通信工程畢業設計-基于虛擬儀器實施相位測量儀的設計(文件)

　

【正文】 行遙測，而且可以在被測對象正常工作的情況下進行現場測量，這就擴大了人類用測量的方法定量的認識世界的范圍。現在隨著計算機功能的不斷提高和成本的不斷降低，就可以在不增加儀器體積和不明顯增加成本的情況下，使儀器的性能發生很大的飛躍，是它具有高性能、更多功能、智能的特點。大到天文觀測、宇宙航天，小到物質結構、基本粒子；從復雜深奧的生命、細胞、遺傳問題到日常的工農業生產、醫學、商業各部門，越來越多的采用了電子測量技術和設備。這類儀器儀表顯示部分的幾本結構是電磁式結構，它利用電磁測量原理，通過指針的移動或電子束的便宜來顯示最終測量結果。今天數字化儀器儀表的增長速度已遠遠超過了模擬式儀器儀表。智能儀器以微電子器件代替常規電子線路，以微處理器為核心，具有信息采集、顯示、處理、傳輸及優化控制等功能，甚至具有輔助專家進行推斷分析決策的能力。與此相對，基于計算機技術的智能儀器能夠有效的降低測試、測量系統的成本，共享測試系統的硬件和軟件，提高開發效率，成為測試系統與測量儀器的發展方向。 比較與差異 考察任何一臺傳統的只能儀器，都可以將其分解成以下三個部分： （ 1） 數據的采集：將輸入的模擬信號波形進行調理，并經 A/D 轉換成數字信號以待處理。而虛擬儀器是將具有上述一種或多種功能的通用模塊組合起來，通過編制不同的測試軟件來構成任何一種儀器，而不是某幾種儀器。這樣就擺脫由傳統硬件構成一件件儀器然后在連成系統的模式，而變成由計算機、 A/D 及 D/A 等帶共性硬件資源和應用軟件共同組成的虛擬儀器系統新的概念。虛擬儀器是用戶自己定義的，用戶可以將各種計算機平臺、硬件、軟件和附備件結合起來，組裝成所需要的應用設備。改變了過去傳統儀器只能完成一種測量的弊病，集合多種儀器功能于一體，使儀器向多功能集成化方向發展。隨著新技術的發展，許多領域對電子測量提出了更高的要求。 虛擬儀器在電子測量領域的使用，可以大大降低測量成本，提高儀器的利用率，通過通用硬件平臺，調用不同的軟件模塊，就可以完成多種儀器的測量功能。 所謂虛擬儀器 (Virtual Intrument，簡稱 VI)，就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，利用虛擬儀器軟件開發平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板 以及相應的功能，人們通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板的上旋鈕、開關和按鍵，去選用儀器功能，設置各種工作參數，啟動或停止一臺儀器的工作。 數據采集、儀器控制、過程監控和自動測試是實驗室研究核工業自動化領域廣泛存在的實際任務。 (1) Labview 應用于測試于測量 Labview 已成為測試與測量領域的工業標準，通過 GPIB、 VXI、 PLC 串行設備和插卡數據采集板可以構成實際的數據采集系統。除此之外，工業控制領域常用的設備、數據線等通常也都帶有相應的 Labview 驅動程序。在高等教育領域，有時如果使用Labview 進行軟件模擬，就可以達到同樣的效果，使學生不致失去實踐的機會。由于軟件是虛擬儀器的關鍵，在虛擬儀器中，用戶可以自已設計或定義新的理論和新的算法來適應不同的測量需求，儀器的功能更加靈活、 強大 ,且很容易同網絡、外設及其它應用連接，可很快更新所設計的儀器，這樣不僅價格低，還能減少儀器的研制時間，降低儀器的維護費用。 由于釆用虛擬儀器技術 ,傳統的由硬件電路實現的相位測量方法有了重大突破，以下的相關法與過零點法具有測里結果準確度髙，抗干擾能力強等優點。式中 A， B 分別是被測信號 )(),( tytx 的幅值，? 就是兩信號之間的相位差，根據相關函數的定義 )(^ ?xyR 的估計值為： 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文） 13 dtttBATtytxTxyR TT ?? ????? 00 ])s i n[(s i n1)()(1)(^ ?????? （ 31） 當 0?? 時，有 dttBATtytxTxyR TT ?? ???? 00 )s i n(s i n1)()(1)(^ ????? （ 32） ?? ?? TT dtttABdttABT 00 2 )s i nc oss i nc oss i n(1 ????? 上式中第 2 項的積分為零，所以有： ???? c os2c oss i n1)(^ 0 2 ABdttABTxyR T ?? ? （ 33） 由此 可求出兩信號的相位差為： ABxyR )(^2cos ?? ? 或 ABxyR )(^2a rc c o s ?? ? （ 34） 式中 A、 B 可由 )(),( tytx 自相關函數求出。 相關法測量相位差的誤差來源很多，主要是由于量化誤差、噪聲干擾所引起的。 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文） 14 過零點法 過零點發是通過計算兩個或多個同頻信號過零時刻的時間差，再將時間轉換為相位差。 圖 31 兩同頻信號圖 相位差的計算公式為： 360????? Tt? 其中 t? 為過零點時差； T 為信號周期。 FFT 頻譜分析法原理 FFT 法求相位差，即對信號進行頻譜分析，獲得信號的相頻特性，兩信號的相差即主頻率處相位的差值，所以，這一方法是針對單一頻率信號的相差測量的。它要求所處理的數據總數為 2m，因此對采集的數據總數有要求，另外，要求采樣必須滿足采樣定理，否則發生頻譜混疊。 ① 可測相位差的數值范圍為 0～ 360176。 相關法相位設計程序主流程圖 本程序核心是實現對 ? 的計算，其中需要調用計算 )0(^),0(^),0(^ xyRyRxR的子程序，而在 Labview 平臺上，計算 )0(^),0(^),0(^ xyRyRxR 的子程序均可以直接從函數庫中調用源碼模塊，無需手工編寫，主程序的流程圖如圖 41 所示： 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文） 17 圖 41 相關法設計測量相位差的主流程圖 Labview 平臺下軟件的實現 虛擬相位差計有軟件控制信號的采集，并進行處理和結果顯示。虛擬示波器前面板如圖 42。 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文） 19 圖 43 虛擬相關分析法相位差的前面板 以下是相關 法測量相位差的程序框圖，如圖 44 所示，先放置兩個同頻正弦波信號發生器用來產生波形，在后面再放置一個互相關函數處理器用來計算它們各自的相關函數，之后根據相關法原理和相位差從弧度轉化為角度表示法等一系列計算得到顯示值在前面板輸出。 圖 46 波形屬性設定 3)互相關函數 其中， X 是第一個輸入序列， Y 是第二個輸入序列。如 X 和 Y 較大， frequency domain 方法通常更快。 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文） 21 圖 48 反余弦函數 5)弧度轉化為角度，并用數值顯示 。 圖 410 相位差計輸入數值設定 2)測試結果數據 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文） 22 圖 411 相位差為 50176。 如圖 41圖 413 和圖 414 所示： 圖 412 采樣頻率 =200Hz,采樣點數 =10 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文） 23 圖 413 采樣頻率 =1000Hz，采樣點數 =50 圖 414 采樣頻率 1500HZ，采樣點數 100 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文） 24 圖 415 采樣頻率 =2021Hz，采樣點數 =100 結合原 理、通過觀測顯示圖 41 41 414 和 415，并公式計算，得出當采樣頻率遠大于被抽取信號的最高頻率兩倍時，相位差計的精度和顯示的波形效果最好，即 hs ff 2?? 。該軟件界面操作簡易，編程方法簡單易懂，設計出的相位差計非常實用，更有利于數 據分析。 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文） 27 圖 419 條件結構 條件結構用來判斷是否是半個周期的零點 。 綜合分過零點發與虛擬相關法 采用過零點法處理信號的相位，由于存在過零點的判斷誤差，適用于信號幅值較大，采樣頻率高的場合。此外隨著信號頻率的增加，必須考慮噪聲的影響，先關分析法測量適用 于頻率較低的信號，特別是對于超低頻信號的測量具有其它測量方法不可比擬的優點。由于其以 PC 機為核心，使得許多數據處理的過程不必像過去那樣由測試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用 PC 機和CPU 強大的數據處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測試系統的測試精度、速度大為提高，可實現自動化、智能化、多任務測量。通過對原理框圖的構造和 Labview 軟件的學習，最終成功的實現了相位差計的設計。相關分析法對于采樣轉換的離散信號中的直流偏移、噪聲等干擾等具有很強的抑制能力。如果設計中采用，那么設計中輸入的采集點越多，采集頻率越大，那么兩信號之間的相位差就越精確，這也是本設計的一個缺陷。找老師多次詢問研究過程，并為我指點迷津，幫助我開拓思路，精心點撥、熱忱鼓勵。但愿大家在以后的日子里開開心心，順順利利。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成， 有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我虔誠的謝意！ 沈陽工業大學本科生畢業設計（論文） 34 參考文獻 [1 ] 劉樂善 ,葉濟忠 ,胡盛斌 . 微型接口技術及應用 . 武漢 :華中理工大學出版社 , 1993 (123320). 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