【導(dǎo)讀】隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)測(cè)量技術(shù)的要求越來(lái)越高。能單一，體積龐大，已經(jīng)很難滿足實(shí)際工作的需要。機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展使電子測(cè)量?jī)x器逐漸向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，更廣、操作更簡(jiǎn)單、體積更小、可擴(kuò)充性更好。微型計(jì)算機(jī)的普及程。度和性能不斷提高，使得基于PC平臺(tái)的虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。滿足學(xué)?？蒲泻徒虒W(xué)改革的需要。討論了在數(shù)據(jù)傳輸、顯示和處理中的關(guān)鍵技術(shù)。使用USB數(shù)據(jù)采集卡，本文所選用的軟件LabView是美國(guó)NI公司的創(chuàng)新。它具有開(kāi)發(fā)周期短、運(yùn)行速度快、可重用性、使用方便靈。因此LabView對(duì)虛擬存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)是一種最理想的

　　

【正文】 該功能界面分為五部分 ：系統(tǒng)設(shè)置、頻譜測(cè)量、功率測(cè)量、諧波分析以及退出程序。 (2)系統(tǒng)設(shè)置 在系統(tǒng)設(shè)置中是設(shè)置電壓和電流變比。電壓變比、電流變比在程序中被定義為全局變量，以方便所有模塊都能對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)。電壓、電流變比的默認(rèn)值為 1， 對(duì)應(yīng)實(shí)際電壓、電流變比為 1:1。 在系統(tǒng)設(shè)置面板中，變比有兩種設(shè)置方式，一種是選擇己列出的變比值，如果實(shí)際電壓變比和互感器變比在選擇項(xiàng)中沒(méi)有找到，則使用第二種方式，即用戶手動(dòng)輸入方式。選擇自動(dòng)方式下，程序已將各選項(xiàng)添加在備選框中，當(dāng)用戶選擇其中一個(gè)選項(xiàng)時(shí)，程序會(huì)根據(jù)備選框中的值，系統(tǒng)主界面 系統(tǒng)設(shè)置 退出 頻譜分析 諧波分析 功率測(cè)量 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 31 頁(yè) 共 40 頁(yè) 利用 case 語(yǔ)句將對(duì) 應(yīng)的變比值賦值給相應(yīng)的電壓變比和電流變比全局變量。在用戶輸入方式下，用戶需要輸入變比兩端的值，這時(shí)程序?qū)⑤斎氲膬蓚€(gè)值相除，得到的結(jié)果即變比值，將這個(gè)變比值賦給對(duì)應(yīng)的全局變量就完成了變比的設(shè)置，在以后的測(cè)量中只要將電壓和電流乘以這個(gè)變比，計(jì)算出來(lái)的就是實(shí)際的電壓、電流值。 (3)頻譜測(cè)量模塊 在進(jìn)行頻譜測(cè)量時(shí)，首先用戶選擇是進(jìn)行單相測(cè)試還是多相測(cè)試，若進(jìn)行單相電壓電流測(cè)試則進(jìn)行單通道測(cè)試界面，若進(jìn)行三相電壓或電流信號(hào)測(cè)試則選擇多通道測(cè)試。對(duì)于進(jìn)入諧波分析和功率測(cè)量前也是如此。 選擇通道后則進(jìn)入采樣參數(shù)設(shè)置模塊 ，在進(jìn)入測(cè)量界面之前必須首先設(shè)置這些采樣參數(shù)，因?yàn)槿绻皇紫仍O(shè)置這些參數(shù)，直接進(jìn)入測(cè)量界面后再設(shè)置，則會(huì)造成系統(tǒng)崩潰而無(wú)法使用，分析原因是該采集器運(yùn)行時(shí)參數(shù)不能為空，若想進(jìn)入界面后設(shè)置參數(shù)這時(shí)采集器已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行，而參數(shù)還沒(méi)有開(kāi)始設(shè)置，所以使軟件系統(tǒng)導(dǎo)致崩潰。采樣時(shí)每通道采 1024點(diǎn)，每通道的采樣頻率設(shè)置為 ， 這樣相當(dāng)于初始采樣 4 個(gè)周期，每周期 256 點(diǎn)。單通道采樣時(shí)也可設(shè)置每周期采樣512 點(diǎn)、 1024點(diǎn)等，采樣頻率設(shè)置為 、 等，只要采樣頻率滿足小于 100KHz即 可。三通道采樣時(shí)由于總采樣頻率限制小于， 每通道采樣頻率最高采樣頻率設(shè)置 ， 下面進(jìn)行采樣時(shí)均是以每周期采樣 256 點(diǎn)，一次采樣 4 周期和采樣頻率為。 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 32 頁(yè) 共 40 頁(yè) 根據(jù)電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差 GB/T15945 1995 規(guī)定系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率為 50Hz， 正常的允許偏差為 177。 ， 當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，允許偏差為 ， 國(guó)內(nèi)各大電力系統(tǒng)的實(shí)際偏差均 小于177。 的允許值，系統(tǒng)設(shè)置了如果基波頻率超 50177。 ， 則會(huì)出現(xiàn)頻率越限報(bào)警。 為了測(cè)試各次諧波分量 的頻率，使用 Harmonic 節(jié)點(diǎn)輸出各諧波頻率，但使用該節(jié)點(diǎn)時(shí)需要通過(guò)自能量譜 AutoPower ， 然后將自能量譜輸入該節(jié)點(diǎn)后輸出各諧波頻率。 單相測(cè)量 FFT算法子程序。利用第三章介紹的基于 FFT 的諧波分析理論，調(diào)用 LabVIEW 中的 FFT 模塊。在該子模塊中，根據(jù)所需要分析的諧波次數(shù)，索引出各次諧波的幅值以及所采樣通道的有效值。 (4)諧波分析模塊 諧波分析模塊主要可測(cè)量諧波含量、各次諧波含有率和總諧波畸變率。在測(cè)試前 面板上可顯示輸入信號(hào)波形和各次諧波含 有率柱狀圖以及總諧波畸變率變 化趨勢(shì)圖 測(cè)量原理是根據(jù)第三章諧波分析理論，由 FFT 得出各次諧波的幅值，由諧波幅值根據(jù)公式可得到諧波含量、各次諧波含有率和總諧波畸變率。圖 。 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 33 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 測(cè)量諧波參數(shù)框圖程序 (5)功率測(cè)量模塊 功率測(cè)量模塊主要測(cè)量單相或三相及總的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)。 圖 ，三相測(cè)量的原理類似。根據(jù)有功功率是電路的電壓有效值、電流有效值與它們的相位差的余弦函數(shù)三者之積，無(wú)功功率是電路的電壓有效值、電流有效值與它們的相位差的正弦函數(shù)三者之積的原理，分別由采集通道引入該相電壓與電流信號(hào)，由幅相頻分析節(jié)點(diǎn)分解出電壓與電流信號(hào)的幅值與相位，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算節(jié)點(diǎn)及正弦函數(shù)、余弦函數(shù)節(jié)點(diǎn)即可顯示單相電路的有功功率與無(wú)功功率的大小。由磁勢(shì)平衡式可知，經(jīng)過(guò)電流互感器后副邊電流是與原邊電流反相的，所以求電壓電流相差時(shí)，電流先反相后，電壓相差再減去電流相差?；谔摂M儀器的相位測(cè)量利用軟件確定算法，克服了溫漂、噪聲及干擾信號(hào)的影響，因而測(cè)試結(jié)果較精確。 圖 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 34 頁(yè) 共 40 頁(yè) (6)數(shù)據(jù)及波形管理模塊 ① 波 形存盤(pán)及回放模塊 ， 波形存盤(pán)模塊是將在波形圖里顯示的波形數(shù)據(jù)保存到一個(gè) Excel 文檔里面，當(dāng)想重現(xiàn)歷史波形時(shí)， 打開(kāi)保存的數(shù)據(jù)即可顯示歷史波形，顯示的是一次采樣四個(gè)周期的波形，其框圖程序如圖 。 圖 波形存盤(pán)及波形回放框圖程序 ② 查看數(shù)據(jù)及保存模塊 所有的測(cè)量結(jié)果如果需要保存 (如保存至 EXCEL)， 需要在 LabVIEW 中用到 ActiveX 控件，可以用以下的 LabVIEW 程序?qū)崿F(xiàn)把己經(jīng)在前面操作中放入表格中的測(cè)量結(jié)果寫(xiě)入 EXCEL的一個(gè)文件，通過(guò) EXCEL 實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的保存。 框圖如圖 ： 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 35 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 保存到 EXCEL 框圖程序 ③ 打開(kāi)數(shù)據(jù)模塊 對(duì)于已保存的 EXCEL 格式的數(shù)據(jù)，如果需要在線打開(kāi)查看，點(diǎn)擊 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 36 頁(yè) 共 40 頁(yè) 打開(kāi)數(shù)據(jù)按鈕就打開(kāi)了 EXCEL軟件，則可選擇要打開(kāi)的 EXCEL 文檔 ，框圖程序如圖 ： 圖 打開(kāi) EXCEL 文檔框圖程序 ④ 圖像的保存 對(duì)于輸入信號(hào)波形、頻譜圖形、諧波信號(hào)和諧波含量柱狀圖等采集的數(shù)據(jù)在 WaveGraph 上顯示，有時(shí)為了保存顯示的圖形， LabVIEW 中特別提供了幾種常用圖像格式 (*.BMP, *.JPEG, *.PNG)的保存，本系統(tǒng)中保存格式為 *.BMP。 利用 Graph 的 Invoke Mode(調(diào)試模式 )的 Get Image 屬性獲得圖像 (包括圖像大小、顏色、背景色等參數(shù)的設(shè)置 )。 點(diǎn)擊圖像保存按鈕，會(huì)彈出選擇圖像保存對(duì)話框，以選擇要保存的圖形。以多路信號(hào)頻譜測(cè)量模塊中為例，圖像保存程序框圖如圖 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 37 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 圖像保存程序框圖 ⑤ 數(shù)據(jù)的暫停采集 數(shù)據(jù)的采集以及顯示的過(guò)程，是一個(gè)動(dòng)態(tài)不斷刷新的過(guò)程，為了便于觀察顯示過(guò)程，設(shè)計(jì)了一個(gè)暫停模塊，其模塊如下圖所示 ： 當(dāng)按下暫停時(shí)，其 Case 結(jié)構(gòu)為 True， 跳出對(duì)話框，要求選擇暫?；蛘呷∠麜和?，如選擇為暫停，則控制程序停止的按鈕的局部變量為 false，即停止運(yùn)行，否則繼續(xù)運(yùn)行。 框圖程序如圖 圖 暫停程序框圖 ⑥ 文件管理 文件管理方式有兩種，一種是將各個(gè)文件分散獨(dú)立地保存，另一 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 38 頁(yè) 共 40 頁(yè) 種是將相關(guān)文件集中起來(lái)保存與一個(gè)庫(kù)中。庫(kù)文件保存有利與節(jié)省磁盤(pán)空間，并且有利于移植到其他平臺(tái)上去，安全性較高。在完成對(duì)虛擬諧波分析儀各個(gè)模塊的 設(shè)計(jì)后，將各個(gè)模塊的程序添加到一個(gè)庫(kù)文件中，同時(shí)這些文件保持著自己的獨(dú)立性。 首先是創(chuàng)建一個(gè)新的庫(kù)文件。在主程序前面板中的 File 菜單中選擇 Save as， 彈出一個(gè)文件對(duì)話框，然后按下 New VI Library 按鈕，出現(xiàn)一個(gè)新的提示對(duì)話框，輸入庫(kù)文件名稱 Harmonics Analyser，再單擊 VI Library 按紐，然后將出現(xiàn)另一個(gè)對(duì)話框，按下 OK 按鈕就建立一個(gè)新的庫(kù)文件。其次，將各個(gè)模塊程序保存到庫(kù)文件。在各個(gè)模塊的 File 菜單中選擇 Save as 在保存文件對(duì)話框中選擇庫(kù)文件， 彈出一個(gè)文件對(duì)話框如下圖所示，將文件名輸入到 Name the VI 中，確認(rèn)后就完成將各個(gè)模塊保存到庫(kù)文件。如圖 圖 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 39 頁(yè) 共 40 頁(yè) ⑦ 生成 .exe 可執(zhí)行程序 為了能脫離 LabVIEW 軟件環(huán)境而能在任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行該虛擬儀器軟件系統(tǒng)，在系統(tǒng)首頁(yè)界面工具欄上點(diǎn)擊 Tools 下 Build Application or Shard Library(DLL)， 按照步驟生成可執(zhí)行程序 。 5 仿真結(jié)果 和誤 差分析 仿真結(jié)果 仿真一：頻譜測(cè)量仿真 labview內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)具有 5次諧波的輸入信號(hào) : )t1 5 0 0 0s i n (110)t1 2 5 0 0s i n (90)t1 0 0 0 0s i n (100)t5 4 0 0s i n (85)t5 0 0 0s i n (100)( πππππ ??????tx 未經(jīng)過(guò)采集器。在 LabVIEW 中使用多諧信號(hào)附加噪聲的波形發(fā)生器 Tones and Noise 產(chǎn)生一個(gè)具有 5次諧波的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò) FFT 計(jì)算后輸出的信號(hào)頻譜如圖 中所示。 圖 頻譜分析程序框圖。 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 40 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 由 LabVIEW 內(nèi)部產(chǎn)生的諧波信號(hào)頻譜測(cè)量 5次諧波信號(hào) 頻譜分析程序框圖 仿真 二 ： 由信 號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào) 經(jīng)過(guò)采集器由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)驗(yàn)證頻譜和諧波測(cè)量的 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 41 頁(yè) 共 40 頁(yè) 正確性和精度 。 由信號(hào)發(fā)生器輸入一個(gè)占空比為 ， 幅度為 1V， 頻率為 50Hz 的方波信號(hào) ， 其各諧波分量的初相位隨機(jī) 。 經(jīng)過(guò)采集器 ，進(jìn)入單相信號(hào)測(cè)量界面 。 圖 方波信號(hào)波形及頻譜圖 該標(biāo)準(zhǔn)方波的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為 ： ))12s i n(12 15s i n513s i n31(s i n4)( ?? ???????? xkkxxxxf ????π 此周期方波信號(hào)的幅值無(wú)直流分量 ， 無(wú)偶次諧波 ， 含有基波和其奇次諧波分量 。 諧波幅值以 1/n 的規(guī)律收斂 。 因此其頻譜具有離散性和收斂性特點(diǎn) 。 設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)為每周期 256點(diǎn)，一次采樣 4周期 ， 即每通道采樣 1024 點(diǎn) ， 采樣頻率設(shè)置為 12800Hz。 表 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 42 頁(yè) 共 40 頁(yè) a 理論值 b 實(shí)測(cè)值 從上表數(shù)據(jù)看出 ， 各次諧波幅值實(shí)際測(cè)量值和理論值比較 ， 相對(duì)誤差最高為基波 ( )/ 100% %。 奇次諧波頻率基本和理論值一樣 ， 有不到 1Hz 的誤差 ， 因信號(hào)發(fā)生器本身頻率有微小浮動(dòng) ， 并沒(méi)有固定在 50Hz。 因?yàn)橄到y(tǒng)存在誤差 ， 所以出現(xiàn)較小偶次諧波幅值 ， 相應(yīng)也存在偶次諧波頻率 ， 其頻率仍滿足是基波的整數(shù)倍 。 諧波有效值相對(duì)誤差為 ( )/ 100% %。 仿真三 ：聲音信號(hào)的頻譜分析 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 43 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 聲音信號(hào)的頻譜分析 圖 聲音信號(hào)頻譜分析程序框圖 如圖 ，通過(guò) labview使聲音輸入并且經(jīng)過(guò)加入 hanning窗采樣 ， FFT后輸出的波形圖和頻譜圖。聲音頻率的范圍在 0HZ22021 HZ。圖 聲音信號(hào)頻譜分析程序框圖。 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 44 頁(yè) 共 40 頁(yè) 誤差分析 （ 1） 量化誤差 A/D 轉(zhuǎn)換精度是數(shù)據(jù)采集器 (卡 )或虛擬儀器 I/O 接口設(shè)備的重要指標(biāo)之一 ,通常用分辨率或量化誤差來(lái)表示 A/D轉(zhuǎn)換的精度 . 分辨率： bhUqLSB 2/1 ?? 量化誤差： 12/2/2/1 ???? bHUqL SBe 式中 LSB 指最低有效位變化量， q 指量化值， b 為轉(zhuǎn)換或待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)字位數(shù)， UH 為滿量程輸入或輸出電壓。 顯然， b 越大，量化誤差越小。常用的數(shù)據(jù)采集卡的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù) b 有 12 位、 16 位、 24 位。本課題