虚拟相关法相位差测量仪文档.doc

西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 目录目录 1 前言前言 1 2 LABVIEW 和相位差测量仪简介和相位差测量仪简介 2 2 1 LABVIEW 的应用 2 2 1 1 LABVIEW应用于测试与测量 2 2 1 2 LABVIEW应用于过程控制和工业自动化 2 2 1 3 LABVIEW应用于实验室研究与自动化 3 2 1 4LABVIEW编程环境 3 2 2 相位差测量仪的概述 4 2 2 1 相位差的定义 4 2 2 2 相位差检测仪的应用 4 3 总体方案的设计 总体方案的设计 6 3 1 方案的比较 6 3 1 1方案一 6 3 1 2方案二 7 3 2 方案的比较论证和选择 7 4 虚拟相关法测量相位差仿真仪的设计原理 虚拟相关法测量相位差仿真仪的设计原理 8 5 软件设计 软件设计 9 5 1 前面板设计 9 5 2 前面板中常用的控件简介 10 第 页1 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 5 2 1 波形显示控件 10 5 2 2其他控件 11 5 3 程序设计 12 5 3 1系统的程序设计流程框图 12 5 3 2相关法相位测量仪流程图的设计 12 6 系统调试 系统调试 13 7 测试参数 测试参数 15 8 系统功能 系统功能 16 9 设计总结 设计总结 17 10 致谢 致谢 19 11 参考文献 参考文献 20 1 前前言言 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 第 页1 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 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 第 页2 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 2 Labview 和和相相位位差差测测量量仪仪简简介介 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 12 1 LABVIEWLABVIEW 的应用的应用 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 第 页3 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 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 2 1 1 LABVIEW 应用于测试与测量应用于测试与测量 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 2 1 3 LABVIEW 应用于实验室研究与自动化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 编程环境编程环境 LABVIEW 模板 与一般的程序相比 LABVIEW 提供了三个浮动 第 页4 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 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 第 页5 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 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相位差测量仪的概述 2 2 1 相位差的定义相位差的定义 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 第 页6 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 2 2 2 相位差检测仪的应用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 第 页7 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 3 总总体体方方案案的的设设计计 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 方案的比较方案的比较 3 1 1 方案一方案一 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 第 页8 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 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 1 3 1 2 方案二方案二 通过调用计算 0 x R 0 y R 的子程序来实现对 的计算 其程序流程框图如图 3 1 所示 第 页9 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 显示测量结果 调用 cos 的子程序 调用计算 的子程序 0 x R 0 y R 0 xy R 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 第 页10 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 4 虚虚拟拟相相关关法法测测量量相相位位差差仿仿真真仪仪的的设设计计原原理理 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 00 sin x x tAtN t 01 sin y x tAtNt 1 显然两信号的相位差为 10 但实际中是无法 知道 1 和 0 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 0 1 T xy Rx t y tdt T 2 其中 T 为信号周期 将式 1 代入式 2 当 0 时 可得 0001 0 1 sin sin T xyxy RAtN tBtNt dt T 理想情况下 噪声和信号之间 噪声之间并不相关 积分后得 10 0 2 xy AB RCOS 所以有 10 2 0 arccos xy R AB 第 页11 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 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 2 0 x AR 2 0 y BR 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 软软件件设设计计 5 1 前面板设计前面板设计 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 第 页12 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 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前面板中常用的控件简介 5 2 1 波形显示控件波形显示控件 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 第 页13 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 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 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 第 页14 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 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 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 5 3 旋钮 数值输入 按钮控件 第 页15 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 5 3 程序设计程序设计 5 3 1 系统的程序设计流程框图系统的程序设计流程框图 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 5 3 2 相关法相位测量仪流程图的设计相关法相位测量仪流程图的设计 第 页16 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 6 系系统统调调试试 系统调试过程中首先运行虚拟相位差测量仪 然后 设定信号频率 采样频率 采样点数 两波形的相位和幅 值 然后面板显示效果如图所示 改变波形相位 相位差 跟随改变 并在波形显示窗口直观的显示波形情况 调 试过程前面板显示情况如下图所示 第 页17 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 图 6 1 调试过程前面板显示情况 图 6 2 调试过程前面板显示情况 第 页18 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 图 6 3 调试过程前面板显示情况 图 6 4 调试过程前面板显示情况 第 页19 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 7 测测试试参参数数 本系统实现了通过虚拟相关法测量两信号相位差的功 能要求 由于资金与实验条件所限 本设计模拟了两个同 频率的正弦波代替实际采集的波形 都够比较准确的测量 两信号的相位差 数据记录如 下列表格所示 表 7 1 参数设置 信号频率 f 36HZ 采样频率 f 40HZ 采样点数 n 90 信号 1 相位 度 64 188 55 090 55 090 55 090 55 090 信号 2 相位 度 45 307 28 088 29 167 27 429 22 340 相位差 度 10 905 14 908 13 253 15 871 22 603 表 7 2 参数设置 信号频率 f 36HZ 采样频率 f 35HZ 采样点数 n 80 信号 1 相位 48 480 56 062 72 960 75 833 55 090 第 页20 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 度 信号 2 相位 度 23 340 23 340 23 340 23 340 23 340 相位差 度 26 969 34 016 50 229 53 020 33 100 表 7 2 第 页21 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 8 系系统统功功能能 本系统利用 LabVIEW 7 0 图形编程语言 设计了 一种方便实用的相位差仿真仪 其充分利用了计算机的 强大功能 该仪器的主要特点如下 1 采用了 LabVIEW 作为开发平台 软件编程方便 简 洁 效率高 2 利用数据采集卡采集数据可测量两个同频正弦波信号 的相位差 3 在现有的基础上 通过改变软件的设计 可以实现 别的仪器功能 如虚拟函数发生器 虚拟示波器等 第 页22 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 9 设设计计总总结结 此次课程设计用到了在虚拟仪器中较为简单直观的图形 化编程工具 LABVIEW 经过一段时间的学习 已经基本掌 握其各个板块的基本功能并最终根据相关法和频谱分析法 的基本原理 将 LABVIEW 中可能用到得板块结合起来产 生了基于这两种方法的相位差测量仪的程序框图 在设计过程中分别用三种方法原理结合 LABVIEW 强 大的图形化显示界面在 LABVIEW 平台上实现了相位差计 的测量 对虚拟仪器的认识有了进一步的加深 就虚拟测 量仪器来讲 传统的检测仪器的关键是硬件 功能由厂商 定义 因此其扩展性能较低 而虚拟仪器由于它是面向应 用的系统结构 所以功能可由用户定义 其关键是软件 第 页23 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 由于其以 PC 为核心 使得许多数据处理的过程不必像过去 那样由测试仪器本身来完成 而是在软件的支持下 利用 PC 机和 CPU 的强大的数据处理功能来完成 使得基于虚拟 仪器的测试系统的测试精度 速度大为提高 可实现自动 化 智能化 多任务测量 并可方便地存贮和交换测试数 据 测试结果的表达方式丰富多样 虚拟仪器在较高性价 比的条件下 降低了系统开发和维护的费用 缩短技术更 新周期 我个人认为将这这两种方法的基本原理在 LABVIEW 平台上仿真实现 连接出程序框图和前面板正是此次毕业 设计的创新之处 除此之外 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 虚拟化方向发展 在虚拟仪器中 硬件仅仅是为了解决信号的输入输出 软件才是整个仪器 系统的关键 借助于一台通用的数字化仪表 数据采集卡 用户可以通过软件构造出几乎具有任何功能的仪器 与传 统的仪器相比 这又是另一创新点 但是本次设计只是一个仿真实现的课程设计 所以未能 采用数据采集卡这一数字化仪表 如果采用 那么设计中 输入的采集点越多 采集频率越大那么两信号之间的相位 差就越精确 这也是本次设计的一个缺陷 这个设计的一个难点就是对其中的程序框图的编写 既是重点又是难点 在前期准备工作做好后 如查看相关 控件使用方法的资料 对编程软 件 LABVIEW 的学习 进入实质性的调试阶段以后 每种方法都要经过反复的检 验和修改 这就很好地锻炼了本人的耐心 培养了本人具 第 页24 西华大学电气信息学院虚拟仪器课程设计报告 体问题具体对待的科学态度 在本次设计中 我们按照 要求完成了虚拟法测相位差 题目所要求的基本功能 在 设计开始前我们对各个模块进行了详尽的分析和设计准备 工作 设计过程中 我们及时与同学交流 遇到不懂得问 题也及时请教老师 实现了基本的 测量功能 通过本次设计 我们的设计能力有了 很大的提高 这使我们经历了一个设计从方案提出到确定 到最后的调 试出实物 看到效果 我基本熟悉了 虚拟法测相位差 的 基本步骤 在设计过程中 对 Labview 这门课程有了更 进一步的了解 也从实践的例子中区去感受到了 Labview 技术给我们的设计带来的改变 在设计过程中 我了解了更多在实际应用中需要考虑的问题 也明白了将 理论知识用于实践的不易 在设计过程中 我了解了软件 设计的流程 并在实际操作中熟悉了软件Labview 软件 的操作和使用 也学会了软件的调试方法 以及学会了分 析相应的错误 以便对设计进行改进 在这个过程中 我 们提高了自学能力以及团队协作能力 并进一步提高了对 本专业的兴趣 本次课程设计对自己的信心也有很大提高 在以后的学习中 我们会再接再厉 设计开始 我对整个设计概念不清 不知道从何处入 手 经过广泛的查阅资料 我找到了很多有用的信