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1、虚拟相敏检波器的设计一、设计目的：1. 熟悉虚拟仪器的编程环境及数据操作中的各图标（端口）。2、了解相敏检波器的工作原理、组成结构。3、了解相敏检波器在微弱信号检测中的作用。2. 运用LabVIEW 图形编程语言的强大功能构建虚拟仪器相敏检波器。二、设计原理：信号处理是信号测试的一个重要环节，尤其对于伴随高强度噪声的信号的处理更是至关重要。无论是物理，化学，生物，还是天文，通信及电子技术等领域，都存在亟待检测的各种微弱信号，这些信号单独存在的概率相当小，往往被噪声深深覆盖淹没。对于伴随噪声的非周期微弱信号，通常采样滤波器减小系统的噪声带宽，对于深埋于噪声中的周期性信号，则采取锁相放大法，即使用
2、相敏检波和低通滤波构筑的相敏检波器对被测信号进行相关检测。相敏检波器由移相网络，乘法器，积分器，方波参考信号源(其频率与检测信号相同)构筑而成。移相网络的作用是使被测信号与方波参考信号同相，两种信号经乘法器和积分器运算后获得最大直流分量的全波整流信号，由于噪声的随机性，与参考信号同频同相的概率极小，经低通滤波器的积分运算后，高频分量的绝大部分噪声被滤除，因此，相敏检波器具有极强的抑制噪声的功能。相敏检波器仿真仪程序流程见图1。图1 虚拟相敏检波器程序流程三、所用设备计算机、LABVIEW 软件四、设计步骤4.1 前面板设计前面板设计 设置四个波形显示器，可同时观察方波参考信号，正弦被测信号，正
3、弦波和随机噪声的叠加信号波形。执行四次ControlsGraphWaveform Graph 操作，调用图形控件Graph。 设置一个输出显示型数字控件，显示相位差测量结果。 设置四个数字控件，用于正弦波和方波发生器设置采样频率，采样点数，信号频率。 设置一个旋钮型控件，用它来控制正弦波和方波信号的相位差。 设置一个开关型控件，控制仪器的运行或关闭。 4.2 虚拟相敏检波器的运行随机噪声图标首先与巴特沃斯高通滤波器连接，滤波器的Low cutoff Freq 预设值为100，即滤除随机噪声中频率小于100 的低频分量，生成高频噪声，尔后与正弦信号叠加，如图3(a)所示，叠加后的信号已不见正弦波
4、的踪影，它完全被随机噪声笼罩。此时运用巴特沃斯低通滤波器对叠加信号进行预处理，低通滤波器的Low cutoff Freq 预设值为20，即滤除频率大于20Hz 的信号，由于随机噪声频率是大于100 的高频信号，而正弦波的频率是5Hz，所以叠加信号通过该级低通滤波器后，随机噪声基本滤除殆尽，正弦波清晰可见，它与方波信号进行模拟乘法运算，得到输入信号与参考信号的和频分量和差频分量。最后还须连接一个巴特沃斯低通滤波器，通过两次互相关运算，滤除信号的和频分量，相敏检波器最后检测的信号是正弦波和方波信号的差频电压。由于两种信号的振幅均为1，则方波参考信号展开为傅氏级数:(1)022)2)(12sin(1
5、214nrtfnnU设正弦波信号的数学表达式为:)2sin(11fUs则相敏检波器的输出电压为： ) 12() 12(2cos) 12(2) 12() 12(2cos) 12(2212102121 00 ntfnfnntfnfnUnn式中f1 , f2分别是正弦波和方波信号的频率, n是谐波数, 分别是正弦波和21,方波信号的初相角。 4.3.14.3.1 正弦波和方波参考信号同频同相正弦波和方波参考信号同频同相调节虚拟相敏检波器前面板的模拟电位器，使相位差计示值为0 度，此时正弦波和方波参考信号的频率均为5Hz,相位也相同，从图3(a)我们可以清晰地看到虚拟相敏检波器输出的是全波整流信号，幅
6、值为1，而且盈含恒定分量的正极值。在“相敏输出信号”的屏幕上我们丝毫看不到随机噪声的踪迹，随机噪声得到有效抑制。(a)正弦波和方波信号同频同相(b)正弦波和方波信号同频反相 (c)正弦波和方波信号同频相位差30 度 图3从虚拟相敏检波器前面板也注意到一个现象，正弦波和方波参考信号同频同相时，方波相位旋钮的指针指向-45 度，这意味正弦波相位也滞后45 度，而不是原先的默认值0 度，原因是正弦波和随机噪声的叠加信号通过巴特沃斯低通滤波器时相位要迁移滞后，这一现象是相频响应引起的相移，其公式是：(4) 2)(1)/()(nnQarctg 其中, = 为特征角频率， Q为等效品质因素。RC14.3.
7、2 正弦波和方波参考信号同频反相正弦波和方波参考信号同频反相调节电位器，使方波参考信号与正弦波的相位差示值180 度，此时两个信号同频反相，虚拟相敏检波器的输出波形仍是全波整流波形，但幅度为-1，盈含恒定分量的负极值。见图3(b)。由此证明相敏检波器也具有鉴相特性。 4.3.3 正弦波和方波参考信号同频不同相正弦波和方波参考信号同频不同相调节方波相位电位器，使方波参考信号与正弦波的相位差示值分别为30 度，如图3(c)所示。仿真仪输出的是交流信号，显然输出与两信号的相位差具有相关性，正弦波和方波参考信号同频不同相时虚拟相敏检波器输出信号中的恒定分量为：./ )cos(221 4.3.44.3.
8、4 正弦波和方波参考信号不同频率正弦波和方波参考信号不同频率仿真仪前面板“正弦波频率”，由原来的5Hz 上升为30Hz，调节“方波频率”，使其示值为3 Hz，采用以上方法分析虚拟相敏检波器输出信号。五设计报告内容：1、分析相敏检波器的设计原理及其在微弱信号检测中的作用。 2、分析采用LABVIEW 设计移相器的方法，分析移相器及低通滤波器在相敏 检波中的作用。 3、讨论采用LABVIEW 设计虚拟相敏检波器的方法，写出设计程序并分析程 序功能。 4、分析参考信号（方波）和输入信号（正弦波）相位差为90 度时相敏检波器 输出信号。 5、分析参考信号（方波）和输入信号（正弦波）频率不同时的相敏检波
9、器输出 信号。虚拟数字示波器的设计一、电子示波器的工作原理电子示波器的核心部件是阴极射线示波管(CRT)。示波管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。电子枪产生电子束，经聚焦后高速打在荧光屏上，使得相应的部位产生荧光，偏转系统形成的电场，控制电子束打在荧光屏上的位置。涂有磷光物质的荧光屏就像画图的纸，电子枪产生的电子束就像是一支画笔，垂直偏转和水平偏转系统就像握笔的手，在荧光屏上真实、直观地描绘出一幅幅生动的波形图。电子示波器的工作原理如图1所示。图1 电子示波器工作原理在不加任何偏转电压的情况下，电子枪产生的电子束将打在圆形荧光屏的中央位置，形成一个聚焦的光点。在X 轴偏转板X1、X2
10、上施加电压时，水平电场将使光点在水平方向左、右运动；在Y 轴偏转板Y1、Y2 上施加电压时，垂直电场将使光点在垂直方向上、下运动；如果X 轴偏转板和Y 轴偏转板上同时施加电压，则光点沿X 方向和Y 方向合成运动的方向偏转，如图1-1(b)所示，光点显示的最终位置和X、Y 方向的电场力大小有关，即。如，设22yxz，示波管X方向和Y方向的偏转灵敏度分别为Sx wtUumysinwtUumxcos和Sy，假设Sx=Sy=1，则 ，这说明光点运动的轨迹22)cos()sin(tUtUzmm是半径为Um 的圆，以上的分析即为电子示波器的作为X-Y 显示仪使用的工作原理。如果只是要显示 Y 轴输入信号U
11、y 的波形，则应该在X 轴放大器输入由示波器内部产生的随时间t 线形变化的电压（常用锯齿波电压），此电压也称为“扫描电压”这种方式也叫做“扫描”工作方式，是电子示波器最大量使用的工作方式。其原理如图2 所示。在图 2 中Y 方向施加正弦波电压，X 方向施加锯齿波电压，假如二者周期相等，则根据合成运动的分析，荧光屏上将显示出如图2 所示的一个完整周期的正弦波形。并且由于锯齿波重复出现，所以正弦波的第2个周期、第3个周期将重叠显示在荧光屏上相同的位置，形成稳定的波形。如果 Y 方向无任何电压，只在X 方向施加锯齿波电压，则将显示出一条水平线，称之为“扫描线”或“基时线” 。因为锯齿波的电压和时间成
12、线形关系，而光点在水平方向的偏转距离又和电压成线形关系，所以水平方向的偏转距离就和时间成线形关系，这就是说在水平方向的单位距离将代表某一个单位时间，这就是“时间基准”的概念。有了时间基准就相当于有了一把时间尺，可以用它去测量被测波形的上升、下降时间、周期等时间参数。图 2 波形显示原理 二、虚拟数字示波器的设计（一）前面板的设计前面板程序用来提供用户与虚拟示波器的接口，它产生一个友好的图形界面，用于显示测量和处理的结果，另一方面，用户也可以通过控制前面板上的开关和按钮，模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标，实现对虚拟示波器的控制。本文设计的虚拟示波器软面板如图3所示。图 3 虚拟示波器前面板这个
13、前面板上包含了实时波形显示窗口，可以显示实时采样波形。右上边的暗框里面可以直接得到采样数据的最大值、最小值、平均值、被测信号的频率。右边中间部分是信号调整部分，它包括x轴调整和y轴调整两个旋钮，可以调整实时波形在屏幕上的显示效果。在显示频域波形窗口的右边是一些按钮，包括保存波形，打开波形，频域分析。其中存储按钮可以将波形自动的以电子表格的形式进行保存，并以每天的日期作为文件名称。另外面板上还有通道选择框、工作方式和采样结束按钮，用于选择通道、进行波形显示或打开波形以及结束采样。特别注意的是，在这里我们所选用的用来显示实时波形的窗口的VI 是XY Graph。由于Waveform Chart 和
14、Waveform Graph 的横坐标都是均匀分布的，因而在使用上有一定的限制，例如不能描绘出均匀采样得到的数据。而XY Graph 的输入数据需要包含两个一维数组，并将两个数组组合成一个簇，使其分别包含数据点横坐标的数值和纵坐标的数值。（二）程序设计（二）程序设计1、程序功能划分根据示波器的工作原理和设计要求，可以将软件分为以下功能模块：数据采集、波形显示与控制、参数测量、及数据存储与回放等4大模块。接下来即可对每个模块进行程序设计，然后将各模块进行程序连接。2、数据采集模块设计数据采集主要包括模拟量的输入输出。模拟输入将是将电压、电流、温度、压力等物理量转换为数字量并传递到计算机中的过程；
15、模拟输出则是将计算机中的数字量转换成模拟电压（或电流）输出到各种仪表或执行机构的过程。基于LabVIEW 的数据采集系统如图4所示。图4 基于LabVIEW的数据采集系统在此，我们选用的数据采集硬件为 PCI-DAQ 数采卡。为了使数采卡正常工作，在软件驱动前必须根据需要对一些参数进行正确的设置。主要包括：A、模拟信号输入主要是设置信号的输入方式：单端还是双端，单极性还是双极性等。还要根据输入信号幅值和分辨率要求进行放大增益设置。此外，根据输入信号的不同极性设置合适的量程。B、A/D 转换要设定信号输入的通道号，还要设定采样点数、采样速率、采样结果的输出方式（是放在一个数组中还是放在一个缓冲区
16、内）、采样触发方式（外触发、定时触发、软件触发）等。C、D/A 转换主要是设置 D/A 转换后输出模拟信号的通道号以及输出信号的幅值、数值刷新的速率等。以上参数正确设置后，就可以利用 LabVIEW 自带的驱动程序，完成测试采集任务。在把模拟信号连接到采集卡端子上时，有三种连接方法：（1）差分输入方式输入信号的正负极分别接入DAQ 设备的两个通道，所有输入信号各自有自己的参考点。此种接法能抑制接地回路的感应误差，而且也能在一定程度上抑制接收的环境噪声，是较理想的接法。这种测试系统较适合测量小于1V 的驱动程序用户接口数据采集硬件硬件驱动程序LabVIEW 开发环境数据采集VI低电平信号，且信号电缆较长或无护套，环境噪声较大，任何一个输入信号要求单独的参考点等条件。差分输入方式比单端输入方式多用一倍的通道。当所有的信号在信号源可以共享一个公共参考点，并且信号的电平值大于1V 的
