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1、基于LabVIEW的锁相放大器及其应用 物理学院? 07级 崔? 龙? 20071001013韩恩道? 20071001028摘? 要：研究了基于LabVIEW的锁相放大器的实现方法，利用测量信号与两路参考信号的互相关将所需频率的微小信号锁定并进行测量。两路有恒定相位差的参考信号的设计使得可通过计算直接输出被测信号的幅值。制作了基于LabVIEW的锁相放大器原型并进行了初步测试。将制作的锁相放大器应用在了利用声波的相位差定位的系统中。 关键词：LabVIEW，虚拟仪器，锁相放大器 Abstract: Having a research on the Lock-in Amplifier (LIA
2、) based on NI-LabVIEW, making use of the cross-correlation of the measured signal and the reference signal so that the tiny signal which is in the certain frequency can be locked and tested. The setting of two channels of reference signals make it possible to get the amplitude of the signal directly
3、. A prototype of LIA based on LavVIEW is made. Then the LIA is used in a system which finds out the location of a sound source. Keywords: LabVIEW, VI, Lock-in Amplifier1. 虚拟仪器和LabVIEW 1.1 虚拟仪器技术 1.1.1 概? 述 虚拟仪器(Virtual instrument 简称VI)，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是
4、在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包括一下两方面的含义。 1. 虚拟仪器的面板是虚拟的： 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的;由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”;被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，及测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。 1. 虚拟仪器测量功能是通过对图形软件流程的编程来实现的： 虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能的。因为可以通过不通测
5、试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件平台确定后，就有软件就是仪器的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。 虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的产物，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器模拟式仪表、第二代仪器分立元件式仪表、第三代仪器数字式仪器、第四代仪器智能化仪器之后的新一代仪器，代表了当前测试仪器发展的方向之一。 1.1.2 虚拟仪器技术有四大优势 1. 性能高； 2. 扩展性强； 3. 开发时间少； 4. 集成度高； 1.1.3 虚拟仪器技术的三大组成部分 1. 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的
6、软件工具并通过调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。 1. 模块化的I/O硬件 用户可根据所使用的总线（PCI, PXI, PCMCIA, USB或IEEE 1394）选择相应的模块化硬件产品，包括数据采集及信号调理、模块化仪器、机器视觉、运动控制、仪器控制、分布式I/O和CAN接口等工业通讯等。 1. 用于集成的软硬件平台 如NI生产的PXI平台等。 1.1.4 虚拟仪器与传统仪器的区别 与传统仪器相比，虚拟仪器最大的特点是其功能由软件定义，可以由用户根据应用需要进行调整， 用户选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器。而传统仪器的功能是由厂商
7、事先定义好的，其功能用户无法变更。当虚拟仪器用户需要改变仪器功能或需要构造新的仪器时，可以由用户自己改变应用软件来实现，而不必重新购买新的仪器。每一个虚拟仪器系统都由两部分组成：软件和硬件。对于当前的测量任务，虚拟仪器系统的价格与具有相似功能的传统仪器相差无几，甚至比它低很多倍。而且，由于虚拟仪器在测量任务需要改变时具有更大的灵活性，随着时间的推移，节省的成本也不断累计。 不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件，工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起，并利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制任务所需的所有软件和
8、硬件设备，功能完全由用户自定义。此外，利用虚拟仪器计数，工程师和科学家们还可以使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。可以接不同的设备而许多应用程序也可以用在同一个设备上，这都是体现虚拟仪器灵活性的例子。 1.1.5 虚拟仪器的硬件性能 图3：虚拟仪器硬件与传统仪器的比较 基本上，虚拟仪器系统是基于软件的，所以只要是可以数字化的东西，就可以对它进行测量。因此，测量硬件可以通过两根坐标轴进行评估，即分辨率（位）和频率。图4是虚拟仪器硬件测量性能与传统仪器的比较。 1.2 NI-LabVIEW介绍 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument
9、 Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句；而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，这使得设计者不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统。 一个LabVIEW程序由一个或多个虚拟仪器（VI）组成，之所以称之为虚拟仪器是因为他们的外观和操作通常是模拟了事迹的物理仪器。每一个VI由三个主要部分组成：前面板、框图和图标。 1. 前面板：前面板是VI的交互式用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板
10、，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。与现实仪器所不同的是，真实的仪器面板由实物组成，而虚拟仪器则是利用计算机强大的图形环境在计算机上建立图形化的软面板来代替常规的仪器控制面板。 2. 框图：框图是VI的图形化源代码。用户在框图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。框图中包括前面板上的控件连线端子，和函数、结构和连线等。框图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路，用连线将合适的对象连接起来定义它们之间的数据流，以完成仪器的功能。 3. 图标：图标的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。设计者可把一个复杂自动检测系
11、统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。被另一个VI使用的VI称为子VI，类似于子程序。这样设计的优点体现在如下几方面： 4. 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。 5. 一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。 6. 便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。 同时，LabVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序(可扩
12、充)如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储;并且LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。 2 锁相放大器原理及其实现 2.1 锁相放大器的基本原理 锁相放大器(Lock-in Amplifier 简称LIA)是以相关检测技术为基础，利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪。它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备，利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关，从而从噪声中提取有用信号。它不同于一般的带通放大器，它所输出的信号并不
13、是输入信号的简单放大，而是把交流分量放大并变成相应的直流信号输出。使用锁相放大器是从强噪声中提取弱信号的重要手段。可理解为:把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。 一般锁相放大器的组成分为三部分:信号通道、参考通道和相关器（相敏检波器）。其核心部分是相敏检波器（phase-sensitive detector 简称PSD），它实际上是一个乘法器。输入信号和参考信号分别加在相敏检波器的两个输入端。锁相放大器的结构框图如下： ?图4：锁相放大器结构框图 锁相放大器的最基本原理是相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数f1(t)和f2 (t)的相关函数表示为： 其中f2 (t)为参
14、考信号，为测量信号，S（t）为需要检测出来的信号，f2（t）与S(t)频率相同。下面详细讨论这一原理是怎么具体应用在锁相放大器的设计上，锁相放大器又是如何通过直接计算相关函数来实现从噪声中检测淹没信号的。 2.2 基于LabVIEW的锁相放大器的实现。 2.2.1 此项设计的意义 锁相放大器有着强大的功能和极为广泛的应用，但是由于是精密仪器，体积较为巨大，价格十分昂贵，数据处理较为不便，而且不便于多用户的共同使用。而采用LabVIEW制作的锁相放大器参数配置更加方便灵活，用户可以根据自身需要修改配置；成本低廉，只有软件、标准化硬件的成本和开发成本，而且标准化硬件的通用性使得其相对成本较低；操作
15、方便，在计算机上进行操作即可，而对前面板的操作与在实际仪器上的操作相一致，操作者不需要对仪器内部的设计完全了解也可以根据说明进行操作和应用；数据处理方便而且数据利于共享，可以通过LabVIEW 提供的工具将数据写入文本文档或电子表格文档中，直接保存在计算机的硬盘上，为实验数据的处理带来了极大地方便，还可以直接通过打印机等设备将数据、波形等打印出来；而且可利用互联网实现远程仪器共享，方便更多的用户进行使用。可见，这项制作有着较为明显的现实意义。 2.2.2 仪器原理 根据参考信号的不同有两种锁相放大器的制作方案，分别以方波和正弦波为参考信号。 （1）用正弦波做为参考信号的锁相放大器 用 Vs (
16、 t) = x ( t) + n ( t)表示系统实际的测量信号,其中x ( t) = A sin (t +)是需要检测出来的样品信号, n ( t)则表示背景噪声。Vr ( t) = B sin(t)与V r ( t) =B sin t +/2分别是与x ( t)同频的参考信号1和参考信号2,它们相位相差/2。由相关函数的性质可以推出,在延时= 0的情况下, Vs ( t)与Vr ( t) 、V r ( t)的互相关函数值为:经过数据采集卡后得到的信号是离散时间信号,其互相关函数值和自相关函数值可以由下式表示,其中N 表示采样点数。 由于噪声n ( t)与参考信号Vr ( t) 、V r ( t)不相关,可以推出:则样品信号x ( t)与参考信号Vr ( t)的幅值A 和
