【文章內(nèi)容簡介】 用到軟件 labview的簡介概述以及應(yīng)用 。 第二章具體的介紹了測量相位差的原理。三種方法，相關(guān)法、過零點發(fā)與，F(xiàn)FT頻譜分析法。 第三章具體的介紹相位差的具體設(shè)計方法，原理框圖，實現(xiàn)后的測試與調(diào)試，與具體的測試圖。 第四章總結(jié)了此設(shè)計的不足與優(yōu)點。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 相位測量儀的概述 相位的定義 相位是反映交流電任何時刻的狀態(tài)的物理量。交流電的大小和方向是隨時間變化的。 比如 正弦交流電流，它的公式是 i=Isin2π ft。 i 是交流電 流的瞬時值，I 是交流電流的最大值， f 是交流電的頻率， t 是時間。隨著時間的推移，交流電流可以從零變到最大值，從最大值變到零，又從零變到負的最大值，從負的最大值變到零。在三角函數(shù)中 2π ft 相當(dāng)于角度，它反映了交流電任何時刻所處的狀態(tài)，是在增大還是在減小，是正的還是負的等等。因此把 2π ft 叫做相位，或者叫做相。 相位差的定義 相位差：兩個頻率相同的交流電相位的差叫做相位差，或者叫相差。這兩個頻率相同的交流電，可以是兩個交流電流，可以是兩個交流電壓，可以是兩個交流電動勢，也可以是這三種量中的任何兩個。 例如研究加在電路上的交流電壓和通過這個電路的交流電流的相位差，如果電路是純電阻，那么交流電壓和交流電流的相位差等于零，也就是說交流電壓等于零的時候，交流電流也等于零，交流電壓達到最大值時，交流電流也將達到最大值。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，或者是電流超前于電壓。 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 180?，這種情況叫做反相位，或者叫做反相。 相位測量方法及發(fā)展 現(xiàn)代相位測量技術(shù)的發(fā)展可以分為三個階段 第一階段是在早起采用的李沙育法、阻抗法、和差法、三電壓法，這些測沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 量方法通常采用比對法和平衡法，雖然方法簡單，但是測量精度不較低； 第二階段是利用數(shù)字專用電路、微處理器等來構(gòu)成測試系統(tǒng)，使測量精度得以大大提高； 第三個階段是充分利用計算機及智能化測量技術(shù)，從而大大簡化設(shè)計程序，增強功能，使得響應(yīng)的產(chǎn)品精度更高、功能更全。同時，各種新的算法、測量手段和新的設(shè)計方法及器件也隨之出現(xiàn)。 目前，國內(nèi)外提出了許多 改進的高精度相位測量方法，主要包括： （ 1）用專用數(shù)字處理芯片，利用正余弦表格及傅立葉變化方法來計算相位差，可大大提高測量精度。 （ 2）采用新器件及設(shè)計方法提高相位測量精度及展寬工作頻率范圍。 （ 3）采用新的算法來實現(xiàn)相位測量。 （ 4）采用高精度相位測量設(shè)備，通過相位輸出信號，利用橋路與輸入信號相位進行比較，從而測量出相位。 相位差測量儀的應(yīng)用 信號的相位差測量儀在電工技術(shù)，工業(yè)自動化，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，隨著計算機和軟硬件的日益發(fā)展。在測試系統(tǒng)中越來越得到廣泛 的應(yīng)用，比如在實際工作中，常常會遇到兩列頻率相同的信號之間存在相位差，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，要求兩電網(wǎng)的電信號之間的相位相同，這時要精確測量兩列工頻信號之間的相位差。相位差測量在動態(tài)測試，如振動和噪聲控制、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。 電子測量原理 測量是為了確定被測對象的量值而進行的實驗過程。在這個過程中常借助一些專門的設(shè)備，即測量儀器，把被測量對象直接或間接地與同類已知單位進行比較取得數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。 測量是揭示客觀世界規(guī)律 ，用數(shù)字語言描述周圍世界。進而改造世界的重要手段?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)和國防的重要特點之一，就是要進行大量的觀測沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 和統(tǒng)計。提高測量水平，降低測量成本，減少測量誤差，提高測量效率，對國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域都是至關(guān)重要的。因此，測量手段的現(xiàn)代化，已被公認為是科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要條件和明顯標(biāo)志。 電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 從俠義上講，電子測量是在電子學(xué)中測量有關(guān)的量值，通常包括以下幾個方面：電量的測量，如電流、電壓、功率、電能等；信號特征性及所受干擾的測量，如信號波形、失真度、頻率、相位、信 /噪比等；元件和電路 參數(shù)的測量，如電阻、電感、電容、電路頻率響應(yīng)、通帶寬度、相位移等。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對許多物理量，如距離、重量、速度、溫度等，使用傳統(tǒng)測量方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化科學(xué)研究和生產(chǎn)的需要。因此都將它們設(shè)法通過一定的傳感器變換成電信號，然后利用一整套比較成熟的電子學(xué)方法來進行測量。這也就是使得電子測量技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中具有不可代替的重要作用。 電子測量與其他測量相比，具有一下幾個明顯的特點： （ 1） 測量頻率范圍極寬 低端除了測量直流外還可以測低至 1410? Hz，高端可至 100GHz 左右（某些領(lǐng)域甚至更 高）。電子測量能工作在這樣寬的頻率范圍，因此它的應(yīng)用范圍很廣泛。但也由于頻率范圍寬，在不同的頻段測量所依據(jù)的原理、采用的方法、使用的元器件等可能相差很遠，通常把被測量電量或供給同一電量的儀器分為不同的頻段。例如超低頻信號發(fā)生器、音頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器等等。當(dāng)然這給使用帶來很多不便。近年來研制了很多寬頻帶設(shè)備，使一臺儀器能在很寬的頻率范圍內(nèi)工作。 （ 2） 量程很廣 由于所測量電量的大小相差極大，要求測量儀器的量程也極寬。同一臺電子測量儀器，經(jīng)常能做到量程很寬。例如一臺高靈敏的數(shù)字電壓表，可以測出10 納伏至 14 千伏的電壓，量程達 11 個數(shù)量級。電子計數(shù)器的量程更寬，其頻率范圍可達 17 個數(shù)量級。量程寬正是電子測量儀器的突出優(yōu)點。 （ 3） 測準(zhǔn)確度高 電子儀器的準(zhǔn)確度通?？杀绕渌麥y量儀器高很多。特別是對頻率和時間的沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 測量，由于采用了原子頻標(biāo)和原子秒作為基準(zhǔn)，是誤差減小 1210? ~ 1410? 級。人們常常把其他參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率在進行測量，以提高測量的準(zhǔn)去程度。子測量準(zhǔn)確度高真是它現(xiàn)代科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的重要原因之一。 （ 4） 測量速度快 電子測量是由于是通過電子運動和電磁波的傳播來進行工作的，因此具有其他測量方法通常無法類比的高速度。這也是它被廣泛應(yīng)用的一 個重要原因。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對測量過程和測量數(shù)據(jù)處理的速度都提出了越來越高的要求。因此，不斷提高測量速度也是電子測量發(fā)展的一個重要方向。 （ 5） 易于實現(xiàn)遙測和長期不間斷測量 由于可以把電子測量儀器或與它連接的傳感器放到人類不便長期停留或無法達到的地區(qū)進行遙測，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。 （ 6） 易于利用計算機，形成電子測量與計算機技術(shù)的緊密結(jié)合 這個特點決定了電子測量技術(shù)可以成為當(dāng)今測量技術(shù)的主流。由于電子測量的測量結(jié)果和它所需求的控制信號都是電信 號，這樣非常有利于直接或間接通過 A/D， D/A 變化與計算機連接。電子測量和計算機技術(shù)的緊密結(jié)合，特別是從 70 年代以來，超大規(guī)模集成電路和微處理機的出現(xiàn)，更使電子測量領(lǐng)域發(fā)生了重大的變化?，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。例如在測量中能夠?qū)崿F(xiàn)控制、遙控、自動調(diào)節(jié)、自動校準(zhǔn)、自動診斷故障甚至自動修復(fù)，對測量結(jié)果可以進行自動記錄，自動完成數(shù)據(jù)的運算、分析和處理。測量的速度和準(zhǔn)確度也有很大的 提高。 由于具有以上一系列特點，電子測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)的一切領(lǐng)域。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。 電子測量儀器的發(fā)展 根據(jù)電子測量儀器所采用技術(shù)的先進程度，可以講其分為三代產(chǎn)品，即模沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 擬式儀器、數(shù)字式儀器及智能儀器。 第一代測量儀器是模擬式儀器，這種儀器儀表至今仍在各個場合被廣泛使用著。大量的指針式電壓表，電流表、功率計以及模擬示波器，掃描儀等一些通用測試儀器，均是 典型的模擬式儀器儀表。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。它們的特點是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于維護，適合于對精度要求不高的場所。 第二代測量儀器的數(shù)字式儀器，它具有遠較模擬式儀器為高的測量精度與響應(yīng)速度。這類儀器儀表的幾本原理在于將待測的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行測量，如數(shù)字式萬用表，頻率計等。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。 第三代的測量儀器成為智能儀器。這類儀器儀表大致可分為兩類，一類內(nèi)含微處理器，被稱為 “內(nèi)含微處理”或“微機化”儀器。另一類，儀器本身與微型機在硬件結(jié)構(gòu)上是分開的，但儀器由微型機控制進行數(shù)據(jù)采集和處理，這類儀器應(yīng)屬于智能儀器的范疇儀器。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。 現(xiàn)代競爭要求測試系統(tǒng)有更短的開發(fā)周期、更低的成本和更高的質(zhì)量，因此自動化測試、測量在各科研單位、各公司企業(yè)內(nèi)越來越受關(guān)注，電子測試已經(jīng)不僅局限于對獲取某些物理量，而要求將很多測量儀器組合起來，構(gòu)成適用于某一特定目的的 專用系統(tǒng)。而目前仍很普遍使用的第一、二代測量儀器具有功能單一，彼此不兼容，不能共享硬件和軟件組織，不能將所得到的測量結(jié)果在計算機中進行微處理的缺點。這使得組建測試系統(tǒng)的成本很高，而開發(fā)、研究的效率卻難以提高。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。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第 2章 虛擬儀器及 Labview基礎(chǔ) 虛擬儀器概述 定義 虛擬儀器是指在通用計算機上添加一層軟件或必要的儀器硬件模塊，使用戶操作這 臺通用計算機就像操作自己專門設(shè)計的傳統(tǒng)電子儀器一樣。虛擬儀器技術(shù)強調(diào)軟件的使用，提出了“軟件就是儀器”的概念，這個概念克服了傳統(tǒng)儀器的功能在制造時就被限定而不能變動的缺陷，擺脫了由傳統(tǒng)硬件構(gòu)成一件軟件儀器在連成系統(tǒng)的模式，而變?yōu)橛捎脩舾鶕?jù)自己的需要通過編制不同的測試軟件來組合構(gòu)成各種虛擬儀器，其中許多功能直接就由軟件來實現(xiàn)，打破了儀器功能只能由廠家定義，用戶無法改變的模式，虛擬儀器還可以很快的跟上計算機的發(fā)展，升級重建自己的功能。這尤其適合科研與生產(chǎn)制造部門。 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。 （ 2） 數(shù)據(jù)的處理和分析：有微處理器按照功能要求對采集的數(shù)據(jù)作必要的分析和處理。 （ 3） 儲存、顯示或輸出：將處理后的數(shù)據(jù)存儲、顯示或經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。 傳統(tǒng)只能儀器是有廠家將上述二種功能的部件根據(jù)儀器功能按固定的方式組建，一般一種儀器只能有一種功能或數(shù)種功能。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。例 如激勵信號可以由微機產(chǎn)生數(shù)字信號，再經(jīng) D/A變化產(chǎn)生所需求的各種模擬信號，這相當(dāng)于一臺任意波形發(fā)生器。大量的測試沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 功能都可以通過被測信號的采樣， A/D 變換成數(shù)字信號，在經(jīng)過處理即可，或者直接用數(shù)字顯示而形成數(shù)字電壓表類儀器，或者圖形顯示而成示波器類儀器，或者再對數(shù)據(jù)進一步分析即可形成頻譜分析儀類儀器。其中，數(shù)據(jù)分析與處理以及顯示等功能可以直接由軟件完成。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。許多廠家目前已 研制出了許多種用于構(gòu)建虛擬儀器數(shù)據(jù)采集卡。一塊卡可以完成 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入輸出、計數(shù)器 /定時器等多種功能，在配以相應(yīng)的信號調(diào)理電路組件，即可構(gòu)成能生成各種虛擬儀器的硬件平臺。 總之，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處，就在于應(yīng)用的靈活性上。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。而一般由生產(chǎn)廠商所定義的，具有固定功能的單個設(shè)備，例如電壓表、示波器和數(shù)據(jù)記錄等，則不具有這樣的靈活性。因此利用虛擬儀器來取代傳統(tǒng)儀器之后，用戶將大大受益。 虛擬儀器對電子測量的影響 由于虛擬儀器的特點，將使它在電子測量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用： 在功能配置上，表現(xiàn)出了更高的靈活性。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。例如，可以在一臺虛擬儀器上同時完成信號發(fā)生、顯示波形、交直流電壓 /電流測量等功能。 虛擬儀器的出現(xiàn)，擴展了電子測量的概念。使得在測量的同時完成了對被測量的分析與處理。隨著新技術(shù)的發(fā)展，許多領(lǐng)域?qū)﹄娮訙y量提出了