基于虚拟仪器的相位测量仪

1、基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 1 页装订线摘要采用虚拟仪器对信号的相位及相位差进行数字化测量，具有简单、易行、精度高的特点。这与以往利用实际仪器仪表对相位的测量在操作上有着很大的不同。LabVIEW就是基于虚拟仪器的开发环境，本文阐述了基于虚拟仪器技术在相位及相位差测量中的实际应用，根据电子测量的基本原理、计算方法和流程，利用了LabVIEW的特有语言G语言对被测对象进行程序编译、运行、修改并最终显示运行结果。本文分别对频率相同或者不同的信号进行相位差的测量，还对相关的锁相环进行了原理性的分析。实验中具体测量了信号的频率，一周采样点数，相隔采样点数，相位差等因数。最后给出了被测

2、信号相位差的仿真结果。实验结果以图形显示和数据显示的方式，对被测对象进行了准确地测量。通过实验，实现了虚拟仪器对信号相位及相位差的测量。虚拟仪器是电子测量中的新技术，有着广阔的发展前景，是实验、教学及检测领域的重要技术支持。关键词关键词: : 虚拟仪器；虚拟仪器；LabLab VIEWVIEW；电子测量；相位差；电子测量；相位差基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 2 页装订线ABSTRACTAdopting virtual instrument technique in the phase and the phase difference of the signal with dig

3、ital measurement has characteristics of simplify, easy operation and high accuracy .This has the very big difference with the former phase measurement method.LabVIEW was based on the virtual instrument development environment, and this article elaborates the practical application of virtual instrume

4、nt technology in the phase measurement. According to the basic theories、the computational method and the flow of electronic measurement, the experiment use the LabVIEW unique language (G language) to compile, run, correct the measured subject and eventually display the result. This thesis has measur

5、ed respectively the phase difference of the signal having the same frequency and different signal. During the process of realizing the phase measurement, there are some steps including measuring the frequency of the signal and some factors such as the sample points in a cycle and phase difference an

6、d finally give out the simulation results of the phase of the measured signal. The result of experiment has measured the subject accurately by the means of displaying graph and data. The experiment has realized the measurement of signal phase in the virtual instrument.Virtual instrument is a new tec

7、hnique in electronic measurement, having vast development foreground, and is the important technique support of experiment, teaching and in the field of detection.Keywords:Keywords: HypothesizedHypothesized instrument;instrument; LabLab VIEW;VIEW; electronicelectronic measurement;measurement; phasep

8、hase differencedifference基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 3 页装订线目录摘要摘要.1 1第第 1 1 章章 绪论绪论.5 51.1 前言 .51.2 研究目标 .61.3 工作内容 .61.4 论文结构 .71.5 相位测量仪的概述 .71.5.1 相位的定义 .71.5.2 相位差的定义.71.5.3 相位测量方法及发展.81.5.4 相位差测量仪的应用.91.6 电子测量原理 .91.6.1 电子测量技术的发展状况 .91.6,3 电子测量仪器的发展 .11第二章第二章 虚拟仪器及虚拟仪器及 LABVIEWLABVIEW 基础基础.12122.1 虚

9、拟仪器概述 .122.1.1 定义 .122.1.2 比较与差异 .122.1.3 虚拟仪器对电子测量的影响 .132.2 虚拟仪器的应用 .132.3 虚拟仪器的发展前景 .162.3.1 虚拟仪器的国际市场发展前景 .162.3.2 虚拟仪器的国内市场发展前景.172.4 LABVIEW概述 .172.4.1Labview 软件简介.172.4.2Labview 概述.172.4.3Labview 的应用.18第第 3 3 章章 相位测量方法及原理相位测量方法及原理.19193.1 过零法 .193.1.1 过零点法原理及其 LabVIEW 编程.193.1.2 过零法的误差.203.2

10、相关法 .203.2.1 相关法原理.203.2.2 相关法测量相位差的误差.213.3 FFT 频谱分析法原理.21基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 4 页装订线第第 4 4 章章 相位测量仪设计相位测量仪设计.23234.1 设计要求 .234.2 相关法 .234.2.1 相关法相位设计程序主流程图.234.2.2 子模块设计.244.2.3 相关法程序图.254.2.4 相关法测试结果.254.3 过零法 .274.3.1 过零法的设计框图.274.3.2 子模块设计.274.3.3 过零法程序图.284.3.4 过零法测试结果.284.4 频谱法 .304.4.1 频谱法

11、的设计框图.304.4.2 频谱法程序框图.304.4.3 频谱法测量结果.31第五章第五章 相位测量仪整体框图相位测量仪整体框图.32325.1 过零法 .325.2 相关法 .325.3 频谱法 .335.4 小结 .34结结 论论.3535致致 谢谢.3636参考文献参考文献.3737基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 5 页装订线第 1 章 绪论1.1 前言随着科学技术的发展，相位测量技术的应用已深入到许多领域和部门。如：电力部门、机械部门、航天航空、地质勘测、海底资源等领域。近年来随着科学技术的飞跃发展，又提出了动态相位测量技术以及断续信号相位测量的新技术课题。将相位测量技

12、术、激光光纤技术与微机技术结合是实现精密测量的重要方法。如：微厚度的精密测量，微震动的精密测量等。把相位测量技术与微波技术结合起来，可以精密测量物质的含水量且与被测物的密度无关。动态相位测量技术与断续信号相位测量技术已经用于海洋生物和海底资源的探测。也可以用于其他领域。随着科学技术的发展，相位测量技术与其他新技术的结合将有着广泛的应用前景。专门用来测量两个同频率信号的相位差的仪表称为相位计从低频、音频、射频到微波段均有相应的仪器。广泛应用于国防、科研、学校、厂矿。随着微机技术的发展，智能相位仪器也在不断涌现。随着科学的发展，相位测量也在不断的发展和完善。相位测量的方法有多种多样，本文是基于虚拟

13、仪器的情况下进行相位测量的设计以及检测。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。信号的相位差测量在电工技术，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

14、子模拟式相位差测量采用乘法器法，二极管鉴相法等，需要完成对应的硬件电路。电路的温漂，噪声级干扰信号，都会导基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 6 页装订线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。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

15、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。虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的。它是以个人计算机为核心的、通过测量应用软件支持的(若干独立仪器功能

16、由软件实现)、具有虚拟仪器面板、足够的仪器硬件以及通信功能的测量信息处理设备。 在虚拟仪器系统中, 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，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法, 很方便的改变、 增减仪器系统的功能和规模。由于 PC 机强大的数据处理能力, 借助于一台通用通用的数字化仪表, 用户可以通过软件构造出几乎具有任何功能的仪器。LabVIEW 是一个图形化程序开发环境，主要用于数据采集、数据分析、测试和仪器控制等领域。它与传统编程语言有着 诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化 的编程特点等。但二者最大的区别在于：传统

17、编程语言用文本语言编程；而 LabVIEW 使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等） ，以框图的形式编写程序。1.2 研究目标基于Labview开发平台设计出一种相位测量仪，从而实现测量两个信号的相位差的测量并校验测量结果，它的特点比传统的单一相位测量仪多出显示信号的波形，幅度等功能，从而更直观简洁的现实测量结果。1.3 工作内容基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 7 页装订线基于上述研究目标本人在整个设计过程中所做的工作有（1）查阅资料了解相位、相位差的概念及意义；（2）查阅资料了解相位测量的方法；（3）查阅资料并初步撰写开题报告；（4）进行外文翻译工作；（5）查阅资料学习la

18、bview软件；（6）选择并学习测量相位差的方法，相关法和过零点法；（7）设计系统程序，进行前面板的设计；（8）系统功能分析，完成后面板的模块的选取并进行组建；（9）进行系统功能模块的划分，测量仪器，实现模块功能；（10）完成总模块的功能并进行检验；（11）对系统进行调试；1.4 论文结构第一章为绪论，主要介绍各个原理的基础，概念，定义以及应用。第二章介绍所用到软件labview的简介概述以及应用。第三章具体的介绍了测量相位差的原理。三种方法，相关法、过零点发与频谱法。第四章具体的介绍相位差的具体设计方法，原理框图，实现后的测试与调试，与具体的测试图。总结了此设计的不足与优点第五章相位测量仪的

19、总程序图及总结。1.5 相位测量仪的概述1.5.1 相位的定义相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如正弦交流电流，它的公式是 i=Isin2ft。i 是交流电流的瞬时值，I 是交流电流的最大值，f 是交流电的频率，t 是时间。随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。在三角函数中 2ft 相当于角度，它反映了交流电任何时刻所处的状态，是在增大还是在减小，是正的还是负的等等。因此把 2ft 叫做相位，或者叫做相。基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 8 页装订线1.5.2 相位差的定义相位

20、差：两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫相差。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，那么交流电压和交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，交流电压达到最大值时，交流电流也将达到最大值。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，或者是电流超前于电压。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

21、，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。1.5.3 相位测量方法及发展 现代相位测量技术的发展可以分为三个阶段 第一阶段是在早起采用的李沙育法、阻抗法、和差法、三电压法，这些测量方法通常采用比对法和平衡法，虽然方法简单，但是测量精度不较低； 第二阶段是利用数字专用电路、微处理器等来构成测试系统，使测量精度得以大大提高； 第三个阶段是充分利用计算机及智能化测量技术，从而大大简化设计程序，增强功能，使得响应的产品精度更高、功能更全。同时，各种新的算法、测量手段和新的设计方法及器件也随之出现。 目前，国内外提出了许多改进的高精度相位测量方法，主要包括：（1）用专用数字处理

22、芯片，利用正余弦表格及傅立叶变化方法来计算相位差，可大大提高测量精度。（2）采用新器件及设计方法提高相位测量精度及展宽工作频率范围。（3）采用新的算法来实现相位测量。（4）采用高精度相位测量设备，通过相位输出信号，利用桥路与输入信号相位进行比较，从而测量出相位。在相位/频率测量技术方面，美国一直处于领先地位，主要的研究机构及公司有Agilent(安捷伦)、Tektronix(泰克)、ADYU 公司及DRANETZ 实验室。俄罗斯，英基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 9 页装订线国，德国在此领域也具有较高的水平。国外的主要产品有美国安捷伦公州的般通道Agilent53131IA 型通

23、用计数器。国内测相领域起步比较晚，相位测量技术的研究从70年代开始，早期研究相位测量,的单位和技术人员较少，国内生产商品化相位计的主要厂家仅有天津中环电子仪器公司，相位计量机构是中国计量科学研究院和国防科工委产品也主要针对于工频信号(50Hz)的相位测量。 总的来说，我国的相位测量技术与国外有较大的差距，主要体现在产品种类较少配套产品少；产品测试功能单一；仪器精度、数字化和自动化程度不高；相位计量标准不完备。因此对高精度相位测量算法的研究和相位计产品化设计刻不容缓。1.5.4 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

24、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。1.6 电子测量原理测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中常借助一些专门的设备，即测量仪器，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较,取得用数值和单位共同表示的测量结果。测量是揭示客观世界规律，用数字语言描述周围世界，进而改造世界的重要

25、手段。现代科学技术、生产和国防的重要特点之一，就是要进行大量的观测和统计。提高测量水平，降低测量成本，减少测量误差，提高测量效率，对国民经济各个领域都是至关重要的。因此，测量手段的现代化，已被公认为是科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 10 页装订线1.6.1 电子测量技术的发展状况从狭义上讲，电子测量是在电子学中测量有关电的量值，通常包括以下几个方面:电量的测量，如电流、电压、功率、电能等;信号特性及所受干扰的测量，如信号波形、失真度、频率、相位、信/噪比等；元件和电路参数的测量，如电阻、电感、电容、电路频率响应、通带宽度、相位移等。随着科

26、学技术的发展，对许多物理量，如距离、重量、速度、温度等，使用传统测量方法己经不能满足现代化科学研究和生产的需要。因此都将它们设法通过一定的传感器变换成电信号，然后利用一整套比较成熟的电子学方法来进行测量。这也就使得电子测量技术在很多领域得到了应用，在现代科学技术中具有不可替代的重要作用。电子测量与其他测量相比，具有以下几个明显的特点:1 测量频率范围极宽低端除了测直流外还可以测低至10Hz，高端可至100GHz 左右(某些测量领域甚至更高)。电子测量能工作在这样宽的频率范围，因此它的应用范围很广泛。但也由于频率范围宽，在不同的频段测量所依据的原理、采用的方法、使用的元器件等可能相差很远，通常把

27、被测电量或供给同一电量的仪器分为不同的频段。例如超低频信号发生器、音频信号发生器、高频信号发生器等等。当然这给使用带来很多不便。近年来研制了很多宽频带设备，使一台仪器能在很宽的频率范围内工作。2 量程很广由于所测电量的大小相差极大，要求测量仪器的量程也极宽。同一台电子测量仪器，经常能做到量程很宽。例如一台高灵敏度的数字电压表，可以测出10纳伏至14 千伏的电压，量程达11 个数量级。电子计数器的量程更宽，其频率范围可达17 个数量级。量程宽正是电子测量仪器的突出优点。3 测准确度高量电子仪器的准确度通常可比其他测量仪器高很多。特别是对频率和时间的测量，由于采用了原子频标和原子秒作为基准，使误差

28、减小到级1010。人们常常把其他参数转换成频率再进行测量，以提高测量的准确程度。子测量准确度高正是它在现代科技领域得到广泛应用的重要原因之一。4 测量速度快电子测量由于是通过电子运动和电磁波的传播来进行工作的，因此具有其他测量方法通常无法类比的高速度。这也是它被广泛应用的一个重要原因。随着科学技术的发展，对测量过程和测量数据处理的速度都提出了越来越高的要求。因此，不断基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 11 页装订线提高测量速度也是电子测量发展的一个重要方向。5 易于实现遥测和长期不间断测量由于可以把电子测量仪器或与它连接的传感器放到人类不便长期停留或无法达到的地区去进行遥测，而且可

29、以在被测对象正常工作的情况下进行现场测量，这就扩大了人类用测量的方法定量的认识世界的范围。6 易于利用计算机，形成电子测量与计算技术的紧密结合这个特点决定了电子测量技术成为当今测量技术中的主流。由于电子测量的测量结果和它所需的控制信号都是电信号，这非常有利于直接或通过A/D, D/A变换与计算机连接。电子测量和计算技术的紧密结合，特别是从70 年代以来，超大规模集成电路和微处理机的出现，更使电子测量领域发生了重大变化。现在随着微计算机功能的不断提高和成本的不断降低，就可以在不增加仪器体积和不明显增加成本的情况下，使仪器的性能发生很大的飞跃，使它具有高性能、多功能、智能的特点。例如在测量中能够实

30、现程控、遥控、自动调节、自动校准、自动诊断故障甚至自动修复，对测量结果可以进行自动记录，自动完成数据的运算、分析和处理。测量的速度和准确度也有很大提高。由于具有以上一系列特点，电子测量技术被广泛应用于自然科学的一切领域。大到天文观测、宇宙航天，小到物质结构、基本粒子；从复杂深奥的生命、细胞、遗传问题到日常的工农业生产、医学、商业各部门，都越来越多的采用了电子测量技术和设备。1.6,3 电子测量仪器的发展根据电子测量仪器所采用技术的先进程度，可以将其分为三代产品，即模拟式仪器、数字式仪器及智能仪器。第一代测量仪器是模拟式仪器，这种仪器仪表至今仍在各个场合被广泛使用着。大量的指针式电压表，电流表、

31、功率计以及模拟示波器，扫频仪等一些通用测试仪器，均是典型的模拟式仪器仪表。这类仪器仪表显示部分的基本结构是电磁式结构，它利用电磁测量原理，通过指针的移动或电子束的偏移来显示最终测量结果。它们的特点是结构简单，成本较低，易于维护，适合于对精度要求不高的场所。第二代测量仪器是数字式仪器，它具有远 .模拟式仪器为高的测量精度与响应速度。这类仪器仪表的基本原理在于将待测的模拟信号转化为数字信号进行测量，如数字式万用表，频率计等。今天数字化仪器仪表的增长速度己远远超过了模拟式仪器仪表。第三代的测量仪器称为智能仪器。这类仪器仪表大致可分为两类，一类内含微处基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 12

32、 页装订线理器，被称为“内含微处理”或“微机化”仪器。另一类，仪器本身与微型机在硬件结构上是分开的，但仪器由微型机控制进行数据采集与处理，这类仪器应属于智能仪器的范畴仪器。智能仪器以微电子器件代替常规电子线路，以微处理器为核心，具有信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能，甚至具有辅助专家进行推断分析与决策的能力。现代竞争要求测试系统有更短的开发周期、更低的成本和更高的质量，因此自动化测试、测量在各科研单位、各公司企业内越来越受到关注。电子测试己经不仅局限于对获取某些物理量，而要求将很多种测量仪器组合起来，构成适用于某一特定目的的专用系统。而目前仍普遍使用的第一、二代测量仪器具有功能单一，彼

33、此不兼容，不能共享硬件和软件组件，不能将所得到的测量结果在计算机中进行处理的缺点。这使得组建测试系统的成本很高，而开发、研究的效率却难以提高。与此相对，基于计算机技术的智能仪器能够有效地降低测试、测量系统的成本，共享测试系统的硬件和软件，提高开发效率，成为测试系统与测量仪器的发展方向。第二章 虚拟仪器及 Labview 基础2.1 虚拟仪器概述2.1.1 定义虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和/或必要的仪器硬件模块，使用户操作这台通用计算机就象操作一台自己专门设计的传统电子仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念，这个概念克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不

34、能变动的缺陷，摆脱了由传统硬件构成一件件仪器再连成系统的模式，而变为由用户根据自己的需要通过编制不同的测试软件来组合构成各种虚拟仪器，其中许多功能直接就由软件来实现，打破了仪器功能只能由厂家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器还可以很快地跟上计算机的发展，升级重建自己的功能。这尤其适合科研与生产制造部门。基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 13 页装订线2.1.2 比较与差异考察任何一台传统的智能仪器，都可以将其分解成以下三个部分:(1)数据的采集:将输入的模拟信号波形进行调理，并经A /D 转换成数字信号以待处理。(2)数据的分析与处理:由微处理器按照功能要求对采集的数据作必要的分析

35、和处理。(3)存储、显示或输出:将处理后的数据存储、显示或经D/A 转换成模拟信号输出。传统智能仪器是由厂家将上述二种功能的部件根据仪器功能按固定的方式组建，一般一种仪器只有一种功能或数种功能。而虚拟仪器是将具有上述一种或多种功能的通用模块组合起来，通过编制不同的测试软件来构成任何一种仪器，而不是某几种仪器。例如激励信号可先由微机产生数字信号，再经D/A 变换产生所需的各种模拟信号，这相当于一台任意波形发生器。大量的测试功能都可通过对被测信号的采样，A/D 变换成数字信号，再经过处理即可，或者直接用数字显示而形成数字电压表类仪器，或用图形显示而形成示波器类仪器，或者再对数据进一步分析即可形成频

36、谱分析仪类仪器。其中，数据分析与处理以及显示等功能可以直接由软件完成2。这样就摆脱由传统硬件构成一件件仪器然后再连成系统的模式，而变成由计算机、A/D 及D/A 等带共性硬件资源和应用软件共同组成的虚拟仪器系统新的概念。许多厂家目前已研制出了多种用于构建虚拟仪器的数据采集(DAQ)卡。一块(DAQ)卡可以完成A/D 转换、D/A 转换、数字输入输出、记数器/定时器等多种功能，再配以相应的信号调理电路组件，即可构成能生成各种虚拟仪器的硬件平台。总之，虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处，就在于应用的灵活性上。虚拟仪器是用户自己定义的，用户可以将各种计算机平台、硬件、软件和附备件结合起来，组装成所需要

37、的应用设备。而一般由生产厂商所定义的、具有固定功能的单个设备，例如电压表、示波器和数据记录仪等，则不具有这样的灵活性。因此利用虚拟仪器来取代传统仪器之后，用户将大大受益。2.1.3 虚拟仪器对电子测量的影响由于虚拟仪器的特点，将使它在电子测量领域得到广泛的应用:在功能配置上，表现出了更高的灵活性。改变了过去传统仪器只能完成中一测量的弊病，集多种仪器功能几一体，使仪器向多功能集成化方向发展。例如可以在一台虚拟仪器上同时基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 14 页装订线完信号发生、波形显示、交直流电压/电流测量等功能。虚拟仪器的出现，扩展了电子测量的概念。使得在测量的同时完成了对被测量的

38、分析与处理。随着新技术的发展，许多领域对电子测量提出了更高的要求。例如在通讯领域，对信道的测量要求在频域进行指标分析。应用虚拟仪器可以在数据采集后，通过软件进行多种分析处理，完成时/频转换、能谱分析、提取信号特征量等。对被测量还可以进行存储、打印、局部放大等。虚拟仪器在电子测量领域的使用，可以大大降低测量成木，提高仪器的利用率。通过通用硬件平台，调用不同的软件模块，就可以完成多种仪器的测量功能。对于用户而言，开发软件的成木比购买新仪器的成本低廉，并且这种开发方式也便于仪器的维护与使用，并能缩短仪器的开发周期。2.2 虚拟仪器的应用虚拟仪器至今在国内还是一个相当新的概念，但这些年来应用的增长非常

39、迅速，已经开始应用于航空航天、智能交通、汽车、医疗、教育等领域，举例如下。1、基于虚拟仪器技术的固体火箭发动机测试系统固体火箭发动机的测试是一项复杂而又繁琐的事情，其特点是工作时间短，采样速度快，精度要求高，需要对温度、压力、流量以及发动机推力等诸多参数的测量。因此，要精确测定这些参量，必须选择恰当的测试办法，采用高精度的测试系统。但是，采用传统的测试方法要求硬件仪器设备较多，成本较高，很难满足固体火箭发动机精确参数尤其是动 .参数的测 .要求。但通过引入虚拟仪器技术，可以很方便地组建一套精密的、动态性能优良的测试系统。虚拟仪器系统的硬件只是用于解决信号的输入/输出，也就是数据的采集，而软件则

40、是整个系统的关键。硬件包括传感器、信号调理系统和数据采集卡等；软件根据测试系统的性质和测试要求，采用模块化设计方法，可将测试系统分为文件处理模块、标定模块、采集模块、数据处理模块，产品报表模块、显示模块和帮助系统模块，其程序功能增加自如、灵活多变、通用性强，并采用功能强大的图形编程语言平台LabVIEW，使得工程师们不必花很多的时间就能方便高速地开发出高质量要求的测试系统，加快了程序的开发周期。2、基于虚拟仪器技术的智能交通车载信息采集平台随着多传感器融合技术的不断发展及其在智能交通领域中应用的不断深入，可供使用的交通信息种类越来越多，用于检测的传感器也相应增加。传统仪器由于其功能单一、灵活性

41、差、使用复杂、更新和维护成本高，很不适于车载检测使用。针对这一状况，可采用虚拟仪器技术开发车载信息采集平台。基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 15 页装订线平台的硬件主要包括了各种车载传感器、I/O 接口设备和车载计算机3 个部分。平台的软件使用LabWindowsCVI，它是美国NI 公司利用虚拟仪器技术开发的32 位面向计算机测控领域虚拟仪器的软件开发平台，可以在多操作系统(如windows98/NT/2000/XP，Mac Os 和Unix 等)下运行。整个数据采集平台的软件设计采用了模块化、结构化的设计思想，分为实时控制和离线处理两大部分，其中又包括了许多功能模块。实时控制

42、部分模块包括I/O 接口设备初始化模块、数据采集模块、数据显示模块、数据存储模块和移动检测模块；离线处理部分包括数据读取模块、多传感器信息融合模块、驾驶特性分析模块合路网交通状况分析模块。将虚拟仪器技术应用于智能交通领域，用其来构建智能交通车载信息采集平台，不仅可以满足目前智能交通中多传感器信息的采集、监控和融合的要求，而且可以灵活的根据技术发展需要进行功能扩展，这对于发展迅速的智能交通技术来说，这种基于虚拟仪器技术的信息采集平台具有十分现实的意义。3、汽车车内数据采集系统（IVDAS）一个好的车内测试系统应该支持许多不同的测试信号。典型的测试信号包含温度、位置、振动、图像、压强/力/负载、速

43、度/距离和控制总线信号等。上述信号与其他信号结合在一起，为测试工程师研究汽车在不同工况下，甚至最恶劣环境下汽车的性能提供关键数据。因此，测试工程师需要一个灵活的测试系统来满足不断增长的测试功能和技术指标的需要。美国B&B 公司在NI 公司的LabVIEW 和PXISCXI 基础上开发了车内测试系统(IVDAS)，系统显示了虚拟仪器在测试领域应用的灵活性。SCXI 机箱内嵌入各种信号调理模块，模块的模式由信号种类决定，各种信号采集和处理的整合由LabVIEW 程序来完成。IVDAS 的优越性能源于使用PXI 和SCXl 所带来的灵活性和可升级性。其可能的升级包括：增加触摸屏功能；语音合成

44、；语音辨识；运动控制、GPS 接受和中控单元。基于上述灵活性，使得IVDAS 可以完全代替传统的数据记录仪。在IVDAS基础上还派生出满足不同需要的车内测试系统：发热监测系统；刹车测试系统（BTS）；声学刹车测试系统（ABTS）。4、基于虚拟仪器技术的胃电检测分析系统采用现代检测技术和先进的计算机技术，可以开发微机化、自动化、柔性化的虚拟仪器式医疗检测仪器系统-胃电检测分析系统。它由通用PC 机、模块化功能硬件和测控分析软件构成。信号采集硬件模块接插在PC 机的I/0 插槽上，与PC 机构成测试仪器系统。操作人员通过操作PC 机显示器上的虚拟仪器软面板控制仪器的运行，完成测试分析任务。这种仪器

45、系统充分利用了通用计算机软硬件资源，以先进的计算机技术实现了传统的昂贵设备所具有的功能，能完成体表胃电信号的检测、实时基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 16 页装订线示波、瞬态记录、波形存储、波形分析、频谱分析等多种功能，具有测试精度高、功能完善、使用方便、一机多用、造价低廉等优势，可应用于临床检测分析、医学科研和教学。系统硬件由体表电极、EGG 放大模块、信号采集控制电路组成；软件系统包括实时示波模块、时域分析模块、频域分析模块和文件管理模块等四个模块。测控分析软件系统除了要实现内在的仪器测控分析功能外，还要有一系列的外观和感觉一致的虚拟的仪器软面板，用户就像操作传统的物理仪器一

46、样操作这些软面板，实现测量控制及分析。为此，以Windows 9X 为平台，采用面向对象及可视化的软件设计技术实现了这一目标。5、用虚拟仪器进行多媒体演示实验把多媒体教室的计算机装上基于PC 总线的插卡式仪器(DAQ 产品)或接上并口式仪器，再配上相应的软件，即构成虚拟仪器，可以代替常规的演示实验仪器，如智能信号发生器、数字存储示波器、频谱及信号分析仪、晶体管特性测试仪、频率特性测试仪、逻辑分析仪、数字电压表、数字电流表等一整套仪器。采用虚拟仪器，可以满足多媒体演示实验教学的需要，比如，完成电感元件电压和电流相位差的演示实验和单级低频放大器演示实验。将虚拟仪器技术合理地融人到演示实验教学中，既

47、可体现现代技术的作用，使学生学到并掌握先进的仪器仪表技术和实验技术，缩短学生所学知识与现代实验技术的距离，又节约了实验经费的投入，提高了实验教学的现代化水平。2.3 虚拟仪器的发展前景虚拟仪器，既具有传统仪器的功能，又有别于其传统仪器。它的特点体现在其灵活性上，它能够充分利用和发挥现有计算机先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。虚拟仪器使得用户能够根据自已的需要定义仪器功能，根据自己的设想和要求，通过编程来设计，组建自己的仪器系统。而不像传统仪器那样，受到仪器厂商的限制。它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控

48、制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器融合了测试理论，仪器原理和技术，计算机接口技术以及图形化软件编程技术于一身，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。从模拟电子仪器到数子电子仪器，IEEE488HP 总线仪器，到完全用户可编程的虚拟仪器，体现了仪器发展的轨迹和方向。基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 17 页装订线2.3.1 虚拟仪器的国际市场发展前景国际上从1988 年开始陆续有虚拟产品面市，当时有五家制造商推出30 种产品，此后，虚拟仪器产品

49、成倍增加，到1994 年底，虚拟仪器制造厂已达95 家，共生产1000 多种虚拟仪器产品，销售额达2.93 亿美元，占整个仪器销售额76亿美元的4。据“国际自动化仪表”杂志预测，21 世纪前10 年，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达数千种，市场潜力巨大。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大虚拟仪器制造国。创立于1976 年的NI 公司，总部设于Texas 州首府Austin。作为一家测试测量行业的上市公司，其在世界各地设有50 多个分公司和办事处。几十年来，NI 不断致力于开发基于计算机的测试测量与自动化平台，其推出的软件产品已经成为行业标准。2002市场调查数据显示，在美国的测试、测量

50、市场，LabVIEW 就占42.9的份额，可见，NI 公司在此领域占绝对优势。最新统计显示，全球有超过25000 的客户在使用NI 的产品，其中不乏国际知名的大公司，像Nokia、Siemens、Tektronix等等。在世界财富500 强中的制造业厂商，也有95都是NI 的客户。此外，虚拟仪器的主要生产厂家还包括HP 公司、Tekronix 公司等，前者目前生产100 多种型号的虚拟仪器，后者则生产约80 多种型号。这些厂家的产品在国际市场上都具有较强的竞争力，目前已开始进入中国市场，但价格昂贵，缺乏中文界面，因此还没有广泛地被中国用户所接受。2.3.2 虚拟仪器的国内市场发展前景2004

51、年，我国仪器仪表行业大多数企业发展良好，总体市场规模已逾700亿元。目前，大部分厂家生产的虚拟仪器基本以计算机加数模转换及软件应用来实现传统仪器中的示波器、频谱分析仪、频率计、波形发生器、波形记录仪等，但也有些开发比较早的厂家开始将虚拟仪器在某些行业开始批量应用。据专家预测，到2010 年我国将有50的仪器为虚拟仪器，目前国内有十几家企业在研制PC 虚拟仪器，上百种系列实用产品已面市，并开始在航空、航天、通信、医疗、电力、石油勘探、铁路等行业普及应用。虚拟仪器代表了现今最新高科技，相信必将在我国测试行业得到迅猛的发展。2.4 Labview 概述基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 1

52、8 页装订线2.4.1Labview 软件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已从模拟技术向数字技术发展；虚拟仪器的出现给现代测试技术带来了一场革命，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。所谓虚拟仪器(Virtual Intrument，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

53、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的上旋钮、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、测试量结果(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。2.4.2Labview 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

54、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核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了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。2.4.3Labview 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

55、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，从大学基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 19 页装订线实验室到工厂，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。 （1）Labview 应用于测试于测量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) L

56、abview 应用于控制控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的 Labview 自然而然地首先拓展至控制领域。Labview 拥有专门用于控制领域的模块-Labviewdsc。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的 Labview 驱动程序。使用 Labview 可以非常方便的编制各种控制程序。(3) Labview 应用于仿真Labview包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以现在计算机上用Labview搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用Labview进行软件

57、模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 20 页装订线第 3 章 相位测量方法及原理3.1 过零法过零法是通过计算两个或多个同频信号过零时刻的时间差，再将时间差转换为相位差。过零法处理的信号是实际连续信号采样后的离散数字信号，依据这些离散数字信号的特征，如何判断信号的过零点成为算法的关键。3.1.1 过零点法原理及其 LabVIEW 编程过零点法的原理是:分别确定两个同为下降趋势(或上升趋势)的同频信号过零点的时刻,计算其时间差,然后根据时间来计算相位差。图 1 所示,为两个同频的正弦信号,其过零点时差为$t,由下式(1)计算相位差。

58、 = 360 (1)式(1)中 T 为信号周期,式(1)可用模拟电路实现,而在虚拟仪器中,信号是 A/D 采样量化后的离散信号,故式(1)不能直接应用,设信号 1 首次经过的零点对应为数组的第 i元素,信号 2 首次经过的零点对应为数组的第 j 元素(两信号的过零点均为下降趋势时的零点),采用下式计算相位差: (2) = 360/ = 360(/) (3) = = ( ) = 360( )( )式为相邻两个采集点信号的相位角之差;f 为被测信号频率;fs 为采样频率;当采样频率较高或者被测信号幅值较小时,在信号零点附近可能会出现第 h 个采样点到第 k个采样点间值均为零的现象,但信号只有一个过

59、零点(对应数组第 i 元素),可由式i=(h+k)/2 求出。同时,在实际测量中,通常直接测到零点的几率比较小,而采集的是零点两侧的样本数据。如图 1(b)所示的第 i 和第 i+1 个采集点,可将这两个采集点之间的信号用直线来简化,此时过零点时间采用下式计算 :基于虚拟仪器的相位测量仪设计共 37 页 第 21 页装订线 (4) = + 1- + 1- + 1=( + 1) + 1- + 1式(4)中 ti+1 为第 i+1 个采样点的采样时间;yi 和 yi+1 分别为第 i 和第 i+1 个采样点对应的幅值。由式(4)可以得到两同频信号 x(t)和 y(t)的相位差为: = 360(-

60、) （5）在 LabVIEW 编程时,找出信号 1 中满足 yi0 且=0 或0 的第 i 个采集 + 1= 0 + 1点,同理找出信号 2 中对应的第 j 个采集点,再由式(4)和(5)可求得两信号的相位差。3.1.2 过零法的误差在程序实现的算法中，过零点的判断本省就存在误差，因为实际信号采集几乎五大准确采集到过零点时刻，我们是通过信号前一时刻和后一时刻的值的变化来判断过零点的，通常一句两值乘积为小于 0 来判断，因此，过零发本身就有一定的误差。3.2 相关法相关法利用两同频正弦信号的互相关函数零时刻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，因而该方法有很好