通信工程畢業(yè)設(shè)計-基于虛擬儀器實(shí)施相位測量儀的設(shè)計(存儲版)

　　

【正文】 成度，一機(jī)多用的特點(diǎn)。 Phase difference。動態(tài)相位測量技術(shù)與斷續(xù)信號相位測量技術(shù)已經(jīng)用于海洋生物和海底資源的探測。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的 軟件 來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 研究目標(biāo) 基于 Labview開發(fā)平臺設(shè)計出一種相位測量儀，從而實(shí)現(xiàn)測量兩個信號的相位差的測量并校驗(yàn)測量結(jié)果，它的特點(diǎn)比傳統(tǒng)的單一相位測量儀多出顯示信號的波形，幅度等功能，從而更直觀簡潔的現(xiàn)實(shí)測量結(jié)果 。 比如 正弦交流電流，它的公式是 i=Isin2π ft。這種情況叫做同相位，或者叫做同相。 （ 4）采用高精度相位測量設(shè)備，通過相位輸出信號，利用橋路與輸入信號相位進(jìn)行比較，從而測量出相位。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)和國防的重要特點(diǎn)之一，就是要進(jìn)行大量的觀測沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 和統(tǒng)計。電子測量能工作在這樣寬的頻率范圍，因此它的應(yīng)用范圍很廣泛。電子計數(shù)器的量程更寬，其頻率范圍可達(dá) 17 個數(shù)量級。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對測量過程和測量數(shù)據(jù)處理的速度都提出了越來越高的要求。測量的速度和準(zhǔn)確度也有很大的 提高。 第二代測量儀器的數(shù)字式儀器，它具有遠(yuǎn)較模擬式儀器為高的測量精度與響應(yīng)速度。而目前仍很普遍使用的第一、二代測量儀器具有功能單一，彼此不兼容，不能共享硬件和軟件組織，不能將所得到的測量結(jié)果在計算機(jī)中進(jìn)行微處理的缺點(diǎn)。 （ 3） 儲存、顯示或輸出：將處理后的數(shù)據(jù)存儲、顯示或經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。一塊卡可以完成 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入輸出、計數(shù)器 /定時器等多種功能，在配以相應(yīng)的信號調(diào)理電路組件，即可構(gòu)成能生成各種虛擬儀器的硬件平臺。 虛擬儀器的出現(xiàn)，擴(kuò)展了電子測量的概念。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 Labview 概述 Labview 軟件簡介 隨著測試技術(shù)及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電子測試儀器 已從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)發(fā)展；虛擬儀器的出現(xiàn)給現(xiàn)代測試技術(shù)帶來了一場革命，從單臺儀器向多種功能儀器的組合及系統(tǒng)型發(fā)展，從完全由硬件實(shí)現(xiàn)儀器功能向軟硬結(jié)合方向發(fā)展，從功能組合向以個人計算機(jī)為核心構(gòu)成通用測試平臺、功能模塊及軟件包形式的自動測試系統(tǒng)發(fā)展。后來，隨著 PC 機(jī)沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 的出現(xiàn)，工程師和科學(xué)家找到了一種通過性能價格比高的通用 PC 機(jī)控制臺式儀器的方法，各種基于 PC 機(jī)接口的板卡產(chǎn)品便應(yīng)運(yùn)而生。 (3) Labview 應(yīng)用于仿真 Labview 包含了多種多樣的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，特別適合進(jìn)行模擬、仿真、原型設(shè)計等工作。 1986 年美國 NI 公司首次提出了虛擬儀器的概念 ,并開發(fā)了以此概念為基礎(chǔ)的基于 C 語言 的虛擬儀器開發(fā)平臺 Labview/CVI 系統(tǒng)。連續(xù)信號 )(ty 變?yōu)殡x散時間序列1,2,1,0),( ?? knny ?。 過零法即通過判斷兩同頻率信號過 零點(diǎn)時刻，計算其時間差，然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的相位差。 此方法基于聯(lián)系信號離散化處理的離散傅立葉變換（ DFT）。 ③ 兩個信號的頻率范圍為 Hz～ 10 kHz。 在設(shè)計過程中，還應(yīng)當(dāng)注意， Labview 中使用的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)計算公式稍有不同，從數(shù)組序列取出 )0(^),0(^),0(^ xyRyRxR 時，不是對應(yīng) 0?k 處。算法的值為 direct 時， VI 使用線性卷積的 direct 方法計算互相關(guān)；如算法為frequency domain， VI 使用基于 FFT 的方法計算互相關(guān)。 圖 49 相位差 0～ 360176。同時可以準(zhǔn)確的測出兩個同頻正弦波 0～ 360176。 圖 420 相位差計輸入數(shù)值設(shè)定 2)測試結(jié)果數(shù)據(jù) 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 圖 421 相位差為 50176。將 Labview 中可能用到的模塊結(jié)合起來產(chǎn)生這種虛擬相關(guān)法的相位差測量儀的程序框圖。采用過零點(diǎn)法處理信號的相位，由于存在過零點(diǎn)的判斷誤差，適用于信號幅值較大，采樣頻率高的場合。本文在完成之際，首先要向我的導(dǎo)師趙柏山老師致以誠摯的謝意。 感謝我的爸爸媽媽。但愿大家在以后的日子里開開心心，順順利利。如果設(shè)計中采用，那么設(shè)計中輸入的采集點(diǎn)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(shè)計的一個缺陷。通過對原理框圖的構(gòu)造和 Labview 軟件的學(xué)習(xí)，最終成功的實(shí)現(xiàn)了相位差計的設(shè)計。此外隨著信號頻率的增加，必須考慮噪聲的影響，先關(guān)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(yōu)點(diǎn)。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 圖 419 條件結(jié)構(gòu) 條件結(jié)構(gòu)用來判斷是否是半個周期的零點(diǎn) 。 如圖 41圖 413 和圖 414 所示： 圖 412 采樣頻率 =200Hz,采樣點(diǎn)數(shù) =10 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 413 采樣頻率 =1000Hz，采樣點(diǎn)數(shù) =50 圖 414 采樣頻率 1500HZ，采樣點(diǎn)數(shù) 100 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圖 415 采樣頻率 =2021Hz，采樣點(diǎn)數(shù) =100 結(jié)合原 理、通過觀測顯示圖 41 41 414 和 415，并公式計算，得出當(dāng)采樣頻率遠(yuǎn)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?? 。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 48 反余弦函數(shù) 5)弧度轉(zhuǎn)化為角度，并用數(shù)值顯示 。 圖 46 波形屬性設(shè)定 3)互相關(guān)函數(shù) 其中， X 是第一個輸入序列， Y 是第二個輸入序列。虛擬示波器前面板如圖 42。 ① 可測相位差的數(shù)值范圍為 0～ 360176。 FFT 頻譜分析法原理 FFT 法求相位差，即對信號進(jìn)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。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 過零點(diǎn)法 過零點(diǎn)發(fā)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(zhuǎn)換為相位差。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(jù)相關(guān)函數(shù)的定義 )(^ ?xyR 的估計值為： 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 dtttBATtytxTxyR TT ?? ????? 00 ])s i n[(s i n1)()(1)(^ ?????? （ 31） 當(dāng) 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(xiàng)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(guān)函數(shù)求出。由于軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，在虛擬儀器中，用戶可以自已設(shè)計或定義新的理論和新的算法來適應(yīng)不同的測量需求，儀器的功能更加靈活、 強(qiáng)大 ,且很容易同網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其它應(yīng)用連接，可很快更新所設(shè)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(hù)費(fèi)用。除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應(yīng)的 Labview 驅(qū)動程序。 數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動測試是實(shí)驗(yàn)室研究核工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛存在的實(shí)際任務(wù)。 虛擬儀器在電子測量領(lǐng)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(diào)用不同的軟件模塊，就可以完成多種儀器的測量功能。改變了過去傳統(tǒng)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(fā)展。這樣就擺脫由傳統(tǒng)硬件構(gòu)成一件件儀器然后在連成系統(tǒng)的模式，而變成由計算機(jī)、 A/D 及 D/A 等帶共性硬件資源和應(yīng)用軟件共同組成的虛擬儀器系統(tǒng)新的概念。 比較與差異 考察任何一臺傳統(tǒng)的只能儀器，都可以將其分解成以下三個部分： （ 1） 數(shù)據(jù)的采集：將輸入的模擬信號波形進(jìn)行調(diào)理，并經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以待處理。智能儀器以微電子器件代替常規(guī)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(yōu)化控制等功能，甚至具有輔助專家進(jìn)行推斷分析決策的能力。這類儀器儀表顯示部分的幾本結(jié)構(gòu)是電磁式結(jié)構(gòu)，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(jié)果。現(xiàn)在隨著計算機(jī)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(fā)生很大的飛躍，是它具有高性能、更多功能、智能的特點(diǎn)。 （ 4） 測量速度快 電子測量是由于是通過電子運(yùn)動和電磁波的傳播來進(jìn)行工作的，因此具有其他測量方法通常無法類比的高速度。同一臺電子測量儀器，經(jīng)常能做到量程很寬。這也就是使得電子測量技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中具有不可代替的重要作用。 測量是揭示客觀世界規(guī)律 ，用數(shù)字語言描述周圍世界。 （ 2）采用新器件及設(shè)計方法提高相位測量精度及展寬工作頻率范圍。這兩個頻率相同的交流電，可以是兩個交流電流，可以是兩個交流電壓，可以是兩個交流電動勢，也可以是這三種量中的任何兩個。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 相位測量儀的概述 相位的定義 相位是反映交流電任何時刻的狀態(tài)的物理量。電 路的溫漂，噪聲級干擾信號，都會導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。隨著科學(xué)的發(fā)展，相位測量也在不斷的發(fā)展和完善。如：微厚度的精密測量，微震動的精密測量等。 關(guān)鍵詞：相關(guān)法；相位差；虛擬儀器； LABVIEW II Abstract There are a lot of methods for measuring phase. Can be roughly divided into two kinds of simulation method and digital method： The simulation method is first to multiple phase difference pulse points will be given. And then calculate the pulse width of the multiple phase difference. Take again for average phase but the circuit plexity。利用計算機(jī)和高速采集卡進(jìn)行相位側(cè)鏈不僅具有更大的靈活性，而且采用虛擬儀器技術(shù)可以有效地避免測量過程中由于溫漂、噪音及干擾信號的影響，從而使結(jié)果更加準(zhǔn)確。 畢業(yè)設(shè)計題目： 畢業(yè)設(shè)計說明書共 頁，設(shè)計圖紙 張。 虛擬儀器技術(shù) 就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的 軟件 來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。 the virtual instrument。也可以用于其他領(lǐng)域。靈活高效的軟件能 幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求。 工作內(nèi)容 基于上述研究目標(biāo)本人在整個設(shè)計過程中所做的工作有 （ 1）查閱資料了解相位、相位差的概念及意義； （ 2）查閱資料 了解相位測量的方法； （ 3）查閱資料并初步撰寫開題報告； （ 4）進(jìn)行外文翻譯工作； （ 5）查閱資料學(xué)習(xí) labview軟件； （ 6）選擇并學(xué)習(xí)測量相位差的方法，相關(guān)法和過零點(diǎn)法； （ 7）設(shè)計系統(tǒng)程序，進(jìn)行前面板的設(shè)計； （ 8）系統(tǒng)功能分析，完成后面板的模塊的選取并進(jìn)行組建； （ 9）進(jìn)行系統(tǒng)功能模塊的劃分，測量儀器，實(shí)現(xiàn)模塊功能； （ 10）完成總模塊的功能并進(jìn)行檢驗(yàn)； （ 11）對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試； 論文結(jié)構(gòu) 第一章為緒論，主要介紹各個原理的基礎(chǔ)，概念，定義以及應(yīng)用與所用到軟件 labview的簡介概述以及應(yīng)用 。 i 是交流電 流的瞬時值，I 是交流電流的最大值， f 是交流電的頻率， t 是時間。如果電路含有電感和電容，交流電壓和交流電流一般是不等于零的，也就是說一般是不同相的，或者電壓超前于電流，或者是電流超前于電壓。 相位差測量儀的應(yīng)用 信號的相位差測量儀在電工技術(shù)，工業(yè)自動化，智能控制，通訊及電子技術(shù)等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，隨著計算機(jī)和軟硬件的日益發(fā)展。提高測量水平，降低測量成本，減少測量誤差，