基于虚拟仪器技术的相位差测量仪的设计.doc

摘要：本设计实现了对两个相同频率正弦信号的相位差的测量，被测信号由正弦信号发生电路产生，正弦信号发生电路采用RC正弦波振荡电路，产生的正弦信号连接到数据采集卡上，本设计采用MPS-010501多功能USB数据采集卡，通过数据采集卡传送到PC机，利用LABVIEW软件进行测量，编程的算法基于相关法原理，将两个相同频率正弦信号的相位差通过计算后显示在LABVIEW前面板上。关键词：相位差，正弦信号发生电路，数据采集卡，互相关法，虚拟仪器 Abstract：The design and implementation of the same frequency of the two sinusoidal signals phase of the measurement, the measured signal from the sinusoidal signal generating circuit generates the sinusoidal signal generating circuit RC sine wave oscillator circuit that generates a sinusoidal signal is connected to the data acquisition card, the designed using MPS-010501 multifunction USB data acquisition card, data acquisition card to a PC using LABVIEW software measurement, programming algorithms based on the relevant law principle, the two same frequency sinusoidal signal by calculating the phase difference is displayed after the LABVIEW the front panel.Keyword ：phase,Sinusoidal signal generating circuit,data acquisition cards,cross-correlation method,virtual instruments目录1 绪论31.1课题研究的背景31.2课题研究的意义42 虚拟仪器、LABVIEW、数据采集卡介绍42.1 虚拟仪器的介绍42.2 labview介绍52.3 数据采集卡介绍73 相位差测量原理83.1 相位差概念83.2 相关法84 整体方案设计105 硬件系统105.1 正弦信号发生电路105.2 数据采集卡116 软件系统126.1 前面板设计126.2 程序设计137 系统调试15结论18参考文献19致谢201 绪论1.1课题研究的背景随着计算机技术、大规模集成电路技术与通信技术的快速发展，仪器技术领域也发生了巨大的变化。仪器经历了模拟仪器、数字化仪器、嵌入式系统仪器和智能仪器的发展阶段；随着学科门类的交叉发展不断涌现出新的测试领域；在实践中不断应用了新的测试理论、测试方法；设计结构的更新使仪器结构也不断发展。随着仪器技术领域的各种创新积累，现代化测量仪器的性能发生了质的飞跃，仪器的形式和概念发生了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念虚拟仪器。虚拟仪器把电子技术、信号处理技术、计算机技术、传感器技术、软件技术结合起来，不仅继承了传统仪器的已有功能，而且增加了许多传统仪器不能达到的先进功能。灵活性是虚拟仪器的最大特点，用户能充分利用计算机丰富的软硬件资源，它突破了传统仪器在数据处理、存储、表达及传送方面的限制。用户在使用过程中可以根据自己的需要添加或删除仪器功能，来满足各种需求和各种环境。测量相位差的方法分为模拟方法和数字方法是测量相位差的两种基本方法。模拟方法精度高，但是电路复杂；数字方法是根据计数脉冲的个数求相位差，先用计数脉冲来填充相位差脉冲，然后计算计数脉冲的个数。由于数字方法需要的计数脉冲是高频的，但是一般的计数器的工作频率达不到要求，因此计数器工作频率会影响测量精度，而且被测信号频率也会使精度会进一步的下降。信号相位差的测量在电工技术、智能控制、工业自动化、通讯及电子技术等技术领域有着非常广泛的应用。传统的电子模拟式相位差测量采用乘法器法、二极管鉴相法等，由硬件电路完成。电路的噪声、干扰信号及温漂，都会导致测量结果出现误差。近年来高速数据采集卡和虚拟仪器技术不断发展，这使我们可以采用软件来代替硬件电路进行相位的测量。软件测量方法正逐渐替代传统的相位差测量方法。利用软件测量，重点在于软件算法，通过软件算法来消除噪声、干扰信号及温漂的影响，使测量结果更加精确。1.2课题研究的意义本设计以labview为中心，通过数据采集卡采集和处理信号，通过软件编程实现相位差的测量。首先，该设计与传统的电子模拟式相位差测量相比，避免了因电路的噪声、干扰信号及温漂等因素导致的测量误差。其次，本设计可以应用于高校教学、实验室研究，方便使用。2 虚拟仪器、LABVIEW、数据采集卡介绍2.1 虚拟仪器的介绍2.1.1 虚拟仪器的概念“虚拟仪器技术”(VirtualInstrumentation)的概念由美国国家仪器公司NI首先提出。所谓虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义的、具有虚拟仪器面板的、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理。虚拟仪器是测控技术和计算机技术深层次相结合的产物，它使测量仪器与计算机的界线模糊了。虚拟仪器本质上是虚拟现实技术在仪器领域的应用结果。采用虚拟仪器技术，通过把各种硬软件以及附备件进行合理搭配，就可以将计算机变成一台综合的测试仪器，在各种测试和工业自动化领域中得以应用。2.1.2 虚拟仪器的组成从功能上来说，虚拟仪器通过计算机应用程序将功能化硬件与通用计算机结合起来，完成对被测量的采集、分析、处理、存储、显示、打印等功能，因此，虚拟仪器可以划分为数据采集、数据分析处理、结果表达三大功能模块。图2-1为其内部功能框图。虚拟仪器把仪器硬件的测试能力和计算机资源结合起来，同样可以实现仪器的功能。图2-1中采集采集处理模块的任务是数据的调理采集；数据分析模块负责分析处理数据；结果表达模块要将采集到的数据和分析后的结果表达出来。插卡式DAQ卡信号处理网络传输GPIB仪器数字滤波硬件复制VXI仪器统计文件I/ORS-232分析图形用户界面采集处理数据分析结果表达图2-1 虚拟仪器构成方式2.2 labview介绍LABVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司（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。2.2.1 LABVIEW界面介绍刚打开LABVIEW会显示启动面板，该页面包括新建、打开、帮助、在线支持等选项，可以完成项目的新建和已有项目的打开的基础操作。其界面如2-2图所示图2-2 LAVBIEW前面板LABVIEW界面分为前面板和程序面板。前面板用来设计仪器的用户界面，在前面板上放置一些输入及输出控件，它就像真实仪器的前面板，是一个人机友好互动的桥梁。程序面板用来设计仪器内部的算法，从而使仪器具备相应的功能。2.2.2 LABVIEW编程环境与一般的程序相比，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。工具模板如图2-2所示，它包括许多工具，这些工具，用于VI的创建、修改和调试。它们有操作工具，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。控件模板如图2-3所示，它用于对前面板的设计。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。利用这些模板可以给前面板增加输入控件和输出指示器。它们功能强大，创建前面板所需的所有对象工具都可以通过这些子模板找到。函数模板如图2-4所示，它用于设计程序框图。它包含结构子模板、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。利用这些模板来构成程序框图，从而实现一定的算法。所有LABVIEW的应用功能都是通过这些功能子模板实现的。图2-2工具模板 图2-3 控件模板 图2-4 函数模板2.3 数据采集卡介绍2.3.1数据采集卡简介数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。2.3.2 数据采集卡的技术参数（1）通道数：就是板卡可以采集几路的信号，分为单端和差分。常用的有单端32路/差分16路、单端16路/差分8路。（2）采样频率：单位时间采集的数据点数，与AD芯片的转换一个点所需时间有关，例如：AD转换一个点需要T = 10uS，则其采样频率f = 1 / T为100K，即每秒钟AD芯片可以转换100K的数据点数。它用赫兹（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等。（3）缓存的区别及它的作用：主要用来存储AD芯片转换后的数据。有缓存可以设置采样频率，没有则不可以。缓存有RAM和FIFO两种:FIFO应用在数据采集卡上，主要用来存储AD芯片转换后的数据。做数据缓冲，存储量不大，速度快,RAM是随机存取内存的简称。一般用于高速采集卡，存储量大，速度较慢。（4）分辨率：采样数据最低位所代表的模拟量的值，常有12位、14位、16位等，（12位分辨率，电压5000mV）12位所能表示的数据量为4096（2的12次方），即5000 mV电压量程内可以表示4096个电压值，单位增量为（5000 mV）/ 4096=1.22 mV。（5）精度：测量值和真实值之间的误差，标称数据采集卡的测量准确程度，一般用满量程(FSR，full scale range)的百分比表示，常见的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如满量程范围为010V，其精度为0.1%FSR，则代表测量所得到的数值和真实值之间的差距在10mv以内。（6）量程：输入信号的幅度，常用有5V、10V 、05V 、010V ，要求输入信号在量程内进行。（7）增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益，通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定倍数的放大。由两种型号PGA202 (1、10、100、1000) 和PGA203 (1、2、4、8)的增益芯片。（8）触发：可分为内触发和外触发两种，指定启动AD转换方式。3 相位差测量原理3.1 相位差概念对于简谐振荡的正弦信号：E = E 0 sin( Xt + U0 ) （1）式中, 是振幅, U= Xt + 是振荡的幅角,称为瞬时相位。式(1)表明,相位是时间t的线性函数, 则是当t=0时相位, 称为初始相位。对于相位这个变量的测量是非常困难的，它而且这样做也没有实际意义。相位测量通常是比较两个频率相同的振荡信号, 测量它们之间的相位差, 即相对相位。例如有两个正弦振荡 E 1 = E 01 sin ( Xt + U01 ) 和 E2 = E02 sin( Xt + U02 ),它们之间的相位差为 $U= ( Xt+ U01 ) - ( Xt+ U02 ) = U01 - U02 , 由此表明 $U是与瞬时时间无关的相对量值。3.2 相关法3.2.1 相关法原理两个同频率的正弦信号在延时= 0 时的互相关函数值与其相位差的余弦值成正比，根据这一原理我们可以先测得自相关函数，然后算出相位差。 假设有两个同频率并且伴有噪声的信号，其描述如下：（2）式（2）中为信号的角速度，为信号 x( t)的初始相位，为信号y（t）的初始相位，为噪声信号。两个信号的互相关函数为（3）可以很容易发现，噪声和信号相关的机率很小，并且两个噪音是随机的，它们之间相关的机率更小。取= 0时，可以得到如下式子： （4）（5）在延时= 0时的自相关函数值和信号的幅值有下述关系：（6）式（5）可写成： （7）在 LabVIEW 编程中，被测信号经A/D转化为离散信号，两信号的互相关函数及互相关函数的计算公式如下：（8）3.2.1 相关法误差分析使用相关法测量相位差能很好地抑制噪声，这是因为有效信号与噪声信号的相关性通常情况下是很小。若周期信号的自相关函数的离散计算式所取的总点数不等于整周期，会给测量带来误差，同时交流信号的频率不稳定也会引起测量误差。4 整体方案设计通过正弦信号发生电路产生两个正弦信号，然后通过数据采集卡采集信号，最后接到PC机上，用LABVIEW软件编程完成对两信号相位差的测量。系统结构示意图如所示PC机接口总线DAQ数据采集卡正弦信号发生器 图4-1 整体方案设计图5 硬件系统5.1 正弦信号发生电路5.1.1产生正弦波的条件基本放大电路反馈网络 图5-1 正反馈放大电路的方框图12 图5-2 正弦波振荡电路的方框图从结构上来看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正弦反馈放大电路。图1表示接正反馈时，放大电路在输入信号=0时的方框图，改画一下便得图2.由图可知，如放大电路的输入端（1端）外接一定频率、一定幅度的正弦波信号，经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后，在反馈网络的输出端（2端），得到反馈信号，如果与在大小和相位上都一致，那么，就可以除去外接信号，而将1、2两端连接在一起（如图中的虚线所示）而形成闭环系统，其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。这样，由于=，便有： 在上式中，仍设，则可得 振幅平衡条件： |=1相位平衡条件： jAF = jA+jF = 2np5.1.2 正弦信号本设计采用RC正弦波震荡电路，电路图如图5-3所示 图5-3 RC正弦波震荡电路振荡频率为： 5.2 数据采集卡5.2.1 MPS-010501数据采集卡介绍本设计采用MPS-010501数据采集卡，它是一款基USB总线的多功能数据采集卡，具有4路差分模拟信号采集、1路模拟信号输出和8路数字信号输入/输出。可用于实验室、产品质量检测中心和大专院校等各种领域的数据采集、分析和数据处理系统，也可用于工业现场的过程监控系统。MPS-010501采用 USB2.0高速总线接口，总线极具易用性，即插即用，是便携式系统用户的最佳选择，可以完全取代以往的 PCI 卡。MPS-010501 可工作在 Win9X/Me、Win2000/XP 等常用操作系统中，并提供可供VB, VC, C+Builder, Dephi，LabVIEW，Matlab等常用编程语言调用的动态链接库，编程函数接口简单易用，易于编写应用程序。6 软件系统6.1 前面板设计前面板是用户与程序交流的窗口，设计一个美观大方的前面板对于用户来说是一种享受。前面板主要由控件构成，它的功能在于设置输入量和观察输出量。它就像真实仪器的前面板，是一个人机友好互动的桥梁。用户可以使用各种图标，如旋钮、开关、按钮、图表及图形等，使前面板易看懂。本设计放置控件: 一个输出波形显示器,用于观察两个信号的信号波形；一个输出显示型数字空间，显示相位差测量结果，单位为度；四个数字控件,分别用于设置两个正弦波的幅值和相位；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；一个开关型控件, 用于运行或关闭仪器。前面板如图6-1所示：图6-1 虚拟法测相位差前面板6.2 程序设计6.2.1 系统的程序设计流程框图 系统的程序设计流程图如图6-2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6-2 设计流程框图6.2.2 相关法相位测量仪流程图的设计总体程序框图如6-3图所示 图6-3相关法相位测量仪流程图的设计相关子模板介绍（1）基本函数发生器根据设计要求，采用“信号生成”子选板“正弦波”函数进行设计，如图6-4所示。图6-4 正弦波 VI限于篇幅，其详细信息不作介绍，可查阅Labview帮助。（2）正弦波相位、幅值以及采样点数的输入，如图6-5所示。图6-5 波形属性设定（3）互相关函数其中，X是第一个输入序列，Y是第二个输入序列。算法指定使用的相关方法。算法的值为direct时，VI使用线性卷积的direct方法计算互相关；如算法为frequency domain，VI使用基于FFT的方法计算互相关。 如X和Y较小，direct方法通常更快。如X和Y较大，frequency domain方法通常更快。此外，两个方法数值上存在微小的差异。 在此，采用默认算法，如图6-6所示。图6-6 相关函数（4）反余弦运算根据相关法原理，其相位差，所以需要利用反余弦函数进行运算，如图6-7所示。图6-7 反余弦函数（5）弧度转化为角度，并用数值显示。根据转换公式：，如图6-8所示。图6-8 相位差0360显示7 系统调试 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。图7-1调试过程前面板显示情况图7-2调试过程前面板显示情况图7-3调试过程前面板显示情况图7-4调试过程前面板显示情况 图7-5调试过程前面板显示情况结论经过这一段时间的学习，我已经基本上掌握了Labview各个模块的基本功能。深刻理解了相关法的原理，并根据这一原理，利用LABVIEW，完成了虚拟相位差测量仪的设计。通过对这一课题的研究，我得出了以下认识及成果。（1）虚拟仪器的发展给仪器领域带来了巨大的变化。虚拟仪器以PC机为核心，在软件的支持下，利用PC机和CPU强大的数据处理功能来完成数据处理，而不用像过去那样由测试仪器本身来完成。所以基于虚拟仪器的测试系统有测试精度高、速度快的特点。（2）本设计基于相关法来测量两个相同频率信号的相位差。相关分析法能有效抑制噪声。它适用于