【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)算機(jī)上添加一層軟件或必要的儀器硬件模塊，使用戶操作這 臺(tái)通用計(jì)算機(jī)就像操作自己專門(mén)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)電子儀器一樣。這尤其適合科研與生產(chǎn)制造部門(mén)。 （ 2） 數(shù)據(jù)的處理和分析：有微處理器按照功能要求對(duì)采集的數(shù)據(jù)作必要的分析和處理。 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。例 如激勵(lì)信號(hào)可以由微機(jī)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，再經(jīng) D/A變化產(chǎn)生所需求的各種模擬信號(hào)，這相當(dāng)于一臺(tái)任意波形發(fā)生器。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。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。 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。而一般由生產(chǎn)廠商所定義的，具有固定功能的單個(gè)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。 虛擬儀器對(duì)電子測(cè)量的影響 由于虛擬儀器的特點(diǎn)，將使它在電子測(cè)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。例如，可以在一臺(tái)虛擬儀器上同時(shí)完成信號(hào)發(fā)生、顯示波形、交直流電壓 /電流測(cè)量等功能。使得在測(cè)量的同時(shí)完成了對(duì)被測(cè)量的分析與處理。例如在通訊領(lǐng)域，對(duì)新到的測(cè)量是要求在頻域進(jìn)行指標(biāo)分析。對(duì)被測(cè)量還可以進(jìn)行存儲(chǔ)、打印、局部放大等。對(duì)于用戶而言，開(kāi)放軟件的成本比購(gòu)買(mǎi)新儀器的成本低廉，并且這種方式也便于儀器的維護(hù)和使用，并能縮短儀器的開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)正向儀器的自動(dòng)化、智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化方向發(fā)展。在計(jì)算機(jī)軟件控制下對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行采集、分析、處理、測(cè)試量結(jié)果 (數(shù)據(jù)、波形 )和儀器工作狀態(tài)都可從虛擬儀器面板上讀出。 Labview 概述 Labview 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司 (National Instruments，簡(jiǎn)稱NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。在 20 世紀(jì) 80 年代初計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，幾乎所有擁有程控儀器的實(shí)驗(yàn)室都采用貴重的儀器控制器來(lái)控制測(cè)試系統(tǒng)，這些功能單一、價(jià)格昂貴的儀器控制器通過(guò)一個(gè)集成通訊端口來(lái)控制總線儀器。 Labview 的應(yīng)用 Labview 在包括航天、通訊、生物醫(yī)學(xué)、電子、地球物理、機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)試和工業(yè)自動(dòng)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(kāi)發(fā)產(chǎn)品。它提供了工業(yè)界最大 的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，同時(shí)還支持通過(guò) Inter、 ActiveX、 DDE 和 SQL 等交互式通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開(kāi)發(fā)工具使復(fù)雜的測(cè)試與測(cè)量任務(wù)變得簡(jiǎn)單易行。 Labview 擁有專門(mén)用于控制領(lǐng)域的模塊Labviewdsc。使用 Labview 可以非常方便的編制各種控制程序。在設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備之前，可以現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上用 Labview 搭建仿真原型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，找到潛在的問(wèn)題。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第 3章 相位測(cè)量方法及原理 相關(guān)法 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)的發(fā)展，由硬件電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理功能正逐步由軟件替代。用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)描述就是虛擬儀器＝軟件＋計(jì)算機(jī)＋必要的硬件。所以有軟件就是儀器”的說(shuō)法。虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)Labview/CVI 提供了虛擬儀器的編程環(huán)境 ,用它所提供的各種與實(shí)際儀表外觀幾乎一樣的控件、指示器等可以很方便地組成用戶所需的儀表界而。 1)根據(jù)互相關(guān)函數(shù)特性求出兩信號(hào)的初相位 兩信號(hào)的互相關(guān) 函數(shù) )(^ ?xyR 不是偶函數(shù)，根據(jù)其定義可 證明)(^)(^ ?? ?? xyRxyR ，此式說(shuō)明，互相關(guān)函數(shù)與兩信號(hào)的相位差 ? 和延時(shí)量 ? 有關(guān)，當(dāng) 0?? 時(shí)， )0(^xyR 就只與兩信號(hào)的相位差 ? 有關(guān)。s i n)( ??? ??? tBtytAtx 。 2)互相關(guān)函數(shù)的離散表達(dá)式 當(dāng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理時(shí)，必須對(duì)北側(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣，連續(xù)信號(hào) )(tx 變?yōu)殡x散時(shí)間序列 1,2,1,0),( ?? knnx ? 。計(jì)算相關(guān)函數(shù)的積分表達(dá)式變?yōu)榍蠛褪?，可表示為? ???? 10 2 )(1)0(^ kn nxnxR （ 35） ???? 10 2 )(1)0(^ kn nynyR （ 36） ???? 10 )()(1)0(^ kn nynxnxyR （ 37） 式中 k為采樣點(diǎn)數(shù)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，量化噪聲是一類很重要的隨機(jī)誤差，這類誤差是由于 A/D 變 換器的非線性傳輸特性引起的。為了分析方便，目前最多文獻(xiàn)采用的是隨機(jī)統(tǒng)計(jì)方法。過(guò)零法處理的信號(hào)是實(shí)際連續(xù)信號(hào)采樣后的離散數(shù)字信號(hào)，依據(jù)這些離散數(shù)字信號(hào)的特征，如何判斷信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)成為算法的關(guān)鍵。這一過(guò)程如圖 31 所示。 用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，信號(hào)被采樣離散化，用一組數(shù)表示， t? 與數(shù)組元素的序號(hào)之差有關(guān)。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 過(guò)零法測(cè)量的誤差 在程序?qū)崿F(xiàn)的算法中，過(guò)零點(diǎn)的判斷本省就存在誤差，因?yàn)閷?shí)際信號(hào)采集幾乎五大準(zhǔn)確采集到過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，我們是通過(guò)信號(hào)前一時(shí)刻和后一時(shí)刻的值的變化來(lái)判斷過(guò)零點(diǎn)的，通常一句兩值乘積為小于 0 來(lái)判斷，因此，過(guò)零發(fā)本身就有一定的誤差。 在有限區(qū)間（ t， t＋ T）內(nèi)絕對(duì)可積的任一周期函數(shù) x（ t），它的傅立葉技術(shù)展開(kāi)式為： ?? ? ???? ?? ???????? 10 0 0 )s i n(2c oss i n)( n nnn n nn tnxatnatnbtx ? （ 38） 同時(shí)， x(t)可以表示為： ??? ???? 10 )s in()( n nn tnxxtx ? （ 39） 200 ax ? ， nnn xb ?cos? ， nnn xa ?sin? （ 310） 22 nnn bax ?? ，nnn batg ?? ，nnn baarctg?? （ 311） 由此可得，兩信號(hào)的相位差為： 21 ii ??? ?? 。 FFT 是 DFT 的一種快速算法。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第 4章 相位差計(jì)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 功能描述：采用“信號(hào)生成”子選板中“正弦波”函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 該相關(guān)法相位差仿 真測(cè)量?jī)x，可觀察已知幅值 A、 B 的兩個(gè)同頻正弦波仿真信號(hào) x(t)與 y(t)的相位差。 ② 信號(hào)的幅度范圍為 ～ V。 ④ 在同一“波形圖”控件中先是兩個(gè)波形，并以“數(shù)值”顯示框型控件顯示相位差，保留兩位小數(shù)。軟件的設(shè)計(jì)可分為 3 個(gè)模塊操作，分別是：數(shù)據(jù)采集模塊、相關(guān)函數(shù)計(jì)算模塊、波形和數(shù)據(jù)顯示模塊，由于數(shù)據(jù)采集子 VI 與具體的采集板 (卡 )有關(guān)，在次用 Labview自帶的信號(hào)發(fā)生器模擬采集到的信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器的節(jié) 點(diǎn)位置在：FunctionSignalProcessionSignal ，這里也可以用任意信號(hào)波形發(fā)生器來(lái)代替。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬電壓表控制軟件的核心，設(shè)計(jì)這部分時(shí)，主要考慮界面美觀、操作簡(jiǎn)潔，用戶能通過(guò)面板上的旋鈕開(kāi)關(guān)等控件控制虛擬示波器的參數(shù)設(shè)置。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 42 前面板的控件 設(shè)計(jì)完成后的儀器前面板見(jiàn)圖 43，在儀器的前面板中可模擬真實(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。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。 圖 44 虛擬相關(guān)分析法相位差程序框圖 沈陽(yáng)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。 2)正弦波相位、幅值以及采樣點(diǎn)數(shù)的 輸入，如圖 46。算法指定使用的相關(guān)方法。 如 X 和 Y 較小， direct方法通常更快。此外，兩個(gè)方法數(shù)值上存在微小的差異。 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。 根據(jù)轉(zhuǎn)換公式：??1801 ?rad， 如圖 49。顯示 相位差計(jì)設(shè)計(jì)測(cè)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。的測(cè)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(shuō)法是奈奎斯特頻率必須大于被采樣信號(hào)的帶寬。采樣頻率直接影響到相位差計(jì)的精度和波形的顯示。 4)性能分析 該設(shè)計(jì)利用相關(guān)法的優(yōu)勢(shì)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。、幅值 ～ V、頻率 Hz～ 10 kHz之間的相位差以及幅度差測(cè)量，符合設(shè)計(jì)要求。 小結(jié) 相位差測(cè)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(cè)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(cè)量精度高，但是該方法測(cè)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(cè)量誤差就大，因沈陽(yáng)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(cè)量時(shí)必須考慮噪聲的影響。 過(guò)零點(diǎn)法 過(guò)零點(diǎn)法的設(shè)計(jì)框圖 圖 416 過(guò)零點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 過(guò)零點(diǎn)法前面板 圖 417 過(guò)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(lái)尋找零點(diǎn) 。 相位差計(jì)設(shè)計(jì)測(cè)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。的測(cè)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)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?? 。使用是，要預(yù)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波或去噪處理。該方法的測(cè)量誤差主要來(lái)源于交流信號(hào)的頻率不穩(wěn)定。 沈陽(yáng)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(jiǎn)單直觀的圖形化編程工具 Labview，經(jīng)過(guò)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。 設(shè)計(jì)過(guò)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(cè)量，對(duì)虛擬儀器的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深。并可方便地存儲(chǔ)和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式豐富多樣。 本次設(shè)計(jì)有三種方法在虛擬儀器的平臺(tái)上來(lái)實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)量，即過(guò)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(guò)零點(diǎn)法和相關(guān)法來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè) 計(jì)。但是基于各個(gè)原理的限制，對(duì)于一些測(cè)量難免會(huì)出現(xiàn)誤差，屬于可允許范圍之內(nèi)。使用是，要預(yù)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波或去噪處理。該方法的測(cè)量誤差主要來(lái)源于交流信號(hào)的頻率不穩(wěn)定。 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。 沈陽(yáng)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。本課題在選題及研究過(guò)程中得到趙老師的悉心指導(dǎo)。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(wú)盡的啟迪。 感謝我的室友們，從遙遠(yuǎn)的家來(lái)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。我們?cè)谝黄鸬娜兆樱肋h(yuǎn)不會(huì)忘記。焉得諼草，言樹(shù)之背，養(yǎng)育之恩，無(wú)以回報(bào)，你們永遠(yuǎn)健康快樂(lè)是我最大的心愿