。一條不錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn)法則是最高頻率的采樣率至少為每周期10個(gè)樣本。在設(shè)置采樣率時(shí)，您需要考慮自己正在掃頻的頻率總跨度以及掃頻本身的時(shí)長(zhǎng)?？梢园袻abView數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所做的掃頻正弦波實(shí)現(xiàn)與任意波形發(fā)生器 （AWG）在結(jié)果和性能方面做比較，這也會(huì)有幫助。

應(yīng)使用兩種比較方法。首先，在頻譜分析儀上對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與AWG掃頻正弦波的輸出做比較。然后，把二者輸入到某個(gè)音頻放大與揚(yáng)聲系統(tǒng)，并聽一聽輸出效果。該方法在確定掃頻速率、時(shí)長(zhǎng)、起始頻率和終止頻率方面很有用。只有當(dāng)相關(guān)頻率位于聽得見的范圍內(nèi)時(shí)，這類比較才有效。LabView VI采用簡(jiǎn)單的數(shù)組運(yùn)算，并使用了一個(gè)“for”循環(huán)。輸入時(shí)長(zhǎng)單位為秒，采樣頻率單位為樣本/每秒，起始頻率和終止頻率單位為赫茲。對(duì)采樣率做除法，就可立即把起始頻率和終止頻率換算為周期/樣本。一個(gè)最大值/最小值塊把歸一化的起始頻率和終止頻率作為輸入，并使用這個(gè)輸入對(duì)應(yīng)的最大輸出。在給定需要的采樣率和最高頻率時(shí)，可用該方法來確定設(shè)計(jì)方案是否符合奈奎斯特準(zhǔn)則。

該方法驅(qū)動(dòng)一個(gè)簡(jiǎn)單的布爾變量來提示用戶，設(shè)計(jì)是否符合奈奎斯特準(zhǔn)則。您可把“for”循環(huán)的運(yùn)行次數(shù)設(shè)為您希望計(jì)算的樣本總數(shù)。該值的確定方法是用時(shí)長(zhǎng)（單位：秒）乘以采樣率（單位：樣本/秒）。為保證循環(huán)處理了產(chǎn)生的所有樣本，您必須加1，這是因?yàn)檠h(huán)在N-1處停止。

可用簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算符號(hào)和正弦塊來實(shí)現(xiàn)“for”循環(huán)中的輸出函數(shù)。輸出值是一個(gè)到達(dá)了“for”循環(huán)邊緣的數(shù)組。應(yīng)在該節(jié)點(diǎn)啟用循環(huán)計(jì)數(shù)，這很重要。該行動(dòng)使電路能在“for”循環(huán)的輸出端逐個(gè)處理數(shù)組中的每個(gè)元素。也可添加一個(gè)簡(jiǎn)單的增益級(jí)，來把峰值設(shè)定到您希望的任何一點(diǎn)。最后，如果終止頻率低于起始頻率，那么您可使用“旋轉(zhuǎn)一維數(shù)組塊”分支結(jié)構(gòu)（case structure）來使數(shù)組反轉(zhuǎn)。在該方法處理的分支中，掃頻在較高頻率開始，并下降到較低頻率。

您可以很輕松地修改和擴(kuò)充這個(gè)簡(jiǎn)單的程序。一個(gè)辦法是用輸出數(shù)組（它只是一個(gè)時(shí)間數(shù)列，代表某個(gè)預(yù)先描述的掃頻）來給循環(huán)提供數(shù)據(jù)，后者將驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊。只要模塊的輸出采樣率等于您用來生成掃頻時(shí)間數(shù)列的采樣率，模塊的輸出就應(yīng)準(zhǔn)確代表這次掃頻。然后，您就應(yīng)該能夠跟蹤輸出樣本，并且在它們齊備時(shí)把掃頻數(shù)組反轉(zhuǎn)。然后，把反轉(zhuǎn)所得的新數(shù)組提供給數(shù)據(jù)采集模塊。也許很難足夠迅速地反轉(zhuǎn)數(shù)組并配置模塊，以便不遺漏樣本，這取決于您使用的最大頻率、最小頻率、掃頻時(shí)長(zhǎng)、采樣率。在這種情況下，您可以根據(jù)設(shè)定的通過次數(shù)來預(yù)填一個(gè)掃頻數(shù)組。

這些修改使掃頻能來回持續(xù)一段給定時(shí)間。另一項(xiàng)改進(jìn)是添加實(shí)時(shí)快速傅里葉變換（FFT）功能，使用戶能看到頻域中的掃頻。該方法還使電路更有可能符合掃頻的定義。

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