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1、精选优质文档-倾情为你奉上目录专心-专注-专业1、 前言当代科学技术的迅猛发展，极大的推动了测量技术的发展，同样测量技术的发展，也有效的促进了现代科学技术的发展。目前，由于传感器技术的发展，电子测量技术几乎渗透到科学技术与国名经济的所有部门。虚拟仪器在电子测量中的应用是一项有关电子测量领域的新技术，其中体现在电子测量仪器的转变上。随着计算机技术、电子技术、通信技术、计算机信息处理技术的迅猛发展, 传统的仪器正向软件化、数字化和虚拟化方向发展, 这标志着21 世纪电子仪器领域发展的一个重要方向。而信号的相位差测量仪在电工技术，工业自动化，智能控制，通讯及电子技术等许多领域都有着广泛的应用。传统电
2、子模拟式相位差测量采用乘法器法，二极管鉴相法等，有硬件电路完成。电路的温漂，噪声级干扰信号，都会导致测量结果产生误差，因此，传统的相位差检测方法正逐渐被软件测量方法所替代，通过软件算法来消除温漂，噪声及干扰信号的影响，使测量结果更加精确。2 Labview和相位差测量仪简介LABVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 的简称，是美国国家仪器公司（NATIONAL INSTRUMENTS,简称NI）的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。数据采集、仪器控制、过
3、程监控和自动测试是实验室研究和工业自动化领域广泛存在的实际任务。在20世纪80年代初计算机出现之前，几乎所有拥有程控仪器的实验室都采用贵重的仪器控制器来控制测试系统，这些功能单一、价格昂贵的仪器控制器通过一个集成通讯端口来控制总线仪器。后来，随着PC机的出现，工程师和科学家找到一种通过性能价格比高的通用PC机控制台式仪器的方法，各种基于PC机接口的板卡产品便应运而生。2.1 LABVIEW的应用LABVIEW 在包括航天、通讯、生物医学、电子、地球物理、机械等各个领域内得到广泛的应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以发现应用L
4、ABVIEW的成果和开发产品。2.1.1 LABVIEW应用于测试与测量LABVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI、PLC串行设备和插卡数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet 、ActiveX 、DDE 和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。2.1.2 LABVIEW应用于过程控制和工业自动化LABVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程的控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。对于更为复杂、更专业的工业自动化领域，在LABV
5、IEW基础上发展起来的Bridge VIEW是更好的选择。2.1.3 LABVIEW应用于实验室研究与自动化LABVIEW为科学家和工程师提供功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算机和分析需要。即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设备等高级或特殊分析场合，LABVIEW也为此提供专门的附加软件包。2.1.4LABVIEW编程环境LABVIEW模板与一般的程序相比，LABVIEW提供了三个浮动的图形化工具模板，分别是工具模板、控制模板和功能模板。这三个模板功能强大，使用方便，表示直观，是用户编程的主要工具。 工具模
6、板包括操作工具，定位工具，标注工具，连线工具，弹出菜单工具，滚动工具断点工具探针工具，颜色工具和颜色拷贝工具。通过这样的工具，就用于VI的创建、修改和调试。控件模板按功能分类，每个工具图标双包含一系列子模板。控件模板功能强大，通过这些子模板可以找到创建程序所需的所有对象工具。使用控制模板可以给前面板增加输入控件和输出指示器。子模板包括数值子模板、布尔子模板、字符串子模板、列表和环子模板、数组和簇子模板、路径和参考名子模板、图形子模板、装饰子模板、用户控制子模板、控制子模板和AxtiveX子模板。使用功能模板可创建框图程序模板上每一个顶层图标都表示一个子模板。LABVIEW框图编程的所有函数按照
7、功能分类都分布在功能模板的子模板里。每个子模板的内容及操作是LABVIEW编程最基本、最重要的内容。功能模板包括下列子模板：结构子模板、数值运算子模板、布尔逻辑子模板、字符串子模板、数组子模板、簇子模板、比较子模板、时间和对话框子模板、文件输入/输出子模板、仪器输入/输出子模板、通信子模板、数据采集子模板、分析功能子模板、示教课程子模板、高级功能子模板、选择VI子程序子模板、用户库子模板、应用控制子模板和仪器驱动子模板。通过这些功能子模板，可实现所有LABVIEW的应用功能。2.2相位差测量仪的概述2.2.1 相位差的定义相位差:两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率
8、相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差。如果电路是纯电阻，那么交流电压和电流电流的相位差等于零。也就是说交流电压等于零的时候，交流电流也等于零，交流电压变到最大值的时候，交流电流也变到最大值。这种情况叫做同相位，或者叫做同相。如果电路含有电感和电容，交流电压和交流电流的相位差一般是不等于零的，也就是说一般是不同相的，或者电压超前于电流，或者电流超前于电压。加在晶体管放大器基极上的交流电压和从集电极输出的交流电压，这两者的相位差正好等于180。这种情况叫做反相位，或者叫
9、做反相。2.2.2 相位差检测仪的应用信号的相位差测量仪在电工技术，工业自动化，智能控制，通讯及电子技术等许多领域都有着广泛的应用。随着计算机和软，硬件的日益发展。在测试系统中越来越得到广泛的应用。比如：在实际工作中，常常会遇到两列频率相同的信号之间存在相位差，那么就需要测量他们之间的相位差，电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这时要精确测量两列工频信号之间的相位差。相位差测量在动态测试，如：振动和噪声控制，传感器的校准，以及超声测距和成像等领域越来越重要。3、总体方案的设计对于虚拟相关法测量相位差仿真仪的设计方案，这里选取了两种方案进行对比。3.1方案的比较 3.1.
10、1方案一通过直接调用labview中的互相关子程序，对两同频正弦信号进行相关处理，然后通过计算得出两波形的相位差。其程序流程框图如图4.2所示。结束显示波形和相位差计算相位差求两个信号的互相关函数根据设置参数生成两个正弦信号开始图3.13.1.2方案二通过调用计算，的子程序来实现对的计算。其程序流程框图如图3-1所示。显示测量结果调用cos的子程序调用计算，的子程序将采集到的数据转换后的序列x(n),y(n)存入指定单元根据设置参数生成两个正弦信号开始图3.2 3.2方案的比较论证和选择两个方案都是通过相关法测量两个同频正弦信号的相位差，整体的思路大方向上是一致的。但是相比之下，方案二实现过程
11、比较复杂，方案一的思路更为清晰明了，实现过程也更加直观。所以我们选取了方案一作为本次设计的最终方案。4、虚拟相关法测量相位差仿真仪的设计原理相关法利用两同频率正弦信号的延时 = 0 时的互相关函数值与其相位差的余弦值成正比的原理获得相位差。由于噪声信号通常与有效信号相关性很小，因而利用该方法测量相位差能很好的抑制噪声的干扰。假设有两个同频信号，其描述如下： .( 1) 显然两信号的相位差为： 但实际中是无法知道 和的。用相关法求相位差的原理如下，周期信号互相关函数的表达式为：.( 2)其中：T 为信号周期，将式( 1) 代入式( 2)当 = 0时,可得： 理想情况下，噪声和信号之间， 噪声之间
12、并不相关，积分后得：所以有：另外：信号的幅值和在延时= 0 时的自相关函数值又有下述关系： 这样，通过两信号的自相关、互相关就可以求得它们的相位差。5、软件设计5.1 前面板设计前面板是程序与用户交流的窗口，一个设计良好前面板可以给用户一种友好的感觉，甚至是一种享受。前面板主要由控件构成，程序前面板用于设置输入量和观察输出量。它模拟真实仪器的前面板。其中，输入量被称为Controls(控件)，用户可以通过控件向VIA中设置输入参数等；输出量被称为Indicators(指示器)，VI通过指示器向用户提示状态获输出数据等。用户还可以用以使用各种图标，如旋钮、开关、按钮、图表及图形等，使前面板易看懂
13、。本设计放置控件:一个输出显示型数字空间, 显示相位差测量结果, 单位为度;一个输出波形显示器,用于观察两个信号的信号波形; 放一个开关型控件, 用于运行或关闭仪器;放三个数字控件,用于设置采样点数、 采样频率、 信号频率三个参量; 放四个数字控件,分别用于设置两个正弦波的幅值和相位。前面板如图5.1所示。图5.1 虚拟法测相位差前面板5.2前面板中常用的控件简介5.2.1 波形显示控件LABVIEW是以模拟真实仪器操作面板提供了强在的交互式界面设计功能。传统的仪器仪表中，除了最简单的数码显示外，能够显示测量信号波形和仪器工作状态的CRT荧光屏正在广泛应用，包括数字示波器、频谱分析仪和逻辑分析
14、仪等，这些高级的仪器都必需具备实时图形显示能力。一幅精心设计的画面为用户提供的信息量，远远超过完全由数字或文字组成的报告。因此能够将大量测量数据转换为意义明确的显示曲线或三维图形的控件是设计虚拟仪器所必需的。按照处理测量数据的方式和显示过程的不同，LABVIEW波形显示控件主要分为两大类，一类为事后记录呼（Graph）,另一类为实时趋势图（Chart），这两类控件都是用来对波形或图形进行显示的，它们的区别在于两面三刀者的数据组织方式及波形刷新方式不，同。结于事后记录图Graph方式来说，它的基本数据结构为数组，也就是就Graph显示是将构成数组的全部测量数据一次显示完成；而实时趋势图Chart
15、方式是实时显示一个或几个测量数据，而且新接收数据点要接在原有波形的后面连续显示。它的基本数据结构是数据标量，也可以是数组。显示控件包括事后记录波形控件(WaveForm Graph)、实时趋势图控件(WaveForm Chart)、XY波形记录控件（XY Graph）、密度图形显示控件(Intensity Graph)、密度趋势控件(Intensity Chart)等XY波形记录控制器（XY Graph）是一次完成波形显示刷新，XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的变化，所以它的输入数据结构是由两个数组打包构成的簇，簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X、Y坐标。波形显示控件如图5.2所示。图5.2波形显示控件5.2.2其他控件 其他控件主要有数值显示控件、数值输入控件、按钮控件。主要作用在于相关参数的设定、输入和运行结果的显示和系统的停止运行。如图5.3所示。图
