基于FFT频谱分析算法的虚拟示波器的研制

论文摘要

测试技术几乎涉及所有的工程技术领域,测试技术已经成为生产效率和制造能力的重要标志。多年来,为了提高生产效率和产品性能,各国大力发展自动测试系统及其相关技术。而我国对自动测试系统的研究较晚,尚不成熟,大部分精密测试设备都依靠进口且价格昂贵。如今虚拟仪器技术的出现,又给了我们新的发展契机。本文融合DSP技术和虚拟仪器技术,构建了测试信号处理分析系统,研制完成直升机自动测试系统中的虚拟示波器模块。不同于当前主流虚拟示波器结构“数据采集卡+上位机数据处理系统”,本文利用下位机DSP模块完成了数据采集功能和数据处理功能,避免了海量数据传输的问题,提高了系统实时性。上位机模块负责调度自动测试系统的各个模块的测试程序集。本文重点研究数字信号处理分析的相关理论及其在DSP模块上的实现。在数字滤波方面,应用MATLAB工具对Kaiser窗FIR低通滤波器进行了参数优化和仿真验证,使窗函数旁瓣引起的吉布斯现象对采样信号信息的影响降至最低。在频谱分析方面,分析了FFT频谱分析算法能量泄露的原因,并应用加Hanning窗的方法对FFT算法的能量泄露进行了抑制,但实验表明频谱分析误差仍较大。为进一步减小频谱分析误差,研究了由加Hanning窗FFT算法与窗的谱函数之间的关系推导出的Hanning窗比值法,并对加Hanning窗FFT频谱结果进行校正,实验结果表明比值校正法明显提高了FFT频谱分析的精度。研究了以提高频率分辨率为目的的FT频谱细化算法,对FFT离散频谱连续化的实验结果进行了分析,并与比值校正法的实验结果进行比较,分析了两算法校正结果的差异以及两者仍然存在误差的原因。在信号分析算法实现方面,采用IQ数据格式使定点DSP完成了高精度的浮点运算,且提高了系统的实时性。本文应用DSP模块对变频异步电机的电流信号进行了测试,测试结果表明DSP模块在强干扰的环境下,依然能够保持很高的测量精度,取得了良好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究背景
• 1.3 国内外虚拟示波器技术的发展现况
• 1.3.1 虚拟示波器硬件系统的研究现况
• 1.3.2 虚拟示波器数字信号处理方法研究现状
• 1.4 本文的研究任务
• 1.5 本文的组织结构
• 第2章 数字信号处理方法研究
• 2.1 数字滤波器技术研究
• 2.1.1 数字滤波器概述
• 2.1.2 FIR滤波器原理
• 2.1.3 FIR滤波器实现结构
• 2.1.4 FIR滤波器窗函数设计方法
• 2.2 傅里叶变换与频谱分析
• 2.2.1 傅里叶级数
• 2.2.2 DFT及DFT频谱分析
• 2.2.3 快速傅里叶变换（FFT）
• 2.3 离散频谱误差分析与加窗运算
• 2.4 离散频谱校正理论
• 2.4.1 比值校正法
• 2.4.2 FT频谱细化校正法
• 2.5 本章小结
• 第3章 虚拟示波器的硬件系统设计
• 3.1 虚拟示波器的硬件总体设计方案
• 3.2 硬件系统内各模块论述
• 3.2.1 主芯片F2812
• 3.2.2 A/D采集模块及其采样误差校准
• 3.2.3 CAN总线通讯模块
• 3.2.4 时钟电路及JTAG接口电路
• 3.2.5 系统的电源配置
• 3.3 PCB板布线及抗干扰设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 信号处理分析算法的实现及性能分析
• 4.1 DSP程序开发
• 4.1.1 DSP编译环境介绍
• 4.1.2 定点DSP实现浮点运算
• 4.1.3 .c md文件配置
• 4.2 抗脉冲干扰滤波方法的实现及性能分析
• 4.3 FIR低通滤波器的实现及性能分析
• 4.3.1 FIR低通滤波器设计
• 4.3.2 FIR低通滤波器的性能分析
• 4.4 加窗FFT算法实现及其离散频谱分析
• 4.4.1 加窗FFT算法实现
• 4.4.2 加窗FFT算法的性能分析
• 4.5 FFT离散频谱校正方法实现及其性能分析
• 4.5.1 FFT离散频谱校正方法的实现
• 4.5.2 FFT离散频谱校正方法的性能分析
• 4.6 系统软件设计及其性能分析
• 4.6.1 系统软件设计
• 4.6.2 系统的性能分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢