【正文】 ................................... .... 35 附圖（ 頻譜分析法的程序框圖 ） 第一章 引言 1 第一章 引言 信號(hào)的相位差測量儀在電工技術(shù)，工業(yè)自動(dòng)化，智能控制，通訊及電子技術(shù)等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)電子模擬式相位差測量采用乘法器法，二極管鑒相法等，有硬件電路完成。電路的溫漂，噪聲級干擾信號(hào)，都會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此，傳統(tǒng)的相位差檢測方法正逐漸被軟件測量方法所替代，通過軟件 算法來消除溫漂，噪聲及干擾信號(hào)的影響，使測量結(jié)果更加精確。 1995 年我們開始接觸 NI 公司的產(chǎn)品， 2021 年建立了一個(gè)用于教學(xué)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室。在該實(shí)驗(yàn)室中，使用自己開發(fā)的虛擬儀器開設(shè)了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，并融入電路實(shí)驗(yàn)課程，然后又轉(zhuǎn)向?yàn)槿５谋究粕脱芯可_設(shè)虛擬儀器設(shè)計(jì)課程。 虛擬儀器是以其技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，它強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的概念，用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，更好的組建自己所需要的測試系統(tǒng)。它是按照“信號(hào)的調(diào)整與采集（ ADC），數(shù)據(jù)的分析與處理（ DSP），結(jié)果的輸出（ DAC）及顯示” 的結(jié)構(gòu)模式來建立通用儀器硬件平臺(tái)，在這個(gè)通用硬件儀器平臺(tái)上，調(diào)用不同的測量軟件就構(gòu)成了不同功能的儀器。 虛擬儀器（ virtual instrumention）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越第一章 引言 2 強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器 主要是指這種方式。下面的結(jié)構(gòu)反映了常見的虛擬儀器方案。 被測對象→信號(hào)處理→數(shù)據(jù)采集卡→數(shù)據(jù)處理→虛擬儀器面板 虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動(dòng)化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。這也正是 NI 近 30 年來始 終引領(lǐng)測試測量行業(yè)發(fā)展趨勢的原因所在。只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化 I/O 硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技 術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢。虛擬儀器技術(shù)的三大組成部分： 高效的軟件 軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程序模塊，工程師和科學(xué)家們可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面。 NI公司提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟件 —— LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的方式，并將結(jié)第一章 引言 3 果顯示給用戶。此外， NI 提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，例如連接設(shè) 計(jì)與測試的交互式軟件 SignalExpress、用于傳統(tǒng) C 語言的 LabWindows/CVI、針對微軟 Visual Studio 的 Measurement Studio 等等，均可滿足客戶對高性能應(yīng)用的需求。 有了功能強(qiáng)大的軟件，您就可以在儀器中創(chuàng)建智能性和決策功能，從而發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在測試應(yīng)用中的強(qiáng)大優(yōu)勢。 模塊化的 I/O硬件 面對如今日益復(fù)雜的測試測量應(yīng)用， NI 提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論您是使用 PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是 1394 總線， NI 都能提供相應(yīng)的模塊化的硬件產(chǎn) 品，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)條理、聲音和振動(dòng)測量、視覺、運(yùn)動(dòng)、儀器控制、分布式 I/O 到 CAN 接口等工業(yè)通訊，應(yīng)有盡有。 NI 高性能的硬件產(chǎn)品結(jié)合靈活的開發(fā)軟件，可以為負(fù)責(zé)測試和設(shè)計(jì)工作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測量系統(tǒng)，滿足各種獨(dú)特的應(yīng)用要求。目前， NI 已經(jīng)達(dá)到了每 2 個(gè)工作日推出一款硬件產(chǎn)品的速度，大大拓寬了用戶的選擇面：例如 NI 新近推出的新一代數(shù)據(jù)采集設(shè)備 —— 先期推出的 20 款M 系列 DAQ卡，就為數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域設(shè)定了全新的標(biāo)準(zhǔn)。 第一章 引言 4 用于集成的軟硬件平臺(tái) NI 首先提出的專為測試任務(wù)設(shè)計(jì)的 PXI 硬件平臺(tái)， 已經(jīng)成為當(dāng)今測試、測量和自動(dòng)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，它的開放式構(gòu)架、靈活性和 PC 技術(shù)的成本優(yōu)勢為測量和自動(dòng)化行業(yè)帶來了一場翻天覆地的改革。由 NI 發(fā)起的 PXI 系統(tǒng)聯(lián)盟現(xiàn)已吸引了 68 家廠商，聯(lián)盟屬下的產(chǎn)品數(shù)量也已激增至近千種。 PXI 作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺(tái)，內(nèi)建有高端的定時(shí)和觸發(fā)總線，再配以各類模塊化的 I/O 硬件和相應(yīng)的測試測量開發(fā)軟件，您就可以建立完全自定義的測試測量解決方案。無論是面對簡單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，還是高端的混合信號(hào)同步采集，借助 PXI 高性能的硬件平臺(tái)，您都能應(yīng)付自如。 這就是虛擬儀器技術(shù)帶給您的無可比擬的優(yōu)勢。 虛擬儀器技術(shù)的四大優(yōu)勢： ： 虛擬儀器技術(shù)是在 PC 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的 PC 技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件 I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢。 NI的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前第一章 引言 5 的技術(shù)中。得益于 NI 軟件的靈活性，只需更新您的計(jì)算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資 和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)您的整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。 在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上， NI 高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表 和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。 NI 設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。 虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜 ，工程師們通常需要集成多個(gè)測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。 NI 的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的 I/O 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。 虛擬儀器的主要特點(diǎn)有： 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞职l(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 第一章 引言 6 目前，美國的 NI 公司和 HP 公司在虛擬儀器的研究方面處于領(lǐng)先地位，購買其虛擬儀器產(chǎn)品必將有助于我們 的科研和教學(xué)工作，但價(jià)格非常昂貴。因此，根據(jù)自己的需要自行研究和開發(fā)虛擬儀器顯得尤為重要。利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能采用 圖形編程語言，設(shè)計(jì)了一種方便使用的相位差計(jì)。該儀器的主要特點(diǎn)如下：采用了 Labview 作為開發(fā)平臺(tái)，軟件編程方便、簡潔、效率高；利用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)可測量兩個(gè)同頻信號(hào)的相位差；在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，通過改變軟件的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)別的儀器的功能。如虛擬函數(shù)發(fā)生器、虛擬示波器等。 相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測控技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器將成為未來教學(xué)科研的重要方法和手段，將取代傳統(tǒng)一起成為測量 儀器的主流。 第二章 相位差測量儀的概述 相位差的定義 相位差 :兩個(gè)頻率相同的交流電相位的差叫做相位差，或者叫做相差。這兩個(gè)頻率相同的交流電，可以是兩個(gè)交流電流，可以是兩個(gè)交流電壓，可以是兩個(gè)交流電動(dòng)勢，也可以是這三種量中的任何兩個(gè)。 例如研究加在電路上的交流電壓和通過這個(gè)電路的交流電流的相位差。如果電路是純電阻，那么交流電壓和電流電流的相位差等于零。也就是說交流電壓等于零的時(shí)候，交流第二章 相位差測量儀的概述 7 電流也等于零，交流電壓變到最大值的時(shí)候，交流電流也變到最大值。這種情況叫做同相位，或者叫做同相。如果電路含有電感和電容，交流電壓和交流電流的相位差一般是不等于零的，也就是說一般是不同相的，或者電壓超前于電流，或者電流超前于電壓。 加在晶體管放大器基極上的交流電壓和從集電極輸出的交流電壓，這兩者的相位差正好等于 180176。 。這種情況叫做反相位，或者叫做反相 。 相位差測量儀的應(yīng)用 信號(hào)的相位差測量儀在電工技術(shù)，工業(yè)自動(dòng)化，智能控制，通訊及電子技術(shù)等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)和軟，硬件的日益發(fā)展。在測試系統(tǒng)中越來越得到廣泛的應(yīng)用。比如：在實(shí)際工作中，常常會(huì)遇到兩列頻率相同的信號(hào)之間存在相位差，那么就需 要測量他們之間的相位差，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時(shí)，要求兩電網(wǎng)的電信號(hào)之間的相位相同，這時(shí)要精確測量兩列工頻信號(hào)之間的相位差。相位差測量在動(dòng)態(tài)測試，如：振動(dòng)和噪聲控制，傳感器的校準(zhǔn)，以及超聲測距和成像等領(lǐng)域越來越重要。 第三章 編程軟件 LABVIEW 的簡介 8 第三章 編程軟件 LABVIEW 的簡介 隨著測試技術(shù)及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電子測試儀器己從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)發(fā)展；從單臺(tái)儀器向多種功能儀器的組合及系統(tǒng)型發(fā)展；從完全由硬件實(shí)現(xiàn)儀器功能向軟硬結(jié)合方向發(fā)展；從功能組合向以個(gè)人計(jì)算機(jī)為核心構(gòu)成通用測試平臺(tái)、功能模塊及軟件包形式的 自動(dòng)測試系統(tǒng)發(fā)展。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代自動(dòng)測試系統(tǒng)正向儀器的自動(dòng)化、智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化方向發(fā)展。 虛擬儀器的出現(xiàn)給現(xiàn)代測試技術(shù)帶來了一場革命，虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是兩門學(xué)科的最新技術(shù)的結(jié)晶，融合了測試?yán)碚摗x器原理和技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、高速總線技術(shù)以及圖形化軟件編程于一身，實(shí)現(xiàn)了測量儀器的智能化、多樣化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化，體現(xiàn)出多功能、低成本、應(yīng)用靈活、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域大有取代傳統(tǒng)儀器的趨勢，成為當(dāng)代儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向，并受到各國企業(yè)界的 高度重視。所謂虛擬儀器（ Virtual Instrument，簡稱 VI），就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)的屏幕上虛擬出儀器的面板以及相應(yīng)的功能，人們通過鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關(guān)和按鍵，去選用儀器功能，設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動(dòng)或停止一臺(tái)儀器的工作。在計(jì)算機(jī)軟件控制下對輸入的信號(hào)進(jìn)行采集、分析、處理，測第三章 編程軟件 LABVIEW 的簡介 9 量結(jié)果（數(shù)據(jù)、波形）和儀器工作狀態(tài)都可從虛擬儀器面板上讀出。用戶在屏幕上通過虛擬儀器面板對儀器的操作如同在真實(shí)儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。 LABVIEW的概述 LABVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 的簡稱，是美國國家儀器公司（ NATIONAL INSTRUMENTS,簡稱 NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。 數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動(dòng)測試是實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛存在的實(shí)際任務(wù)。在 20 世紀(jì) 80 年代初計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，幾乎所有擁有程控儀器的實(shí)驗(yàn)室都采用貴重的儀器控制器來控制測 試系統(tǒng)，這些功能單一、價(jià)格昂貴的儀器控制器通過一個(gè)集成通訊端口來控制總線儀器。后來，隨著 PC 機(jī)的出現(xiàn)，工程師和科學(xué)家找到一種通過性能價(jià)格比高的通用 PC 機(jī)控制臺(tái)式儀器的方法，各種基于 PC機(jī)接口的板卡產(chǎn)品便應(yīng)運(yùn)而生。 LABVIEW的應(yīng)用 LABVIEW 在包括航天、通訊、生物醫(yī)學(xué)、電子、地球物理、機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，從簡單的儀器控制