Labview―正弦信号发生及其频率和相位测量

1、正弦信号发生及其频率和相位测量结题报告Labview课程设计专业院系:学生姓名:同组人:指导教师:结题日期:目录Labview课程设计结题报告 (31引言 (32 设计要求 (33 设计方案 (33.1顶层设计分析 (33.2系统框图 (34 各模块实现 (44.1波形发生模块 (44.2运算处理模块 (64.3模拟输出模块 (84.4信号采集模块 (94.5初始化模块 (95 软件仿真 (105.1波形发生 (105.2测量结果 (125.2.1 基波分析 (125.2.2 谐波分析 (146 试验情况 (157 小结 (178 课程建议.错误!未定义书签。参考文献 . (17Labview

2、课程设计结题报告1 引言正弦信号是一种应用广泛的信号源,任何波形都可以看作由幅度、角频率、初相不同的正弦波叠加而形成。正弦信号的频率和相位差是工业测控领域经常需要测量的参数,如电力系统中的供电频率和功率因数的测量,电机扭矩的测量,铁路系统中相敏轨道电路相位差的测量以及科氏质量计中的相位差测量等。本课题设计的基于微计算机的正弦信号发生及其频率和相位测量的虚拟仪器产生可调的双路正弦信号,并通过对其采集分析进行频率和相位差的测量,在研究和生产中有比较广泛的应用领域和实际意义。2 设计要求设计一个基于微计算机的正弦信号发生及其频率和相位测量的虚拟仪器,要求如下:(1具有一双路正弦波发生器,产生双路信号

3、的相位差应可调,且也可叠加噪声及谐波成分等;(2具有频率计和相位的功能,可以对波形发生器生成的信号或硬件采集到的信号进行频率测量和相位差测量;(3波形发生器生成的信号可以通过与微计算机相连接的硬件电路的模拟输出端输出;虚拟仪器可以接收硬件电路模拟输入端采集的信号以便进行分析。注意事项:(1可先仿真研究频率和相位的测量算法,然后再做实测;(2应讨论采样频率、样本数、非整周期采样、噪声及谐波等对测量结果的影响。3 设计方案3.1顶层设计分析一套完整的基于微计算机的正弦信号发生及其频率和相位测量的虚拟仪器,分为四个部分:首先是波形发生模块,如设计要求所述,它负责产生相位差可调的双路正弦信号,同时可以

4、叠加噪声及谐波成分等;其次是运算处理模块,它采用不同算法对生成的或者硬件电路采集到的信号进行运算,从而得到频率和相位差测量结果;第三部分是模拟信号输出模块,该部分既有软件又有硬件,其负责软硬件结合,将信号发生器生成的信号通过硬件电路模拟输出端输出;第四部分是信号采集模块,该模块同样有软硬件结合的特点,它负责接收硬件电路模拟输入端采集的信号并传递给虚拟仪器的运算模块以便进行分析。3.2系统框图 图 1 系统框图4 各模块实现4.1波形发生模块波形发生模块主要完成虚拟的信号发生器,实现两路正弦信号的产生,同时实现均匀白噪声噪声和任意次谐波的产生和叠加。正弦信号的产生主要利用了LABVIEW中得波形

5、生成正弦波形VI,均匀白噪声的产生利用了均匀白噪声VI。通过一些输入、输出控件,利用基本的运算功能实现了各个波形的叠加,实现最终波形的输出。该模块前面板可以设置采样率和采样点数,基波的幅值、两路正弦信号的相位差,同时可以设置叠加谐波和噪声。其前面板设计如下: 波形生成模块的程序框图主要分两个部分:生成基波和叠加噪声、叠加谐波。程序框图如下: 图 3 波形发生模块-生成双路正弦信号及叠加噪声程序框图 图4波形发生器-叠加谐波程序框图4.2运算处理模块运算处理模块负责对信号发生器产生的波形数据或者硬件采集到的数据进行运算处理,通过不同的算法得到测量结果,并通运算结果与设定值的比较,分析采样频率、样

6、本数、非周期采样、谐波和噪声对测量结果的影响,讨论不同算法的优劣。前面板主要为显示控件,主要分为基波分析、谐波分析和频谱分析三部分。基波分析中可以给出频率、相位差的运算结果,并可以输出分析后的波形,如提取基波波形并显示、显示残余波形等。谐波分析可以通过谐波分析图或谐波含量表格查看各次谐波的含有情况,并自动显示谐波总失真1。频谱分析可以通过对原信号加不同的窗函数再进行FFT,从而得到各频率信号的含量。前面板设计如下:1谐波总失真即各次谐波幅值的方均根与基波幅值平方的比值的开方。 图 5 基波分析和谐波分析前面板设计 图 6 频谱测量前面板设计运算处理模块的程序框图主要分两部分,即相位差运算和基波

7、频率运算。此处相位差运算采用相关法进行运算,基波频率运算采用基于谐波分析的算法进行运算。运算处理模块的程序框图如下: 图7 用相关法计算相位差的程序框图 图8 基于谐波分析的基波频率测量的程序框图谐波分析的算法讨论:4.3模拟输出模块模拟输出模块主要使用DAQ各个子VI搭建,也可以使用DAQ助手较为简便的完成。程序框图如下: 图9 模拟输出模块的程序框图4.4信号采集模块类似于模拟输出模块,信号采集模块也主要使用DAQ各个子VI搭建,需要注意采样数和采样率的设定,此处的采样率决定了后期数据处理时可分析的最高谐波频率的上限。程序框图如下: 图10 信号采集模块的程序框图4.5初始化模块初始化模块

8、主要对程序中需要初始化的部分进行初始化,同时它还可以在采样频率等输入信息缺失时,设置其为默认值。此处采样频率默认值为6800Hz,采样点数默认值为680。 图11 程序初始化框图5 软件仿真5.1波形发生例如:若设置采样率为4000Hz,采样点数设为2000(即每次采集0.5秒的数据;基波幅值设为1V,频率5Hz,基波相位差为90度;叠加均匀白噪声的幅值为0.1V;叠加3次谐波的占有率2为0.2。(该设置后成为事例1则波形设置和输出的波形如下:2谐波占有率:该次谐波幅值与基波幅值之比 图12波形设置(事例1 图13输出波形(事例1 5.2测量结果5.2.1 基波分析在以上事例的设置条件下,基波

9、分析的结果如下: 图14 基波分析结果(事例1在有三次、五次谐波和噪声的情况下,用基于谐波分析的方法计算得基波频率为5.005Hz,用相关法测得相位差为87.1002度。该情况下,三次谐波占有率达到20%,五次谐波占有率达到10%,噪声幅值与基波幅值之比为0.1。基波频率测量的误差为(5.005-5 /5*100%=0.5%,由此看来,该测量基波频率的方法具有较高测量精度。相位差测量误差为(90-87.1002/90*100%=3.222%,由此看来,该测量相位差的方法测量精度较低,通过对比其他方法,发现该方法相对精度已经比较高了,这说明相位差测量比基波频率测量受谐波和噪声的影响更大。另外,通

10、过对比分析后的波形图与产生的波形图,可以发现分析结果较理想。图12中基波信号与图10基波信号幅值、频率近似一致。 图15 基波分析-剩余信号(事例1此时,剩余信号为噪声信号和谐波的叠加,若关闭设置中的噪声信号,使得剩余信号只有谐波信号,将之与图10中谐波信号对比,亦可观察到波形几乎一致。5.2.2 谐波分析在以上事例的设置条件下,谐波分析的结果如下: 图16 谐波分析结果(事例1观察发现,信号中主要含有的谐波次数较低,可将分析的最高谐波频率设定为100Hz。分析结果如下: 图17谐波分析结果(事例1由上图可已看出谐波分析结果:基波幅值为1V(设定值为1V,3次谐波幅值为0.195V (设定0.

11、2V,五次谐波幅值为0.099V(设定0.1V,还有极少量的其他次谐波(主要受噪声影响。可见谐波分析结果的误差较小,测量精确较高。6 试验情况搭建好硬件平台,进行软硬件联合调试。例如:若设置采样率为4000Hz,采样点数设为2000(即每次采集0.5秒的数据;基波幅值设为1V,频率50Hz,基波相位差为90度;叠加均匀白噪声的幅值为0.1V;叠加3次谐波的占有率为0.2,叠加5次谐波的占有率为0.1。(该设置后成为事例2波形设置和输出的波形如下: 图18波形设置(事例2经过模拟输出和信号采集,采集到的信号如下:Labview 课程设计结题报告 图 19 采集到的波形（事例 2） 基波分析结果如

12、下： 图 20 基波分析结果（事例 2） 测得频率为 49.998Hz，相位差 Labview 课程设计结题报告 在有三次、五次谐波和噪声的情况下，用基于谐波分析的方法计算得基波频率为 49.998Hz，用相关法测得相位差为 86.96 度。该情况下，三次谐波占有率达到 20%，五次谐 波占有率达到 10%，噪声幅值与基波幅值之比为 0.1。基波频率测量的误差为（50.0-49.998） /50*100%=0.004%，经实测检验（应该再多测几次） ，该测量基波频率的方法具有相当高的测 量精度。相位差测量误差为（90-86.96）/90*100%=3.378%，经实测检验，实测结果与软件 仿真结果一直，测量相位差的方法具有一定精度，但不如测量频率的精度高，这说明相位差 测量比基波频率测量受谐波和噪声的影响更大。 谐波分析结果如下： 图 21 谐波分析结果（事例 2） 测得较为明显的谐波有：三次谐波幅值约为 0.2V，五次谐波幅值约为 0.1V，与设定值 近似相等，说明谐波分析所采用的方法精度较高。 7 小结 参 考 文 献 1 王艳霞