【正文】 行遙測，而且可以在被測對象正常工作的情況下進行現(xiàn)場測量，這就擴大了人類用測量的方法定量的認識世界的范圍?，F(xiàn)在隨著計算機功能的不斷提高和成本的不斷降低，就可以在不增加儀器體積和不明顯增加成本的情況下，使儀器的性能發(fā)生很大的飛躍，是它具有高性能、更多功能、智能的特點。大到天文觀測、宇宙航天，小到物質(zhì)結(jié)構(gòu)、基本粒子；從復(fù)雜深奧的生命、細胞、遺傳問題到日常的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、商業(yè)各部門，越來越多的采用了電子測量技術(shù)和設(shè)備。這類儀器儀表顯示部分的幾本結(jié)構(gòu)是電磁式結(jié)構(gòu)，它利用電磁測量原理，通過指針的移動或電子束的便宜來顯示最終測量結(jié)果。今天數(shù)字化儀器儀表的增長速度已遠遠超過了模擬式儀器儀表。智能儀器以微電子器件代替常規(guī)電子線路，以微處理器為核心，具有信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能，甚至具有輔助專家進行推斷分析決策的能力。與此相對，基于計算機技術(shù)的智能儀器能夠有效的降低測試、測量系統(tǒng)的成本，共享測試系統(tǒng)的硬件和軟件，提高開發(fā)效率，成為測試系統(tǒng)與測量儀器的發(fā)展方向。 比較與差異 考察任何一臺傳統(tǒng)的只能儀器，都可以將其分解成以下三個部分： （ 1） 數(shù)據(jù)的采集：將輸入的模擬信號波形進行調(diào)理，并經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以待處理。而虛擬儀器是將具有上述一種或多種功能的通用模塊組合起來，通過編制不同的測試軟件來構(gòu)成任何一種儀器，而不是某幾種儀器。這樣就擺脫由傳統(tǒng)硬件構(gòu)成一件件儀器然后在連成系統(tǒng)的模式，而變成由計算機、 A/D 及 D/A 等帶共性硬件資源和應(yīng)用軟件共同組成的虛擬儀器系統(tǒng)新的概念。虛擬儀器是用戶自己定義的，用戶可以將各種計算機平臺、硬件、軟件和附備件結(jié)合起來，組裝成所需要的應(yīng)用設(shè)備。改變了過去傳統(tǒng)儀器只能完成一種測量的弊病，集合多種儀器功能于一體，使儀器向多功能集成化方向發(fā)展。隨著新技術(shù)的發(fā)展，許多領(lǐng)域?qū)﹄娮訙y量提出了更高的要求。 虛擬儀器在電子測量領(lǐng)域的使用，可以大大降低測量成本，提高儀器的利用率，通過通用硬件平臺，調(diào)用不同的軟件模塊，就可以完成多種儀器的測量功能。 所謂虛擬儀器 (Virtual Intrument，簡稱 VI)，就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板 以及相應(yīng)的功能，人們通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板的上旋鈕、開關(guān)和按鍵，去選用儀器功能，設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動或停止一臺儀器的工作。 數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動測試是實驗室研究核工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛存在的實際任務(wù)。 (1) Labview 應(yīng)用于測試于測量 Labview 已成為測試與測量領(lǐng)域的工業(yè)標準，通過 GPIB、 VXI、 PLC 串行設(shè)備和插卡數(shù)據(jù)采集板可以構(gòu)成實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應(yīng)的 Labview 驅(qū)動程序。在高等教育領(lǐng)域，有時如果使用Labview 進行軟件模擬，就可以達到同樣的效果，使學(xué)生不致失去實踐的機會。由于軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，在虛擬儀器中，用戶可以自已設(shè)計或定義新的理論和新的算法來適應(yīng)不同的測量需求，儀器的功能更加靈活、 強大 ,且很容易同網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其它應(yīng)用連接，可很快更新所設(shè)計的儀器，這樣不僅價格低，還能減少儀器的研制時間，降低儀器的維護費用。 由于釆用虛擬儀器技術(shù) ,傳統(tǒng)的由硬件電路實現(xiàn)的相位測量方法有了重大突破，以下的相關(guān)法與過零點法具有測里結(jié)果準確度髙，抗干擾能力強等優(yōu)點。式中 A， B 分別是被測信號 )(),( tytx 的幅值，? 就是兩信號之間的相位差，根據(jù)相關(guān)函數(shù)的定義 )(^ ?xyR 的估計值為： 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 dtttBATtytxTxyR TT ?? ????? 00 ])s i n[(s i n1)()(1)(^ ?????? （ 31） 當 0?? 時，有 dttBATtytxTxyR TT ?? ???? 00 )s i n(s i n1)()(1)(^ ????? （ 32） ?? ?? TT dtttABdttABT 00 2 )s i nc oss i nc oss i n(1 ????? 上式中第 2 項的積分為零，所以有： ???? c os2c oss i n1)(^ 0 2 ABdttABTxyR T ?? ? （ 33） 由此 可求出兩信號的相位差為： ABxyR )(^2cos ?? ? 或 ABxyR )(^2a rc c o s ?? ? （ 34） 式中 A、 B 可由 )(),( tytx 自相關(guān)函數(shù)求出。 相關(guān)法測量相位差的誤差來源很多，主要是由于量化誤差、噪聲干擾所引起的。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 過零點法 過零點發(fā)是通過計算兩個或多個同頻信號過零時刻的時間差，再將時間轉(zhuǎn)換為相位差。 圖 31 兩同頻信號圖 相位差的計算公式為： 360????? Tt? 其中 t? 為過零點時差； T 為信號周期。 FFT 頻譜分析法原理 FFT 法求相位差，即對信號進行頻譜分析，獲得信號的相頻特性，兩信號的相差即主頻率處相位的差值，所以，這一方法是針對單一頻率信號的相差測量的。它要求所處理的數(shù)據(jù)總數(shù)為 2m，因此對采集的數(shù)據(jù)總數(shù)有要求，另外，要求采樣必須滿足采樣定理，否則發(fā)生頻譜混疊。 ① 可測相位差的數(shù)值范圍為 0～ 360176。 相關(guān)法相位設(shè)計程序主流程圖 本程序核心是實現(xiàn)對 ? 的計算，其中需要調(diào)用計算 )0(^),0(^),0(^ xyRyRxR的子程序，而在 Labview 平臺上，計算 )0(^),0(^),0(^ xyRyRxR 的子程序均可以直接從函數(shù)庫中調(diào)用源碼模塊，無需手工編寫，主程序的流程圖如圖 41 所示： 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 41 相關(guān)法設(shè)計測量相位差的主流程圖 Labview 平臺下軟件的實現(xiàn) 虛擬相位差計有軟件控制信號的采集，并進行處理和結(jié)果顯示。虛擬示波器前面板如圖 42。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 圖 43 虛擬相關(guān)分析法相位差的前面板 以下是相關(guān) 法測量相位差的程序框圖，如圖 44 所示，先放置兩個同頻正弦波信號發(fā)生器用來產(chǎn)生波形，在后面再放置一個互相關(guān)函數(shù)處理器用來計算它們各自的相關(guān)函數(shù)，之后根據(jù)相關(guān)法原理和相位差從弧度轉(zhuǎn)化為角度表示法等一系列計算得到顯示值在前面板輸出。 圖 46 波形屬性設(shè)定 3)互相關(guān)函數(shù) 其中， X 是第一個輸入序列， Y 是第二個輸入序列。如 X 和 Y 較大， frequency domain 方法通常更快。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 48 反余弦函數(shù) 5)弧度轉(zhuǎn)化為角度，并用數(shù)值顯示 。 圖 410 相位差計輸入數(shù)值設(shè)定 2)測試結(jié)果數(shù)據(jù) 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 圖 411 相位差為 50176。 如圖 41圖 413 和圖 414 所示： 圖 412 采樣頻率 =200Hz,采樣點數(shù) =10 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 413 采樣頻率 =1000Hz，采樣點數(shù) =50 圖 414 采樣頻率 1500HZ，采樣點數(shù) 100 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圖 415 采樣頻率 =2021Hz，采樣點數(shù) =100 結(jié)合原 理、通過觀測顯示圖 41 41 414 和 415，并公式計算，得出當采樣頻率遠大于被抽取信號的最高頻率兩倍時，相位差計的精度和顯示的波形效果最好，即 hs ff 2?? 。該軟件界面操作簡易，編程方法簡單易懂，設(shè)計出的相位差計非常實用，更有利于數(shù) 據(jù)分析。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 圖 419 條件結(jié)構(gòu) 條件結(jié)構(gòu)用來判斷是否是半個周期的零點 。 綜合分過零點發(fā)與虛擬相關(guān)法 采用過零點法處理信號的相位，由于存在過零點的判斷誤差，適用于信號幅值較大，采樣頻率高的場合。此外隨著信號頻率的增加，必須考慮噪聲的影響，先關(guān)分析法測量適用 于頻率較低的信號，特別是對于超低頻信號的測量具有其它測量方法不可比擬的優(yōu)點。由于其以 PC 機為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用 PC 機和CPU 強大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的測試精度、速度大為提高，可實現(xiàn)自動化、智能化、多任務(wù)測量。通過對原理框圖的構(gòu)造和 Labview 軟件的學(xué)習，最終成功的實現(xiàn)了相位差計的設(shè)計。相關(guān)分析法對于采樣轉(zhuǎn)換的離散信號中的直流偏移、噪聲等干擾等具有很強的抑制能力。如果設(shè)計中采用，那么設(shè)計中輸入的采集點越多，采集頻率越大，那么兩信號之間的相位差就越精確，這也是本設(shè)計的一個缺陷。找老師多次詢問研究過程，并為我指點迷津，幫助我開拓思路，精心點撥、熱忱鼓勵。但愿大家在以后的日子里開開心心，順順利利。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成， 有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我虔誠的謝意！ 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 參考文獻 [1 ] 劉樂善 ,葉濟忠 ,胡盛斌 . 微型接口技術(shù)及應(yīng)用 . 武漢 :華中理工大學(xué)出版社 , 1993 (123320). 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