【正文】 是 A/D 采樣后的離散信號，不能用（ 1）式計算，通常是采用對 A/D 采樣后的信號進行數(shù)字處理后計算得到（ 2），（ 3）。則式（ 1）就變?yōu)槭剑?3）所 示： 第四章 相位差測量方法原理簡介 16 ( ) 3 6 0 ( ) sfj i j i f??? ? ? ? ? ? ? (3) 第五章 相位差測量方法在 LABVIEW 中的應(yīng) 用 設(shè)計中常用控件功能簡介 數(shù)據(jù)類型 LABVIEW 的數(shù)據(jù)類型與傳統(tǒng)編程語言中的數(shù)據(jù)類型基本相似，除了一般的數(shù)據(jù)類型之外，還有一些獨特的數(shù)據(jù)類型。 數(shù)字類型的前面板對象包含在控制模板 Numeric 子模板中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型分為變量和常量兩種，在某種意義上，LABVIEW 的數(shù)據(jù)也可以這么分， Numeric 子模板中的前面板對象就相當(dāng)于傳統(tǒng)編程語言中的數(shù)字變量。 在 LABVIEW 中布爾型數(shù)據(jù)即邏輯型數(shù)據(jù)，它的值為真(true)或假 (false)，或者為 1 或 0。模板中有不同有布爾前面板對象，如不同形狀的按鈕、指示燈和開關(guān)等，這都是從實際儀器的開關(guān)、按鈕演化來的，十分形 象。與數(shù)字類型相似，這些不同的布爾控制也是外觀不同，內(nèi)涵相同，都是布爾型，只有 0和 1 兩個值。 iN。大多數(shù)情況下，用戶使用 For循環(huán)處理數(shù)組。 移位寄存器（ Register）和框架通道（ Channel）兩個獨具特色的新概念。在循環(huán)框架上的右鍵彈出菜單中選擇 Add Shit Register 創(chuàng)建。還可以在 For 循環(huán)運行結(jié)束時將循環(huán)框架內(nèi)節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送至循環(huán)外，供循環(huán)外的節(jié)點使用?？蚣芡ǖ烙袃擅嫒斗N屬性：有索引 (Enable Indexing)和無索引 (Disable Indexing). For 循環(huán)執(zhí)行的是包含在循環(huán)框架內(nèi)的程序節(jié)點。而且，重復(fù)端口的初始和步長在 LABVIEW 中是固定不變的，若要用到不同的初始值或步長，可對重復(fù)端口產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行一定的數(shù)據(jù)運算，也可用到移位寄存器來實現(xiàn)。最基本的選擇結(jié)構(gòu)是由選擇框架（ Case Frame）、選擇端口（ Selection Terminal）、框架標(biāo)識符(Diagram Identifier) 以 及 遞 增 / 遞 減 按 鈕(Increment/Decrement Button)組成。編程時，將外部控制條件連接至 選擇端口上，程序運行時，選擇端口會判斷送來的控制條件，引導(dǎo)選擇結(jié)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)框架中的內(nèi)容。選擇結(jié)構(gòu)的邊框通道與 For 循環(huán)相類似，但有其自身特點。這主要是因為選擇結(jié)構(gòu)執(zhí)行時是根據(jù)外部控制條件從其所有的子框架中選擇其一執(zhí)行的，子框架選擇非此即彼，所以每一個子 框架都必需連接一個數(shù)據(jù)。 LABVIEW 選擇結(jié)構(gòu)與其他語言的選擇結(jié)構(gòu)相比，簡潔明了，結(jié)構(gòu)簡單，不但相當(dāng)于 Switch 語句，還可以實現(xiàn)if? else 語句功能。 Numeric 模板由基本的數(shù)學(xué)運算節(jié)點，類型轉(zhuǎn)換節(jié)點、三角函數(shù)節(jié)點、對數(shù)第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 21 節(jié)點復(fù)數(shù)節(jié)點和附加常數(shù)節(jié)點組成。基本運算節(jié)點支持數(shù)值輸入。數(shù)值類型包括浮點數(shù)、整數(shù)和復(fù)數(shù)。節(jié)點的輸入可以是數(shù)字標(biāo)量、數(shù)字量的數(shù)組或簇、數(shù)字量的簇的數(shù)組。 基本運算模板還可以通過類型轉(zhuǎn)換節(jié)點在各種不同的數(shù)據(jù)類型之間進行轉(zhuǎn)換，通過對數(shù)節(jié)點和復(fù)數(shù)節(jié)點進行對數(shù)與復(fù)數(shù)的運算。中 LABVIEW 中可以進行以下幾種類型的比較：數(shù)字值的比較、布爾值的比較字符串的比較以用簇的比較。兩個布爾值比較時， Ture 比 False 值大。 創(chuàng)建一個數(shù)組，可從控制模板中的 Array amp。但這時只不過是一個數(shù)組框架，不包含任何內(nèi)容，再根據(jù)需要將相應(yīng)數(shù)據(jù)類型的前面板對象放入數(shù)組框架中，更得所需的數(shù)組類型。在 LABVIEW 上可以創(chuàng)建數(shù)字類型、字符串類型、布爾類型以及其他任何數(shù)據(jù)類型的數(shù)組。數(shù)組是 LABVIEW 中常用的數(shù)據(jù)類型之一，與其他編程語言相比， LABVIEW 中的數(shù)組更加靈活，獨具特色。另外，數(shù)組在創(chuàng)建之初都是一維數(shù)組，如果要用到二維以上的數(shù)組，用鼠標(biāo)在索引顯示的左下角向下拖動，或者在數(shù)組的右鍵彈出菜單中選擇 Add Dimension 即可添加數(shù)組維數(shù)。傳統(tǒng)語言編程主要依靠各種數(shù)組函數(shù)來第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 23 實現(xiàn) 這些運算，而在 LABVIEW 中，這些函數(shù)是以功能函數(shù)節(jié)點形式表現(xiàn)的。其輸入為一個 n 維數(shù)組，輸出為該數(shù)組各維包 含元素的個數(shù)。當(dāng)輸入數(shù)組為一維數(shù)組時，節(jié)點返回的是數(shù)組中與輸入索引對應(yīng)的元素。輸出數(shù)組的維數(shù)由 節(jié)點圖標(biāo)左側(cè)demission size 端口的個數(shù)決定。 (4). Initialize Array 初始化數(shù)組。數(shù)組的維數(shù)由節(jié)點左側(cè) dimension size 端口的個數(shù)決定，數(shù)組中所有元素都相同，均等于輸入的 element 值。節(jié)點將從左側(cè)端口輸入的元素功數(shù)組按從上到下的順序組成一個新數(shù)組。 Min 返回輸入數(shù)組中的最大值和最小值，以及它們在數(shù)組 中所在的位置。 簇 （１）創(chuàng)建簇控制和顯示 在前面板上放置一個簇殼（ Cluster shell）就創(chuàng)建了一個簇。例如數(shù)組，你也可以直接從 Control 工具板上直接拖取對象堆放到簇中。一個簇將是 Control 或Indicator，取決于其內(nèi)的第一個對象的狀態(tài)。右圖所示是一個含４個 Control的簇。 如果你要求簇嚴格地符合簇內(nèi)對象的大小，可在簇的邊界上彈出快速菜單選擇自動定義大?。?Autosizing） 簇的序（ Order） 簇的元素有一個序，它與簇內(nèi)元素的位置無關(guān)。如果你刪除了一個元素，序號將自動調(diào)整。 如果想改變簇內(nèi)元素的 序，可在快速菜單中選擇 ReOrder Controls In Claster，這時會出現(xiàn)一個窗口，在該窗口內(nèi)可以修改序。通過把控制或顯示對象捆綁成一個簇的方法，僅使用一個端子就可以實現(xiàn)該功能?？梢杂梦恢霉ぞ咄弦菲鋱D標(biāo)的右下角以增加輸入端子的個數(shù)。右圖中Bundle圖標(biāo)中部的 Claster端子用于用新元素重置原簇中的元素。如果你要對一個簇分解，就必須知道它的元素的個數(shù)。 波形顯示控件 LABVIEW 是以模擬真實儀器操作面板提供了強在的交互式界面設(shè)計功能。一幅精心設(shè)計的畫面為用戶提供的信息量，遠遠超過完全由數(shù)字或文字組成的報告。 按照處理測量數(shù)據(jù)的方式和顯示過程的不同， LABVIEW 波形顯示控件主要分為兩大類，一類為事后 記錄呼（ Graph） ,另一類為實時趨勢圖（ Chart），這兩類控件都是用來對波形或圖形進行顯示的，它們的區(qū)別在于兩面三刀者的數(shù)據(jù)組織方式及波形刷新方式不，同。它的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)標(biāo)量，也可以是數(shù)組。 基于相關(guān)原理的虛擬相位差的設(shè)計 基于相關(guān)法虛擬相位差計主程序流程圖 本程序的核心是實現(xiàn)對 ? 的計算，其中需調(diào)用計算^ ^ ^R x ( 0 ) , R y ( 0 ) , R x y ( 0 )的子程序，而在 LABVIEW 平臺上，計算^ ^ ^R x(0) ,R y(0) ,R ^ xy(0)的子程序均可以直接從函數(shù)庫中調(diào)用原碼模塊，無需用戶編寫，主程序的流程圖如圖（ 5１）所示。軟件的設(shè)計可分為 3 個模塊 進行，他們是：數(shù)據(jù)采集模塊、相關(guān)函數(shù)計算模塊、波形和數(shù)據(jù)顯示模塊。 設(shè)計完畢的儀器前面板和框圖程序見圖 (52)和（ 53），第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 28 在儀器的前面板中可模擬真是儀器，用鼠標(biāo)任意改變 2 個波形的幅值、初相位、周期和采樣點數(shù)等，然后運行即可顯示波形和相位差。 以下是相關(guān)法測量相位差的程序框圖，如圖所示：先放置兩個任意波形發(fā)生器用來產(chǎn)生波形，在后面再安置兩個自相關(guān)函數(shù)處理器用來計算它們的 自相關(guān)函數(shù)，之后根據(jù)相關(guān)法原理經(jīng)過一系列計算得到顯示值在前面板輸出。 （圖 53）虛擬相關(guān)分析法相位差的程序框圖 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 29 利用 FFT函數(shù)的相位計簡單設(shè)計 首先使用兩個 Formula Waveform（這里也可以使用基本信號發(fā)生器）函數(shù)產(chǎn)生兩個波形，他們的參數(shù)：頻率和信號類型用一個控件控制 ，這樣 保證了兩個信號波形的相應(yīng)參數(shù)是一樣的；相位則分別設(shè)定，幅值取默認值 1。注意，通過對該函數(shù)的 view參數(shù)的設(shè)置，可保證輸出的相位單位是度。 設(shè)計出來的前面板和程序框圖如下圖所示，可以看到此種方法明顯要比上面的相關(guān)法測量相位差結(jié)構(gòu)簡單的多。該程序的算法是用在幅值數(shù)組中找到的索引號為索引，到相位數(shù)組中找對應(yīng)的相位，對兩個波形都這樣處理，然后相減得到相位差。 基于頻譜分析原理的虛擬相位差的設(shè)計 虛擬頻譜分析法測量相位差計的實現(xiàn) 虛擬頻譜分析法測量相位差計的程序流程答題為：先對兩 個 同 頻 率 的 纖 毫 1x(t) 和 2x(t) 采 樣 得 到 時 間 系 列（ k=0,1,2… ,N1），再分別求出各自的基波分量。 用 LABVIEW 編程語言來實現(xiàn)圖（ 56）所示流程需要包括兩部分的設(shè)計， 即前面板和程序框圖設(shè)計。 頻譜分析法相位差測量儀設(shè)計的流程圖如下： 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 31 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 32 （圖 57）頻譜分析法測量相位差主程序流程圖 （完整圖見附圖） （圖 58）虛擬頻譜分析法測量相位差的部分框圖程序 在程序框圖的設(shè)計中調(diào)用的函數(shù)有： 4 個 Array 子模板上的 Index Array 圖標(biāo)，分別用來獲取信號 1 系數(shù) a1 b11的 數(shù) 值 和 信 號 2 系數(shù) a2 b2 的 數(shù) 值 ， 通 過 公 式1 1 2 11 1 2 11 1 2 1aa= = a r c ta n ( ) a r c ta n ( )bb? ? ? 計 算出相位差 ? ； 4 對移位寄存器，用于實現(xiàn)循環(huán)體內(nèi)外數(shù)據(jù)的傳遞；為得到相位差，調(diào)入反正切函數(shù)，并進而實現(xiàn)相應(yīng)的運算，將相位差有弧度轉(zhuǎn)化為角度表示。 虛擬頻譜分析法測量相位差存在的問題及解決方法 該虛擬相位差計雖然是求出兩個同頻率信號的相位差，但實際上是頻譜分析，只是求基頻分量而已。時域無 限長信號被截斷相當(dāng)于原函數(shù)乘以矩陣窗函數(shù)，窗外時域信息全部損失，從而導(dǎo)致時域頻譜丟失，即泄漏。為防止泄漏引入的誤差，應(yīng)使窗長等于信號周期的倍數(shù)。 各種測量方法的比較 我通過各種相位差的方法：相關(guān)分析法、頻譜分析法和過零檢測法等方法的比較，查閱相關(guān)資料，設(shè)計了解到： 1）相關(guān)法：精度較高，特別適用于電網(wǎng)信號受到較大干擾的情況下。 2）頻譜分析法：準(zhǔn)確 度較高，解決了諧波對測量結(jié)果的影響，因此可消除溫漂、噪聲及干擾信號的影響。 3）過零檢測法：簡單高效，更適用于不同的采樣頻率。 過零檢測法結(jié)合 LABVIEW 中強大的圖形化顯示界面和功能強大的程序語言 C 語言，在 LABVIEW 平臺上實現(xiàn)過程明顯要比以上兩種方法復(fù)雜的多，由于收集的關(guān)于這方面的資料比較少，所以此次設(shè)計沒有采用。 結(jié) 論 此次論文設(shè)計用到了在虛擬儀器中較為簡單直觀的圖形化編程工具 LABVIEW，經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)，已經(jīng)基本掌握其各個板塊的基本功能并最終根據(jù)相關(guān)法和頻譜分析法的基本原理，將 LABVIEW 中可能用到得板塊結(jié)合起來產(chǎn)生了基于這兩種方法的相位差測量儀的程序框圖。由于其以 PC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 的強大的數(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