虚拟相位差测量仪的设计

中文摘要 I 毕业设计（论文） 题 目： 虚拟相位差测量 仪的设计 学 院： 电气 与电子工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名 ： 指导教师 ： 中文摘要 II 摘 要 本题目属于应用设计类，设计内容包括：相位差检测的方法（相关分析法、频谱分析法、过零检测法等）研究；多种方法在虚拟仪器设计平台上的仿真实现；采用各种方法的虚拟相位差测量 仪的分析比较。 论文采用三种方法中的前两种，比较两种方法设计成的仿真仪在测量波形相位差的精度和程序上的不同，通过相关资料了解它们在实际运用中各自的适用场所及其优缺点。充分了解虚拟仪器特别是 LABVIEW 的功能强大性。 论文的第一部分是对虚拟仪器，主要是虚拟仪器的大体介绍和相位差测量仪的在工业上的应用；第二部分主要是对 LABVIEW 的简介和其运行的环境的概述；第三部分主要讲述本次课程设计中要用到 LABVIEW 中的功能函数以及相关法、频谱分析法等相位差测量方法原理；第四部分则列出本次课程设计要用到的 LABVIEW 的内容及各种方法在 LABVIEW 平台下的实现。最后是对本次设计的总结。 关键词 ： 相关法、频谱分析法、过零检测法、相位计英文摘要 III Abstract The topic is application design category, design elements include: phase difference detection method (correlation analysis, spectrum analysis, zero-crossing detection, etc.); various methods in the design of virtual instrument platform Simulation; using various methods of virtual phase meter analyzed. Papers using three methods of the former two. Comparing the two methods designed instrument in the simulation waveform measurement accuracy and the phase difference of the different procedures, through the relevant information on the practical application of their respective places of application and their advantages and disadvantages. Fully aware of virtual instruments, especially LABVIEW powerful nature. Among the first part of the virtual instrument, is the main design of this phase difference measuring instrument of industrial applications; The second part was to brief the Labview and its operating environment overview; The third part mainly on the current curriculum design, the use of related laws, such as spectrum analysis phase difference measurement principle; Part IV sets out the course of the design LABVIEW use of the content and methods in LABVIEW Platform achieved. Keywords: correlation, spectrum analysis, zero-crossing detection, phasemeter 目 录 IV 目 录 摘 要 . I ABSTRACT（英文摘要） . .III 目 录. .IIII 第一章 引 言 . . 1 1.1 高效的软件 . . 1 1.2 模块 化的 I/O 硬件 . . 2 1.3 用于集成的软硬件平台 . . 2 第二章 相位差测量仪的概述 . . 5 2.1 相位差的定义 . . 5 2.2 相位差测量仪的应用 . . 5 第三章 编程软件 LABVIEW 的简介 . . 5 3.1 LABVIEW 的概述 . . 6 3.2 LABVIEW 的应用 . 7 3.2.1 LABVIEW 应用于测试与测量 . 7 3.2.2 LABVIEW 应用于过程控制和工业 自动化 . 7 3.2.3 LABVIEW 应用于实验室研究与自动化 . 7 3.3 LABVIEW 的编程环境 . 8 第四章 相位差测量方法原理简介 . 10 4.1 相关法测量相位差原理 . 10 4.2 频谱分析法测量相位差原理 . 12 4.3 零点检测法测量相位差原理 . . 13 第五章 测量相位差方法在 LABVIEW 中的应用 . . 15 5.1 设计中常用控件功能简介 . 15 5.1.1 数据类型 . 15 目 录 V 5.1.2 结构 . 15 5.1.3 数学运算 . 18 5.1.4 比较运算 . 18 5.1.5 簇 . 20 5.1.6 波形显示控件 . 21 5.2 基于相关原理的虚拟相位差的设计 . 23 5.2.1 基于 相关法虚拟相位差计主程序流程图 . 23 5.2.2 LABVIEW 平台下软件的实现 . 23 5.3 利用 FFT 函数的相位计简单设计 . 25 5.4 基于频谱分析原理的虚拟相位差的设计 . 27 5.4.1 虚拟频谱分析法测量相位差计的实现 . . 27 5.4.2 虚拟频谱分析法测量相位差存在的问题及解决方法 . . 30 5.5 各种测量方法的比较 . 31 结论 . . 32 参 考文献 . . 34 致 谢及声明 . . 35 附图（ 频谱分析法的程序框图 ） 第一章 引言 - 1 - 第一章 引言 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。 1995 年我们开始接触 NI 公司的产品， 2000 年建立了一个用于教学的虚拟仪器实验室。在该实验室中，使用自己开发的虚拟仪器开设了几个实验，并融入电路实验课程，然后又转向为全校的本科生和研究生开设虚拟仪器设计课程。 虚拟仪器是以其技术与计算机技术深层次结合的产物，它强调“软件就是仪器”的概念，用户能够根据自己的需要定义仪器功能，更好的组建自己所需要 的测试系统。它是按照“信号的调整与采集（ ADC），数据的分析与处理（ DSP），结果的输出（ DAC）及显示”的结构模式来建立通用仪器硬件平台，在这个通用硬件仪器平台上，调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪器。 虚拟仪器（ virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入 式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的结构反映了常见的虚拟仪器方案。 被测对象信号处理数据采集卡数据处理虚拟仪器面板 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是 NI 近 30 年来始第一章 引言 - 2 - 终引领测试测量行业发展趋势的 原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化 I/O 硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。虚拟仪器技术的三大组成部分： 1.1 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或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。 NI 公司提供的行业标准图形化编程软件 LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换 、存储的方式，并将结果显示给用户。此外， NI 提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件 SignalExpress、用于传统 C 语言的 LabWindows/CVI、针对微软 Visual Studio 的 Measurement Studio等等，均可满足客户对高性能应用的需求。 有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。 1.2 模块化的 I/O硬件 面对如今日益复杂的测试测量应用， NI 提供了全方位的软硬件的解决方 案。无论您是使用 PCI, PXI, PCMCIA, USB 或者是 1394 总线， NI 都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式 I/O 到 CAN 接口等工业通讯，应有尽有。 NI 高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。目前， NI 已经达到了每 2 个工作日推出一款硬件产品的速度，大大拓宽了用户的选择面：例如 NI 新近推出的新一代数据采集设备 先期推出的 20 款 M 系列 DAQ 卡，就为数据 采集领域设定了全新的标准。 第一章 引言 - 3 - 1.3 用于集成的软硬件平台 NI 首先提出的专为测试任务设计的 PXI 硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和 PC 技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。由 NI 发起的 PXI 系统联盟现已吸引了 68 家厂商，联盟属下的产品数量也已激增至近千种。 PXI 作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的 I/O 硬件和相应的测试测量开发软件，您就可以建立完全自定义的测试测 量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助 PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。 虚拟仪器技术的四大优势： 1.性能高： 虚拟仪器技术是在 PC 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的 PC 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件 I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 2.扩展性强 NI 的软硬件工具使得 工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于 NI 软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。 3.开发时间少 在驱动和应用两个层面上， NI 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表第一章 引言 - 4 - 和通讯方面的最新技术结合在一起。 NI 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低 成本的测量和控制解决方案。 4.无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。 NI 的虚拟仪器软件平台为所有的 I/O 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。 虚拟仪器的主要特点有： 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要 定义和制造各种仪器。 目前，美国的 NI公司和 HP公司在虚拟仪器的研究方面处于领先地位，购买其虚拟仪器产品必将有助于我们的科研和教学工作，但价格非常昂贵。因此，根据自己的需要自行研究和开发虚拟仪器显得尤为重要。利用计算机的强大功能采用 Labview8.2 图形编程语言，设计了一种方便使用的相位差计。该仪器的主要特点如下：采用了 Labview 作为开发平台，软件编程方便、简洁、效率高；利用数据采集卡采集数据可测量两个同频信号的相位差；在现有的基础上，通过改变软件的设计，可以实现别的仪器的功能。如虚拟函数发生器、虚拟 示波器等。 相信随着计算机技术和测控技术的不断发展，虚拟仪器将成为未来教学科研的重要方法和手段，将取代传统一起成为测量仪器的主流。 第二章 相位差测量仪的概述 - 5 - 第二章 相位差测量仪的概述 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，或者叫做反相 。 2.2 相位差测量仪的应用 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。 第三章 编程软件 LABVIEW 的简介 - 6 - 第三章 编程软件 LABVIEW 的简介 随着测试技术及大规模集成电路技术的发展，传统的电子测试仪器己从模拟技术向数字技术发展；从单台仪器向多种功能仪器的组合 及系统型发展；从完全由硬件实现仪器功能向软硬结合方向发展；从功能组合向以个人计算机为核心构成通用测试平台、功能模块及软件包形式的自动测试系统发展。同时，随着计算机技术的不断提高，现代自动测试系统正向仪器的自动化、智能化、小型化、网络化和综合化方向发展。 虚拟仪器的出现给现代测试技术带来了一场革命，虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科的最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形化软件编程于一身，实现了测量仪器的智能化、多样化、模块化和网络化，体现 出多功能、低成本、应用灵活、操作方便等优点，在很多领域大有取代传统仪器的趋势，成为当代仪器发展的一个重要方向，并受到各国企业界的高度重视。所谓虚拟仪器（ Virtual Instrument，简称 VI），就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，利用虚拟仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板以及相应的功能，人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，去选用仪器功能，设置各种工作参数，启动或停止一台仪器的工作。在计算机软件控制下对输入的信号进行采集、分析、处理，测量结果（数据、波形）和仪器工作 状态都可从虚拟仪器面板上读出。用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。 3.1 LABVIEW的概述 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。 第三章 编程软件 LABVIEW 的简介 - 7 - 数据采集、仪器控制、过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。 3.2 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 LABVIEW 的成果和开发产品。 3.2.1 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。 3.2.2 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 LABVIEW 基础上发展起来的 Bridge VIEW 是更好的选择。 3.2.3 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，包括统第三章 编程软件 LABVIEW 的简介 - 8 - 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。 3.3 LABVIEW的编程环境 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。 （ 1）工具模板 工具模板包括操作工具，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。 （ 2）控件模板 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。 （ 3）功能模板 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。功能模第三章 编程软件 LABVIEW 的简介 - 9 - 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。 第四章 相位差测量方法原理简介 - 10 - 第四章 相位差测量方法原理简介 4.1 相关法相位差测量相位差原理 1)根据互相关函数特性求出两信号的初相位 两信号的互相关函数 ()R xy 不是偶函数，根据其定义可证明( ) ( )R x y R x y，此式说明，互相关函数与两信号的相位差 和延迟量 有关，当 0 时， (0)R xy 就只与两信号的相位差 有关基于此可求出 设 ( ) s i n ; ( ) s i n ( )x t A t y t B t 。式中 A， B 分别是被测信号 ( ) ( )x t y t, 的幅值， 就是两信号之间的相位差根据相关函数的定义， ()R xy 的估计值为： 1( ) ( ) ( )01s i n s i n ( ) 001( ) ( ) ( )01s i n s i n ( )012( s i n c o s s i n c o s s i n )00212( ) s i n c o s c o s0 2TR x y x t y tTTA t B t d tTTR x y x t y tTTA t B t d tTTTA B t d t A B t t d tTT ABR x y A B t d tT 当 时 ， 有 :上 式 中 第 项 的 积 分 为 零 , 所 以 有 :()()a r c c o sA B ( ) , ( t )R x yABR x yABx t y 由 此 可 求 出 两 信 号 的 相 位 差 为 : 2c o s =或2式 中 ， 可 由 自 相 关 函 数 求 出 。第四章 相位差测量方法原理简介 - 11 - 2)由自相关函数求出 ( ), (t)x t y 的幅值 根据户相关函数的性质，当延迟量 =0 时，自相关函数取得最大值，且唯一与信号的幅值有关。根据自相关函数的定义，函数 ()xt 的自相关函数的估计值为： 2 2 22 1( ) ( ) ( )01( ) s i n0022 ( 0 )()AB( 0 )a r c c ( 0 ) ( 0 )( 0 ) , ( 0 ) , ( 0 ) ( ) , ( ) 0 ,TR x x t x t d tTTTx x t d t A t d tTAA R xytR x yosR x R yR x R y R x y x t y t当 =0 时 ， 有 ：1R ( 0 ) =T所 以 得 ：同 理 求 出 函 数 的 幅 值 为 ：B = 2 R y ( 0 )当 求 出 ， 后 即 可 求 出 相 位 差 为 ：式 中 分 别 是 在 时 的 估 计 值其 函22:1( 0 ) ( ) ( 0 )01( 0 ) ( ) ( 0 )01( 0 ) ( ) ( ) ( 0 )0TR x x t d tTTR y y t d tTTR x y x t y t d tT数 表 达 式 可 写 为3）互相关函数的离散表达式 当用 计算机进行处理时，必须对被测信号进行采样，连续信号 ()xt 变为离散时间序列 ( ) , 0 , 1 , 2 , . . . , 1x n n k。连续信号 ()yt 变为离散时间序列( ) , 0 , 1 , 2 , . . . , 1y n n k。计算相关函数的积分表达式变为求和式，可表示为： 第四章 相位差测量方法原理简介 - 12 - 120120101( 0 ) ( )1( 0 ) ( )1( 0 ) ( ) ( )knknknR x x nnR y y nnR x y x n y nnk式 中 为 采 样 点 数 .4.2 频谱分析法测量相位差原理 该方法是通过对被检测信号进行频谱分析，获得信号的相频特性， 然后计算两信号在主频率处的差值即可测得两个信号的相位差。 在有限区间 ( , )t t T 内，绝对可积的任一周期函数 ()xt 可以展开成傅里叶级数： 00101111( ) ( c o s s i n )( c o s s i n )s i n ( ),2( ) c o s2( ) s i n, : a r c t a nnnnnnnnnnnnnnnx t a n t b n tA a n t b n tA A n taba x t n t d tTb x t n t d tTnab 其 中 为 傅 里 叶 系 数为 次 谐 波 的 初 相 位 其 中 基 波 的 初 相 位 为以上计算的意义在于：一个周期信号可以用一个直流分量和一系列谐波的线性叠加来表示，只要求处傅里叶系数 na 和 nb 即可求出任一谐波的初相 位 n ，而在相位差测量中只要求出基波的初相位 1 即可。 在以计算机为核心的虚拟测试仪中，模拟信号 ()xt 在进入计算机前先第四章 相位差测量方法原理简介 - 13 - 经采样器将连续信号变为离散时间信号，而后再经过 A/D 转换器变为离散信号。设在周期函数的一个周期内有 N 个采样点，且每两个采样点间的时间相同，则有： 1011011122( ) c o s22()NkNkkxkNNkb x k s i nNNaa r c t a nb1a对于两个周期信号函数 1()xt和 2()xt，他们的基波傅里叶系数分别为： 11011 1 1011111112 1 2012 1 2021212122( ) c o s22()22( ) c o s22()NkNkNkNkkxkNNkb x k s i nNNaa r c t a nbkxkNNkb x k s i nNNaa r c t a nb11aa则 1()xt的基波分量与 2()xt的基波分量的相位差为： 1 1 2 11 1 2 11 1 2 1aa= - = a r c t a n - a r c t a nbb 4.3 零点检测法测量相位差原理 过零检测法的基本原理可以有式（ 1） 来表示，其中 T 为被测信号的周期， tV 为被测信号过零点的时间差，相应的相位差 V 为： 第四章 相位差测量方法原理简介 - 14 - t= 360T VV （ 1） 这种相位差测量的方法多基于传统的硬件电路实现。在虚拟仪器系统中，相位差测量的信号是 A/D 采样后的离散信号，不能用（ 1）式计算，通常是采用对 A/D 采样后的信号进行数字处理后计算得到（ 2），（ 3）。设 f 为被测信号的频率，sf为 A/D 的采样频率，则一个周期内的采样点数sfN=f，而相邻两个采样点之间的相位差： 360 360sftf V （ 2） 假设用两个数组来保存两列信号的信息，信号 U1 的首次过零点对应数组的第 i 个元素，数组 U2 的首次过零点对应数组的第 j 个元素，这样式（ 1）中的 tV 就对应为数组元素的序号差。则式（ 1）就变为式（ 3）所 示： ( ) 3 6 0 ( )sfj i j i f VV (3) 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的应用 - 15 - 第五章 相位差测量方法在 LABVIEW 中的应用 5.1 设计中常用控件功能简介 5.1.1 数据类型 LABVIEW 的数据类型与传统编程语言中的数据类型基本相似，除了一般的数据类型之外，还有一些独特的数据类型。 LABVIEW 中的数据类型包括数字型 (Numeric)、布尔型 (即逻辑型， Boolean)和字符串型 (String)；构造数 据类型包括数组和簇；其他数据类型包括枚举（ RefNum）、空类型等等。 数字类型的前面板对象包含在控制模板 Numeric 子模板中，传统的数据类型分为变量和常量两种，在某种意义上， LABVIEW 的数据也可以这么分， Numeric 子模板中的前面板对象就相当于传统编程语言中的数字变量，。 LABVIEW的子模板包括多种不同形式的控制和指示，它们的外观各不相同，人数字量、滚动条、水箱、温度计、旋钮、表头、刻度盘以及颜色框等，但本质是完全相同的，都是数字型，只是外观不同而已。 在 LABVIEW 中布尔型数据即逻辑型数据 ，它的值为真 (true)或假(false)，或者为 1 或 0。布尔型前面板对象包含在控制模板 Boolean 子模板中。模板中有不同有布尔前面板对象，如不同形状的按钮、指示灯和开关等，这都是从实际仪器的开关、按钮演化来的，十分形象。采用布尔按钮可以设计出逼真的虚拟仪器前面板。与数字类型相似，这些不同的布尔控制也是外观不同，内涵相同，都是布尔型，只有 0 和 1 两个值。 5.1.2 结构 For 循环是 LABVIEW 最基本的结构之一，它执行指定次数的循环，相当于语言中的 For 循环： 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的应用 - 16 - For (i=0; iN; i + ) LABVIEW 中的 For 循环可从框图功能模板 Function Structure 子模板中创建。大多数情况下，用户使用 For 循环处理数组。这是因为 LABVIEW 已经知道了元素的个数，而且自动变址功能会为用户自动处理迭代：用户所要做的所有事情是将数组装入循环，迭代次数会与数组中的元素的个数相等。 移位寄存器（ Register）和框架通道（ Channel）两个独具特色的新概念。移位寄存器的功能是将第 i-1, i-2, i-3 次循环的计算 结果保存在FOR 循环的缓冲区内，并在第 i 次循环时将这些数据从循环框架左侧的移位寄存器中送出，供循环框架内的节点使用。在循环框架上的右键弹出菜单中选择 Add Shit Register 创建。框架通道是 For 循环与循环外部数据交换的数据通道，其功能是在 For 循环开始运行前，将循环外其他节点产生的数据送至循环内，供循环框架内的节点使用。还可以在 For 循环运行结束时将循环框架内节点产生的数据送至循环外，供循环外的节点使用。用连线工具将数据连线从循环框架内直接拖至循环框架外， LABVIEW 会自动生成一个框架通道。框架 通道有两面三刀种属性：有索引(Enable Indexing) 和 无 索 引 (Disable Indexing). For 循环执行的是包含在循环框架内的程序节点。其重复端口相当于 C 语言 For 中的 I，初始值为 0，每次循环递增步长为 1。而且，重复端口的初始和步长在 LABVIEW 中是固定不变的，若要用到不同的初始值或步长，可对重复端口产生的数据进行一定的数据运算，也可用到移位寄存器来实现。 CASE 选择结构，相当于 C 语言中的 switch 语句： 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的应用 - 17 - switch(表达式 ) case 常量表达式 1：语句 1； case 常量表达式 2：语句 2； case 常量表达式 n：语句 n； default ：语句 n+1； 在某种意义上还相当于 C 语言的 if 语句： if(条件判断表达式 ) else 语 句 选 择 结 构 可 从 框 图 程 序 中 的 功 能 模 板 Function Structure 中创建。最基本的选择结构是由选择框架（ Case Frame）、选择端口（ Selection Terminal）、框架标识符 (Diagram Identifier)以及递增 /递减按钮 (Increment/Decrement Button)组成。 在选择结构中，选择端口相当于上述 C 语言 Switch 语句中的“表达式”，框图表示符相当于“表达式 n”。编程时，将外部控制条件连接至选择端口上，程序运行时，选择端口会判断送来的控制条件，引导选择结构执行相应框架中的内容。为与选择框架外交换数据，选择结构也有框架通道。选择结构的边框通道与 For 循环相类似，但有其自身特点。当外部数据连接到选择框架上供其内部节点使用时，选择结构的每一个子框架都能从该通道中获得输入的外部 数据；当选择结构内部的数据需通过框架通道送至外部时，必需在每一个子框架中都连接一个同数据类型的数据到同一个框架通道上。这主要是因为选择结构执行时是根据外部控制条件从其所有的子框架中选择其一执行的，子框架选择非此即彼，所以每一个子框架都必需连接一个数据。对于一个框架通道，一个子框架中如果没有连接数据，那么在根据控制执行到这个子框架时，框架通道便没有向外输出数第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的应用 - 18 - 据来源程序就会出错。 LABVIEW 选择结构与其他语言的选择结构相比，简洁明了，结构简单，不但相当于 Switch 语句，还可以实现 if else 语 句功能。 5.1.3 数学运算 LABVIEW 的数学运算功能主要由功能模板 Numeric 子模板中的节点完成。Numeric 模板由基本的数学运算节点，类型转换节点、三角函数节点、对数节点复数节点和附加常数节点组成。 基本数学运算节点不仅实现加、减、乘、除等基本运算，还可以实现求整、开方、求幂、数组求和、求积和复合运算等功能。基本运算节点支持数值输入。但与一般编 程 语 言 提 供 的 运 算 符 相 比 ，LABVIEW 的数学运算节点功能更强，使用更灵活，它不仅支持单一的数值量输入，还可以支持处理同类型的复合型数值量，比如由 数值量构成的数组、簇和簇数组等。数值类型包括浮点数、整数和复数。 模板中的 Trigonometric 子模板可实现各种三角函数运算，该模板中的节点均心为弧度为单位。节点的输入可以是数字标量、数字量的数组或簇、数字量的簇的数组。该模板包括了大部份常用三角函节点，如 s