【正文】 為了我能在大學(xué)四年順利完成學(xué)業(yè)，家庭及長輩給予了我極大的支持和幫助，還有曾經(jīng)在一起工作過的同事、朋友給予了許多關(guān)心和鼓勵，在此一并向他們表示感謝。感謝班上陪我度過大學(xué)四年的同窗們。感謝系上四年來教導(dǎo)和幫助我的每一位尊敬的領(lǐng)導(dǎo)和敬愛的老師。當(dāng)我遇到困難的時候，是劉老師給了我信心和勇氣，當(dāng)我感到迷惘的時候，是劉老師給我指明了方向。正是在劉老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下，我的論文才能得以順利完成。 （4）可以自己研制數(shù)據(jù)采集板，以降低成本，提高性能。 （2）對諧波測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫功能研究較少，還需要進(jìn)一步的開發(fā)研究。 展望由于時間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，本儀器設(shè)計還存在許多不足之處，開發(fā)的虛擬諧波測試儀還必須在以下幾個方面進(jìn)行完善： （1）影響該系統(tǒng)各項(xiàng)性能的因素很多，而數(shù)據(jù)采集板的采樣速率和分辨率影響著系統(tǒng)的分辨率和波形的顯示。在此基礎(chǔ)上，為了更好的認(rèn)識和利用虛擬儀器技術(shù)，作者在指導(dǎo)教師、和科研經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下，利用LabVIEW的強(qiáng)大開發(fā)能力，在較短時間內(nèi)設(shè)計出功能較為齊全的虛擬諧波測試儀。虛擬儀器技術(shù)突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式，將日益普及的計算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)結(jié)合起來，使用戶利用計算機(jī)、一組軟件和極少的必需硬件，就可在屏幕上虛擬出與傳統(tǒng)儀器相似的顯示面板，使用者通過鼠標(biāo)和鍵盤操縱面板上的虛擬按鈕、開關(guān)、旋鈕來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能操作，通過面板上的虛擬顯示屏和指示燈了解儀器的狀態(tài)讀取或打印測量結(jié)果，方便靈活地完成對被測試測量的采集、分析、判斷、顯示及數(shù)據(jù)存儲等。第6章 結(jié)論與展望 結(jié)論近年來，虛擬儀器技術(shù)在國際上發(fā)展非常迅速。 主要功能及技術(shù)指標(biāo) 主要功能本諧波分析儀能夠?qū)Ω鞣N波形進(jìn)行諧波監(jiān)測與分析，并對諧波的幅值、頻率、功率譜和諧波畸變率進(jìn)行測量。加入時間延遲之后則在每次程序執(zhí)行一次完有一個延時，方便用戶觀察波形的變化。同時在本程序設(shè)計中為了方便用戶操作，在程序中添加了一個For循環(huán)和時間延遲。在本程序中將需要保存的數(shù)據(jù)連接到1Ddata端口，同時將一個真常量連接至append to file端口表示將數(shù)據(jù)添加至文件。1Ddata：待寫入的一維數(shù)據(jù)。File path：文件路徑（空時為對話框），指定所讀文件的路徑，為空時彈出文件對話框，取消則對話框出錯。 圖517 諧波測試儀存儲模塊程序中用到了“寫入電子表格vi”其主要接線端說明如下Format：表示存儲數(shù)據(jù)的精度 格式（%3f），指定字符串到浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換格式。如文本文件，二進(jìn)制文件，電子表格文件等。電流有效值的測量與此類似。最后把相加得總數(shù)除以采樣個數(shù)，再開方，得到電壓有效值。一個周期采樣128個點(diǎn)，形成一個數(shù)組，用一個For循環(huán)實(shí)現(xiàn)對數(shù)組內(nèi)元素的相加。對信號進(jìn)行等間隔采樣，電壓信號有效值可由計算公式得出。圖513 諧波頻譜分析的框圖程序由式（51）可以得到諧波的頻譜函數(shù)為 功率譜分析和有效值測量 圖514 諧波功率譜分析前面板設(shè)計圖圖515 諧波功率譜分析框圖程序此諧波分析的功率譜分析程序非常簡單，這也體現(xiàn)了LabVIEW圖形化程序設(shè)計編程的簡易性。此系統(tǒng)線性顯示了信號的頻率與幅值的關(guān)系。此頻譜分析程序首先將諧波信號采用漢寧窗函數(shù)加窗，加窗函數(shù)通過一個下拉列表進(jìn)行變換?？梢钥闯隼碚撝蹬c測量值相差較小，由此證明了所設(shè)計的虛擬諧波分析儀的精度較高。則可以求出其方波的傅里葉級數(shù)為：， （51）即 （52）如圖410可以得出此諧波信號的各次諧波的幅值，二次諧波幅值為0，四次諧波幅值為0等等。將采集到的信號數(shù)據(jù)存儲到文件中再利用matlab中的小波分析算法進(jìn)行分析,信號波形和分析結(jié)果如圖510所示。諧波頻率和THD在前面板中均有顯示如圖59所示。而對于各奇次諧波的頻率和THD則在圖58中的程序中通過失真測量vi做出了測量分析。 諧波分析程序圖57 諧波分析框圖程序1圖58 諧波分析框圖程序2如圖57和圖58為諧波分析程序的框圖。兩個仿真信號發(fā)生器所產(chǎn)生的波形各項(xiàng)參數(shù)如頻率，幅值，相位等等均可以根據(jù)需要在前面板的輸入空間中設(shè)置。用戶可根據(jù)自己需要在仿真信號屬性中進(jìn)行修改。其程序圖如圖53中所示。當(dāng)諧波測試完成或者不需要程序執(zhí)行時可以點(diǎn)擊“退出labview”按鈕，則退出軟件。若密碼輸入錯誤則會彈出密碼輸入錯誤的提示信息。輸入完畢后點(diǎn)擊確定鍵。其程序框圖如圖55所示。信號又經(jīng)過各個模塊的分析和輸出最終得到諧波的各個參數(shù)。在此程序中將對仿真信號發(fā)生器合成的諧波信號進(jìn)行諧波分析、頻譜分析和功率譜分析等。 圖53 諧波分析儀框圖程序根據(jù)需要設(shè)計出的諧波分析儀的框圖程序如圖53所示。由此設(shè)計出諧波分析儀的框圖程序如圖53所示和諧波分析儀前面板如圖54所示。信號分析部分主要是進(jìn)行諧波分析、頻譜分析和功率譜分析，通過諧波分析可觀察到各次諧波的幅值、頻率和諧波的畸變率情況，頻譜分析可觀察信號的基波與各次諧波的分布情況，功率譜分析可觀察信號在各個頻率點(diǎn)上的功率分布。數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)采集模塊功率測量模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)存儲模塊Labview開發(fā)平臺諧波分析模塊頻譜測量模塊 圖51 系統(tǒng)軟件框圖 基于LabVIEW的虛擬諧波分析儀的設(shè)計根據(jù)諧波儀的設(shè)計思路，可以得出整個諧波分析儀的系統(tǒng)流程圖如下圖所示。每個功能模塊設(shè)計時設(shè)計成子VI，既可以單獨(dú)運(yùn)行，又可以被其他程序調(diào)用。列出每個功能模塊需要顯示的內(nèi)容，根據(jù)所要顯示的內(nèi)容設(shè)計各個功能模塊的前面板。 對于本諧波測試儀的設(shè)計，具體的設(shè)計方案如下： （1）列出系統(tǒng)需要測量的參數(shù)，包括基本的電壓有效值、電流有效值、功率、頻率、各次諧波的頻率和幅值、總諧波畸變率等。LabVIEW是一種圖形化編程軟件，它具有多種開發(fā)工具，內(nèi)置測量和控制函數(shù)，具有廣泛的計算對象，也是目前發(fā)展最快的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。這種結(jié)構(gòu)可以大大降低計算機(jī)對硬件的訪問次數(shù)，可以在多次采樣結(jié)束后再將所有轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)一次性讀走，提高軟件執(zhí)行的速度，也極大地方便了程序的編寫。它具有模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出以及定時器等功能，能夠完成信號采集、A/D轉(zhuǎn)換、16通道單端模擬輸入(或8路差分輸入)，最大輸入范圍10～+10V,最小輸入范圍50～+50mV。信號采集卡是外部硬件設(shè)備通向PC系統(tǒng)的橋梁。 (5)線性化 在測控系統(tǒng)中，希望傳感器的輸入輸出特性是線性的。 (4)濾波功能 在傳感器獲得的測量信號中，往往含有許多與被測量無關(guān)的頻率成分，需要通過信號濾波電路濾掉。模擬信號的信號調(diào)理硬件常對緩慢變化的信號使用多路復(fù)用方式。使用隔離式信號調(diào)理能消除接地回路并確保信號可以被準(zhǔn)確地采集。另外使用隔離可以確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會受到接地電勢差或共模電壓的影響。 (2)隔離功能 隔離功能是為了安全的目的把傳感器的信號和計算機(jī)相隔離。同時，信號調(diào)理系統(tǒng)有多種信號調(diào)理模塊可以放大輸入信號。對信號進(jìn)行放大可以提高分辨率和降低噪聲。本次設(shè)計采用了lc0201型信號調(diào)理器， %，增益為1~100。信號調(diào)理系統(tǒng)通常包括一個或者多個堅固的機(jī)箱，機(jī)箱中可以安裝各種不同的信號調(diào)理模塊以滿足系統(tǒng)對I/O的需求。具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失測量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。為了方便測量，在這一環(huán)節(jié)中，傳感器的選擇是至關(guān)重要的，如果選取的傳感器精度不夠，線性度不好，無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都無法實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的后續(xù)分析工作也就變得毫無意義。傳感器信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)采集卡計算機(jī)圖 41 硬件總體結(jié)構(gòu)圖 傳感器模擬信號在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡之前應(yīng)先通過傳感器變換成符合采集卡量程要求的電壓、電流信號。這并不是說明系統(tǒng)不需硬件支持，軟件畢竟要建立在硬件基礎(chǔ)之上。 （8）Meyer函數(shù)Meyer小波函數(shù)和尺度函數(shù)都是在頻率域中進(jìn)行定義的，是具有緊支撐的正交小波。 （7）Mexican Hat（mexh）小波Mexican Hat函數(shù)為（38）它是Gauss函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)，因?yàn)樗衲鞲缑钡慕孛?，所以有時稱這個函數(shù)為墨西哥帽函數(shù)。Symlets函數(shù)系通常表示為symN（N=2，3，…，8）的形式。從支撐長度的角度看，coifN具有和db3N及sym3N相同的支撐長度；從消失矩的數(shù)目來看，coifN具有和db2N及sym2N相同的消失矩數(shù)目。：Nr=1 Nd=1，3，5Nr=2 Nd=2，4，6，8Nr=3 Nd=1，3，5，7，9Nr=4 Nd=4Nr=5 Nd=5Nr=6 Nd=8其中，r表示重構(gòu)，d表示分解。假設(shè)，其中，為二項(xiàng)式的系數(shù)，則有（37）其中 （3）Biorthogonal（）小波系 Biorthogonal函數(shù)系的主要特征體現(xiàn)在具有線性相位性，它主要應(yīng)用在信號與圖像的重構(gòu)中。除N＝1外(Haar小波)，dbN不具對稱性〔即非線性相位〕；dbN沒有顯式表達(dá)式(除N＝1外)。小波和尺度函數(shù)吁中的支撐區(qū)為2N1。 （1）Haar小波,定義如下：（35） 這是一種最簡單的正交小波，即（36） … （2）Daubechies（dbN）小波系該小波是Daubechies從兩尺度方程系數(shù)出發(fā)設(shè)計出來的離散正交小波。這些基函數(shù)不僅在頻率上而且在位置上是變化的，它們是有限寬度的波并被稱為小波（wavelet）。這種情況下，傅立葉變換是通過復(fù)雜的安排，以抵消一些正弦波的方式構(gòu)造出在大部分區(qū)間都為零的函數(shù)而實(shí)現(xiàn)的。 線性系統(tǒng)理論中的傅立葉變換是以在兩個方向上都無限伸展的正弦曲線波作為正交基函數(shù)的。具體的計算方法如下:首先采用64點(diǎn)FFT算法，計算出基波和各次諧波的實(shí)部和虛部，進(jìn)而求得其幅值和相位，幅值求出后，就可以求出各次諧波的含有量和諧波總含量。因此，需要區(qū)分清楚什么是諧波現(xiàn)象(波形保持不變)和什么是暫態(tài)現(xiàn)象(每周的波形都發(fā)生變化)。n不能為非整數(shù)，因此也不能有非整數(shù)諧波： （2）必須嚴(yán)格區(qū)別諧波現(xiàn)象和暫態(tài)現(xiàn)象．為了區(qū)分諧波和暫態(tài)現(xiàn)象，根據(jù)傅立葉級數(shù)的基本理論，被變換的波形必須是周期性的。在國際電工標(biāo)準(zhǔn)中(IEC5552，1982)、國際大電網(wǎng)會議(CIGI冱)的文獻(xiàn)中對諧波也有了明確的定義：諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于1的n次分量；IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的定義為：諧波為一周期波形量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍以上定義明確了有關(guān)諧波性質(zhì)的下列幾個問題： （1）諧波次數(shù)n必須是一個正整數(shù)。圖32 信號正常采樣和欠采樣 諧波分析理論 諧波定義國際上公認(rèn)的諧波含義為：諧波是一個周期性電器量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。如圖32所示，由于不滿足采樣定理信號產(chǎn)生了混疊。A／D轉(zhuǎn)換原理如圖31所示采樣量化編碼 x(t) 圖31 A/D轉(zhuǎn)換原理圖為保證采樣后信號不失真。 在實(shí)際工作中，信號的抽樣是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)來實(shí)現(xiàn)的。即在幅度軸上對信號數(shù)字化 （3）編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進(jìn)制數(shù)字表示。采樣即在時間軸上對信號數(shù)字化；經(jīng)過采樣后的模擬信號，簡稱為采樣信號。 數(shù)據(jù)采集理論基礎(chǔ)眾所周知，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，信息總是用離散的信號來表示的，而在生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常遇到的各種信息，如溫度、壓力、流量等都是連續(xù)的信號，這就遇到了模擬信號如何轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的問題。 （2）LabVIEW應(yīng)用于過程控制和工業(yè)自動化LabVIEW強(qiáng)大的硬件驅(qū)動、圖形顯示功能和便捷的快速程序設(shè)計，為過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。頂層V1中間層V1底層V1底層V1底層V1底層V1中間層V1中間層V1圖31 LabVIEW層次調(diào)用結(jié)構(gòu) LabVIEW的應(yīng)用LabVIEW在包括航空、航天、通信、汽車、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè)自動化，從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用LabVIEW的成果和開發(fā)產(chǎn)品。LabVIEW中各VI之間的層次調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖31所示。設(shè)計時，先設(shè)計各種VI，以完成每項(xiàng)子任務(wù)，然后把這些VI組合起來以完成更大的任務(wù)，最后建成的頂層虛擬儀器就成為一個包括所有子功能虛擬儀器的集合。對于簡單的測試任務(wù)，可以由一個VI完成。 LabVIEW程序設(shè)計原理LabVlEW的基本程序單位是虛擬儀器(Virtual Instruments或者VI)。LabVIEW也提供傳統(tǒng)程序語言(如C語言)的接口，對于其自身不易或不擅長完成的任務(wù)，可通過利用其它編程語言來實(shí)現(xiàn)。它與傳統(tǒng)編程語言又有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制機(jī)構(gòu)、程序調(diào)試工具等。在LabVIEW中執(zhí)行程序的順序是由模塊之間的數(shù)據(jù)流決定的，而不是傳統(tǒng)文本語言的按命令行次序連續(xù)執(zhí)行的方式。 虛擬儀器開發(fā)語言LabVIEW簡介LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程工作平臺(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的縮寫，是美國國家儀器公司(National Instruments)在1986年推出的一種革命性的圖形編程語言一G語言(Graphical Programming Language)，它采用的是數(shù)據(jù)流編程模式。在其主導(dǎo)產(chǎn)品LabVIEW中將圖形化語言加以實(shí)現(xiàn)，較完善地結(jié)合了圖形的美觀易用和文本語言的強(qiáng)大靈活。因此虛擬儀器的出現(xiàn)，使測量儀器與計算機(jī)的界限模糊了。所謂虛擬儀器，就是以