【導(dǎo)讀】畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書共頁，設(shè)計(jì)圖紙張。由于數(shù)字方法需要高頻的計(jì)數(shù)脈沖，而一般的計(jì)數(shù)器的工作頻率有一定的。信號(hào)頻率的提高。精度會(huì)進(jìn)一步的下降。近年來隨著高速數(shù)據(jù)采集卡和虛擬儀。器技術(shù)的不斷發(fā)展，采用軟件來代替硬件電路進(jìn)行相位的測量成為可能。差和產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)等功能，體現(xiàn)了虛擬儀器高集成度，一機(jī)多用的特點(diǎn)。種測試、測量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)。改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具。能滿足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。

　　

【正文】 面板中可模擬真實(shí)儀器 ，用鼠標(biāo)任意更改 2 個(gè)波形的幅值、初始相位、周期和采樣點(diǎn)數(shù)等，然后運(yùn)行即可顯示波形和相位差。 在設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)當(dāng)注意， Labview 中使用的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)計(jì)算公式稍有不同，從數(shù)組序列取出 )0(^),0(^),0(^ xyRyRxR 時(shí)，不是對(duì)應(yīng) 0?k 處。例如：當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)為 101 時(shí)，對(duì)應(yīng)的 )0(^),0(^),0(^ xyRyRxR 的點(diǎn)應(yīng)是)100(^),100(^),100(^ xyRyRxR ，在框圖中應(yīng)作相應(yīng)處理。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(gè)同頻正弦波信號(hào)發(fā)生器用來產(chǎn)生波形，在后面再放置一個(gè)互相關(guān)函數(shù)處理器用來計(jì)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(jì)算得到顯示值在前面板輸出。 圖 44 虛擬相關(guān)分析法相位差程序框圖 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 子模塊設(shè)計(jì) 1)基本函數(shù)發(fā)生器 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用“信號(hào)生成”子選板“正弦波”函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì) ， 如圖45。 圖 45 正弦波 VI 限于篇幅，其詳細(xì)信息不作介紹，可查閱 Labview 幫助。 2)正弦波相位、幅值以及采樣點(diǎn)數(shù)的 輸入，如圖 46。 圖 46 波形屬性設(shè)定 3)互相關(guān)函數(shù) 其中， X 是第一個(gè)輸入序列， Y 是第二個(gè)輸入序列。算法指定使用的相關(guān)方法。算法的值為 direct 時(shí)， VI 使用線性卷積的 direct 方法計(jì)算互相關(guān)；如算法為frequency domain， VI 使用基于 FFT 的方法計(jì)算互相關(guān)。 如 X 和 Y 較小， direct方法通常更快。如 X 和 Y 較大， frequency domain 方法通常更快。此外，兩個(gè)方法數(shù)值上存在微小的差異。 在此，采用默認(rèn)算法 ， 如圖 47。 圖 47 相關(guān)函數(shù) 4)反余弦運(yùn)算 根據(jù)相關(guān)法 原理，其相位差 ABxyR )(^2a rc c os ?? ? ，所以需要利用反余弦函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算 ， 如圖 48。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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 。 根據(jù)轉(zhuǎn)換公式：??1801 ?rad， 如圖 49。 圖 49 相位差 0～ 360176。顯示 相位差計(jì)設(shè)計(jì)測試結(jié)果 1) A、 B 的兩個(gè)同頻正弦波信號(hào)的頻率、幅值以及采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置 ，如圖 410。 圖 410 相位差計(jì)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(jì)（論文） 22 圖 411 相位差為 50176。的測試數(shù)據(jù) 3)數(shù)據(jù)分析 根據(jù)采樣定理： 采樣頻率必須大于被采樣信號(hào)帶寬的兩倍，另外一種等同的說法是奈奎斯特頻率必須大于被采樣信號(hào)的帶寬。 即 hs ff 2? 。采樣頻率直接影響到相位差計(jì)的精度和波形的顯示。 如圖 41圖 413 和圖 414 所示： 圖 412 采樣頻率 =200Hz,采樣點(diǎn)數(shù) =10 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 413 采樣頻率 =1000Hz，采樣點(diǎn)數(shù) =50 圖 414 采樣頻率 1500HZ，采樣點(diǎn)數(shù) 100 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 415 采樣頻率 =2021Hz，采樣點(diǎn)數(shù) =100 結(jié)合原 理、通過觀測顯示圖 41 41 414 和 415，并公式計(jì)算，得出當(dāng)采樣頻率遠(yuǎn)大于被抽取信號(hào)的最高頻率兩倍時(shí)，相位差計(jì)的精度和顯示的波形效果最好，即 hs ff 2?? 。 4)性能分析 該設(shè)計(jì)利用相關(guān)法的優(yōu)勢在于精確度高，特別適用于電網(wǎng)信號(hào)受到較大干擾的情況下。同時(shí)可以準(zhǔn)確的測出兩個(gè)同頻正弦波 0～ 360176。、幅值 ～ V、頻率 Hz～ 10 kHz之間的相位差以及幅度差測量，符合設(shè)計(jì)要求。該軟件界面操作簡易，編程方法簡單易懂，設(shè)計(jì)出的相位差計(jì)非常實(shí)用，更有利于數(shù) 據(jù)分析。 小結(jié) 相位差測量是工程信號(hào)分析的幾本任務(wù)之一，由于噪聲和信號(hào)不相關(guān)，而噪聲之間也不相關(guān)，所以用相關(guān)法測量相位差的抗噪聲能力比較強(qiáng)，相關(guān)分析法對(duì)于采樣轉(zhuǎn)換離散信號(hào)中的直流偏移，噪聲等干擾具有很強(qiáng)的抑制能力，特別是具有較強(qiáng)的抗隨機(jī)抗干擾能力，測量精度高，但是該方法測量相位差的準(zhǔn)確度與信號(hào)的信噪比， A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)以及采樣樣本點(diǎn)數(shù)均有關(guān)，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)大于 8 位，采樣點(diǎn)數(shù)大于 512 時(shí)，信噪比越小，測量誤差就大，因沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 此，在要求高精度測量時(shí)必須考慮噪聲的影響。本設(shè)計(jì)就是基于虛擬儀器 采用互相干法測量并計(jì)算出兩信號(hào)的相位差，實(shí)現(xiàn)虛擬相位差儀的設(shè)計(jì)。 過零點(diǎn)法 過零點(diǎn)法的設(shè)計(jì)框圖 圖 416 過零點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 過零點(diǎn)法前面板 圖 417 過零點(diǎn)法前面板設(shè)計(jì)圖 子模塊 (VI)設(shè)計(jì) 圖 418 兩個(gè) while 循環(huán) 循環(huán)的目的是用來尋找零點(diǎn) 。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(gè)周期的零點(diǎn) 。 相位差計(jì)設(shè)計(jì)測試結(jié)果 1) A、 B 的兩個(gè)同頻正弦波信號(hào)的頻率、幅 值以及采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置 ，如圖 420。 圖 420 相位差計(jì)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(jì)（論文） 28 圖 421 相位差為 50176。的測試數(shù)據(jù) 3)與相關(guān)法的對(duì)比如圖 42 42 42 425 所示 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 422 采樣頻率 =200Hz,采樣點(diǎn)數(shù) =10 圖 423 采樣頻率 =1000Hz，采樣點(diǎn)數(shù) =50 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 424 采樣頻率 =1500Hz，采樣點(diǎn)數(shù) =100 圖 425 采樣頻率 =2021Hz，采樣點(diǎn)數(shù) =100 通過上圖的分析比較可以 得出，當(dāng)采樣頻率遠(yuǎn)大于被抽取信號(hào)的最高頻率沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 兩倍時(shí)，相位差計(jì)的精度和顯示的波形效果最好，即 hs ff 2?? 。 綜合分過零點(diǎn)發(fā)與虛擬相關(guān)法 采用過零點(diǎn)法處理信號(hào)的相位，由于存在過零點(diǎn)的判斷誤差，適用于信號(hào)幅值較大，采樣頻率高的場合。使用是，要預(yù)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波或去噪處理。 相關(guān)分析法對(duì)于采樣轉(zhuǎn)換的離散信號(hào)中的直流偏移、噪聲等干擾等具有很強(qiáng)的抑制能力。該方法的測量誤差主要來源于交流信號(hào)的頻率不穩(wěn)定。此外隨著信號(hào)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(hào)，特別是對(duì)于超低頻信號(hào)的測量具有其它測量方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 第 5章 總結(jié)與展望 此課題設(shè)計(jì)結(jié)合了在虛擬儀器中較為簡單直觀的圖形化編程工具 Labview，經(jīng)過這一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，已經(jīng)基本上掌握了 Labview 各個(gè)模塊的基本功能并最終根據(jù)相關(guān)法的原理以及其它算法公式。將 Labview 中可能用到的模塊結(jié)合起來產(chǎn)生這種虛擬相關(guān)法的相位差測量儀的程序框圖。 設(shè)計(jì)過程中，在 Labview 強(qiáng)大的圖形顯示界面平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了相位差的測量，對(duì)虛擬儀器的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深。由于其以 PC 機(jī)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(jī)和CPU 強(qiáng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、多任務(wù)測量。并可方便地存儲(chǔ)和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的表達(dá)方式豐富多樣。虛擬儀器在較高性價(jià)比的條件下，降低了系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)的費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。 本次設(shè)計(jì)有三種方法在虛擬儀器的平臺(tái)上來實(shí)現(xiàn)相位差的測量，即過零點(diǎn)發(fā)原理，相關(guān)法原理， FFT 頻譜分析法原理這三種方法，本次設(shè)計(jì)只采用了過零點(diǎn)法和相關(guān)法來實(shí)現(xiàn)設(shè) 計(jì)。通過對(duì)原理框圖的構(gòu)造和 Labview 軟件的學(xué)習(xí)，最終成功的實(shí)現(xiàn)了相位差計(jì)的設(shè)計(jì)。但是基于各個(gè)原理的限制，對(duì)于一些測量難免會(huì)出現(xiàn)誤差，屬于可允許范圍之內(nèi)。采用過零點(diǎn)法處理信號(hào)的相位，由于存在過零點(diǎn)的判斷誤差，適用于信號(hào)幅值較大，采樣頻率高的場合。使用是，要預(yù)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波或去噪處理。相關(guān)分析法對(duì)于采樣轉(zhuǎn)換的離散信號(hào)中的直流偏移、噪聲等干擾等具有很強(qiáng)的抑制能力。該方法的測量誤差主要來源于交流信號(hào)的頻率不穩(wěn)定。此外隨著信號(hào)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(hào)，特別是對(duì)于超低頻信 號(hào)的測量具有其它測量方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 本次設(shè)計(jì)只是一個(gè)仿真實(shí)現(xiàn)的課題設(shè)計(jì)，未能采用數(shù)據(jù)采集卡這個(gè)數(shù)字化儀表。如果設(shè)計(jì)中采用，那么設(shè)計(jì)中輸入的采集點(diǎn)越多，采集頻率越大，那么兩信號(hào)之間的相位差就越精確，這也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)缺陷。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 致 謝 本文從擬定題目到定稿，歷時(shí)數(shù)月。本文在完成之際，首先要向我的導(dǎo)師趙柏山老師致以誠摯的謝意。本課題在選題及研究過程中得到趙老師的悉心指導(dǎo)。找老師多次詢問研究過程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜 樣；他循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給了我無盡的啟迪。 感謝所有信息的老師給我提供的幫助，他們細(xì)心的指導(dǎo)是我學(xué)習(xí)和研究的動(dòng)力，在此，我要向諸位老師深深的鞠上一躬。 感謝我的室友們，從遙遠(yuǎn)的家來到這個(gè)陌生的城市里，是你們和我共同維系著寢室那份家的融洽。但愿大家在以后的日子里開開心心，順順利利。我們?cè)谝黄鸬娜兆?，永遠(yuǎn)不會(huì)忘記。 感謝我的爸爸媽媽。焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報(bào)，你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)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(qǐng)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(jì)（論文） 34 參考文獻(xiàn) [1 ] 劉樂善 ,葉濟(jì)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). [2 ] 何為民 . 低功耗單片微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 北京 :北京航空航天大學(xué)出版社 ,1994.(3465) [3 ] 李新民 ,李勛 . 8098 單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) . 北京 :北京航空航天大學(xué)出版 社 , 1994.(89122) [4 ] 胡明超 ,陳志祥 . 點(diǎn)陣 式圖形液晶顯示器與單片機(jī)的接口及編程 .自動(dòng)化與儀器儀 表 ,1996.(212238) [5 ] 李正軍 . 實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘集成電路與智能儀表的接口 . 自動(dòng)化儀表 , 1995(273289). [6 ] 卓力 . 藍(lán)牙技術(shù) ——— 一種短距離的無線連接技術(shù) . 電子技術(shù)應(yīng)用 ,(231264) [7 ] 唐統(tǒng)一 ,趙偉 . 電測與儀表技術(shù)的回顧與展望 . 電測與儀表 ,2021 (421435) . [8 ] 于達(dá)仁 . FFT的變步長自適應(yīng)整周期采樣算法 . 黑龍江自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用 ,1997 (165180) . [9 ] 張賢達(dá) . 現(xiàn)代信號(hào)處理 . 北京 :清華大學(xué)出版社 ,2021(316341) [10 ] The Measurement and Automation Catalogue. U. S. National Instruments , 2021(136165) [11 ] 楊樂平 ,李海濤 ,肖相生 ,等 . LabView 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用 . 北京 :電子工業(yè)出版社 ,2021 ,(126152). [12] BISHOP R 6i 實(shí)用教程 . 喬瑞萍 ,林欣譯 . 北京 :電子工業(yè) 出版社 ,2021(109122) [13]. National Instruments Corporation, LabVIEW User Manual, January 2021(90112) [14] Instruments for Use in Test Systems of the IEEE Systems Readiness Technology Conference,AUTOTESTCON(Proceedings) by IEEE,IEEE Service Center,2021(131152) [15] National Instrument Crop, La