基于fpga低频振动信号频谱的分析仪设计的研究

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1、摘要低频振动信号频谱分析仪是把振动信号从时域转换到频域进行分析，通过分析频谱参数从而对设备进行调试维护、故障诊断、工作检测等。在工厂生产、工程机械、军事国防等领域有着重要的作用。目前的频谱分析仪，大多数都使用模拟电子技术，结构复杂、价格昂贵、体积大、功耗高、测量频段一般在100KHz以上，而适用于1KHz以下的低频振动领域的频谱仪相对较少；此外，频谱仪在信号处理过程中，当需要分析放大局部频谱时，往往是通过增加采样点，加大采样频率的方式进行局部细化放大，但是这些方式会导致系统运算量大大增加、消耗了系统资源。本文针对此类不足，研究了一款基于FPGA的专门测量低于1KHz低频信

2、号的频谱分析仪。并且系统采用频谱细化算法，解决了传统FFT算法在局部频率分辨率上不足的缺点，改善了局部频谱的分辨率，最关键的是通过细化算法无需增大系统运算量即可清晰的观察到局部细化放大的频谱。整个低频振动信号频谱仪系统的研究采用了SOPC技术，利用NiosII软核处理器来控制整个系统，提升了系统的可靠性，同时减小了体统体积、降低了功耗，也为以后的维护和升级带来了极大的方便。论文首先简要分析了低频振动信号频谱分析的原理、频谱细化算法，其次提出系统总体设计方案和频谱处理中要解决的关键技术，然后详细阐述了频谱仪(包括NioslI控制软核及FPGA的数据处理模块)的硬件单元结构和

3、软件算法的实现。最后把这个系统在武汉凌特公司的LTE．SOPC．02FDSOPC开发平台上进行实验测试。测试结果表明此系统性能优异，满足了在频率测量范围1Hz．1KHz内，频率分辨率较高的要求。关键字：频谱分析仪；快速傅里叶变换；频谱细化；现场可编程门阵列：NiosII处理器ABSTRACTThelow·frequencyvibrationsignalspectrumanalyzercouldconvertthevibrationsignalfromthetimetothefrequencytoanalysis，throughtheanalysisofthespectru

4、mparametersoftheequipment，itcouldcommissioningandmaintenance，faultdiagnosisanddetection．Itplaysanimportantroleinfactoryproduction，engineeringmachinery,militarydefense．Mostofthecurrentspectrumanalyzerusinganalogelectronics．theyarecomplex，expensive，bulky,highpowerconsumption，andthemeasureme

5、ntfrequencybandisgenerallyover100KHz，thenumberofapplicabletoIKHzfollowingthelow—frequencyvibrationspectrumanalyzerisverylittle；Inaddition,thespectrumanalyzer,signalprocessing，whentheneedtoanalyzetheamplificationofthelocalspectrum，oftenbyincreasingthesamplingpoints，increasethesamplingfrequ

6、encyofthelocalrefinementenlarge，butthesemethodswillleadtothesystemoperatorthelargeincreaseinconsumptionofthesystemresources．Inordertosolvesuchproblems，TheprojectdesignsaprofessionalspectrumanalyzermeasurementontheFPGAplatform．itislowerthan1KHzlowfrequencysignal．Andtheuseofthespectrumrefin

7、ementalgorithmtosolvetheshortcomingoftheconventionalFFTalgorithmonalocalfrequencyresolution，andimprovedtheresolutionofthelocalspectrum，themostcriticalisthethinningalgorithmwithoutincreasingthesystemcomputationcanbeclearlyobservedlocallyrefinedtoenlargethespectrum．Th