0 引言

    LabVIEW——Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（实验室虚拟仪器集成环境）是美国国家仪器公司（NATIONAL INSTRUMENTS，简称NI）的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。它能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。

    LabVIEW经过二十多年的发展已经充分证明：LabVIEW是极具威力的自动化测试、测量工程设计、开发、分析及仿真试验的最佳软件系统。现在已被广泛应用在汽车、电子、化工、生物及生命科学、航空、航天等等许许多多的领域。

    在数据采集的环境下，信号的频率测量和信号的频率跟踪是基本且重要的问题。只有测得被测信号的频率后，才有可能对其实现整周期采样，从而为接下来的数字信号处理创造有利条件。频率测量也一是周期测量，常用的方法可分成时域方法和频域方法。一般说来，常见的测量数据大都是用时域的方式来表示的，它们反映在直角坐标系中，常用横轴表示时间变量，以纵轴表示随时间变化的物理量。时域方法的主要优点是直接、相对简单较且容易估算误差。下面我们以三点法为算法，辅以实例探讨一下频率测量的基本方法。

1 测量原理及算法

    三点法是一种建立在三角函数变换基础上的数据拟合方法。假设被测函数是正弦函数，在等间隔采样的前提下（包括非整周期采样）可以利用相邻3个数据样本，导出求解信号频率的线性方程，进而拟合出方程的系数，最终求出频率。[1]推导如下：

    式（1-1）就是所需要的线性方程。这里有n个方程，只有一个未知数  ，用最小二乘法拟合可以得到一个较准确的斜率  ，进而用式（1-2）求出频率。
线性拟合的一般形式是 F=mX+b，其中，F是表征最佳拟合的数列；m是斜率；b是截距。

2 程序代码

    在LabVIEW中，线性拟合的函数为Linear Fit Coefficients，其功能为寻找一个线性方程的斜率和截距，使它们确定的直线能最佳地描述一组输入数据。[2]该函数的图标如下：

    其中，Y Values和X Values至少包含2个点，即n≥2；slope是所做线性拟合的斜率；intercept是所做线性拟合的截距。

    式（1-1）给出的方程比较简单，其截距为0。

    LabVIEW给出了函数Pulse Measurements，它可以直接用来计算波形的周期。如图所示，程序将用它做计算并与上述方法进行比较。

图1 三点法程序框图

    如图1所示，为了使过程接近于实际采集过程，信号源叠加了随机噪声。所产生的信号数组经过循环，产生所需要的数组y(n)、x(n)；然后经线性拟合求出   ；最终求得“测量频率1”。同时，作为比较，该程序还用计算周期的函数Pulse Measurements做出“测量频率2”。两个测量都给出了相对误差。

    图2为程序前面板。前面板显示噪声为0和0.01时的两个实验结果。实验是在非整周期采样条件下进行的，每周期约10个样本，并采集10个周期的数据。由结果可以看出，在无噪声的情况下，“测量频率1”的相对误差为0，“测量频率2”的相对误差为0.05%；当迭加1%的噪声后，“测量频率1”的相对误差为0.02%，“测量频率2”的相对误差为0.14%。由此可见，三点法的效果是不错的。

3 结束语

    LabVIEW语言程序编程容易并且修改方便，具有良好的人机界面和强大的数据分析处理函数库。本文提出了一种基于LabVIEW软件虚拟仪器实现的三点法频率测量技术，该方法具有频率计算简单、测量误差小的优点。三点法的主要问题是，它要求信号只能是正弦波，也有文献讨论了在含谐波与直流分量的情况下该方法的使用问题。

参考文献：

[1] 侯国屏.王坤. LabVIEW7.1程序与虚拟仪器设计.北京 清华大学出版社.2005.

[2] National Instruments. LabVIEW Help. 2003（3）.