用虛擬相關(guān)法測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻信號(hào)的相位差

1、虛擬相關(guān)法相位差計(jì)的設(shè)計(jì)摘 要傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器功能單一，多功能虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術(shù)的發(fā)展方向。利用Labview設(shè)計(jì)一種利用虛擬相關(guān)法測(cè)量相位差計(jì)的虛擬儀器，該儀器以測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻正弦波的相位差為基本功能，具備了測(cè)量信號(hào)頻率，顯示信號(hào)波形、相位差和產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)等功能，體現(xiàn)了虛擬儀器高集成度，一機(jī)多用的特點(diǎn)。本題目屬于應(yīng)用類(lèi)，設(shè)計(jì)主要內(nèi)容利用互相關(guān)分析法實(shí)現(xiàn)相位差檢測(cè)，在虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)上仿真實(shí)現(xiàn)，結(jié)合原理和公式進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算分析，充分利用了Labview的性能。關(guān)鍵詞：相關(guān)法、相位差，虛擬儀器目 錄虛擬相關(guān)法相位差計(jì)的設(shè)計(jì)11 引言42 相位差測(cè)量?jī)x的概述42.1 相位差的定義42.2 相位差測(cè)量?jī)x

2、的應(yīng)用43 Labview軟件簡(jiǎn)介53.1 Labview概述53.2 Labview的應(yīng)用53.2.1 Labview應(yīng)用于測(cè)試于測(cè)量63.2.2 Labview應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究與自動(dòng)化64 相位差測(cè)量方法原理簡(jiǎn)介64.1 相關(guān)法相位差測(cè)量相位差原理65 相位差計(jì)設(shè)計(jì)75.1 設(shè)計(jì)要求75.3 Labview平臺(tái)下軟件的實(shí)現(xiàn)85.4 子模塊(VI)設(shè)計(jì)105.5 相位差計(jì)設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果11結(jié) 論14參考文獻(xiàn)151 引言信號(hào)的相位差測(cè)量在電工技術(shù)，工業(yè)自動(dòng)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。傳統(tǒng)電子模擬式相位差測(cè)量采用乘法器法，二極管鑒相法等，需要完成對(duì)應(yīng)的硬件電路。電路的溫

3、漂，噪聲級(jí)干擾信號(hào)，都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。因此，傳統(tǒng)的相位差檢測(cè)方法正逐漸被軟件測(cè)量方法所替代，通過(guò)軟件算法來(lái)消除溫漂、噪聲及干擾信號(hào)的影響，使測(cè)量結(jié)果更加精確。2 相位差測(cè)量?jī)x的概述2.1 相位差的定義相位差：兩個(gè)頻率相同的交流電相位的差叫做相位差，或者叫相差。這兩個(gè)頻率相同的交流電，可以是兩個(gè)交流電流，可以是兩個(gè)交流電壓，可以是兩個(gè)交流電動(dòng)勢(shì)，也可以是這三種量中的任何兩個(gè)。例如研究加在電路上的交流電壓和通過(guò)這個(gè)電路的交流電流的相位差，如果電路是純電阻，那么交流電壓和交流電流的相位差等于零，也就是說(shuō)交流電壓等于零的時(shí)候，交流電流也等于零，交流電壓達(dá)到最大值時(shí)，交流電流也將達(dá)到最大值。這種

4、情況叫做同相位，或者叫做同相。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(shuō)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。加在晶體管放大器基極上的交流電壓和從集電極輸出的交流電壓，這兩者的相位差正好等于180，這種情況叫做反相位，或者叫做反相。2.2 相位差測(cè)量?jī)x的應(yīng)用信號(hào)的相位差測(cè)量?jī)x在電工技術(shù)，工業(yè)自動(dòng)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(jì)算機(jī)和軟硬件的日益發(fā)展。在測(cè)試系統(tǒng)中越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用，比如在實(shí)際工作中，常常會(huì)遇到兩列頻率相同的信號(hào)之間存在相位差，那么就需要測(cè)量他們之間的相位差，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時(shí)，要求兩電網(wǎng)的電信號(hào)

5、之間的相位相同，這時(shí)要精確測(cè)量?jī)闪泄ゎl信號(hào)之間的相位差。相位差測(cè)量在動(dòng)態(tài)測(cè)試，如振動(dòng)和噪聲控制、傳感器的校準(zhǔn)，以及超聲測(cè)距和成像等領(lǐng)域越來(lái)越重要。3 Labview軟件簡(jiǎn)介隨著測(cè)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(cè)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(cè)試技術(shù)帶來(lái)了一場(chǎng)革命，從單臺(tái)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(gè)人計(jì)算機(jī)為核心構(gòu)成通用測(cè)試平臺(tái)、功能模塊及軟件包形式的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)正向儀器的自動(dòng)化、智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化方向發(fā)展。所謂虛擬儀器(V

6、irtual Intrument，簡(jiǎn)稱(chēng)VI)，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，利用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)的屏幕上虛擬出儀器的面板以及相應(yīng)的功能，人們通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)操作虛擬儀器面板的上旋鈕、開(kāi)關(guān)和按鍵，去選用儀器功能，設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動(dòng)或停止一臺(tái)儀器的工作。在計(jì)算機(jī)軟件控制下對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行采集、分析、處理、測(cè)試量結(jié)果(數(shù)據(jù)、波形)和儀器工作狀態(tài)都可從虛擬儀器面板上讀出。用戶在屏幕上通過(guò)虛擬儀器面板對(duì)儀器的操作如同在真實(shí)儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。3.1 Labview概述Labview是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument E

7、ngineering Workbench)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過(guò)程監(jiān)控和自動(dòng)測(cè)試是實(shí)驗(yàn)室研究核工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛存在的實(shí)際任務(wù)。在20世紀(jì)80年代初計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，幾乎所有擁有程控儀器的實(shí)驗(yàn)室都采用貴重的儀器控制器來(lái)控制測(cè)試系統(tǒng)，這些功能單一、價(jià)格昂貴的儀器控制器通過(guò)一個(gè)集成通訊端口來(lái)控制總線儀器。后來(lái)，隨著PC機(jī)的出現(xiàn)，工程師和科學(xué)家找到了一種通過(guò)性能價(jià)格比高的通用PC機(jī)控制臺(tái)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。3.2

8、 Labview的應(yīng)用Labview在包括航天、通訊、生物醫(yī)學(xué)、電子、地球物理、機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)試和工業(yè)自動(dòng)化，從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用Labview的成果和開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。3.2.1 Labview應(yīng)用于測(cè)試于測(cè)量Labview已成為測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)GPIB、VXI、PLC串行設(shè)備和插卡數(shù)據(jù)采集板可以構(gòu)成實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它提供了工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，同時(shí)還支持通過(guò)Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開(kāi)發(fā)工具使復(fù)雜的測(cè)試與測(cè)量任務(wù)變得簡(jiǎn)單易

9、行。3.2.2 Labview應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究與自動(dòng)化Labview為科學(xué)家和工程師提供功能強(qiáng)大的高級(jí)數(shù)學(xué)分析庫(kù)，包括統(tǒng)計(jì)、估算、回歸分析、線性代數(shù)、信號(hào)生成算法、時(shí)域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿足各種計(jì)算機(jī)和分析需要。即使在聯(lián)合時(shí)域分析、小波和數(shù)字濾波器設(shè)備等高級(jí)或特殊分析場(chǎng)合，Labview也為此提供專(zhuān)門(mén)的附加軟件包。4 相位差測(cè)量方法原理簡(jiǎn)介4.1 相關(guān)法相位差測(cè)量相位差原理1)根據(jù)互相關(guān)函數(shù)特性求出兩信號(hào)的初相位兩信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)不是偶函數(shù)，根據(jù)其定義可證明，此式說(shuō)明，互相關(guān)函數(shù)與兩信號(hào)的相位差和延時(shí)量有關(guān)，當(dāng)時(shí)，就只與兩信號(hào)的相位差有關(guān)?；诖丝汕蟪?，設(shè)。式中A，B分別是被測(cè)信號(hào)的

10、幅值，就是兩信號(hào)之間的相位差，根據(jù)相關(guān)函數(shù)的定義的估計(jì)值為：當(dāng)時(shí)，有上式中第2項(xiàng)的積分為零，所以有：由此可求出兩信號(hào)的相位差為：或式中A、B可由自相關(guān)函數(shù)求出。2)互相關(guān)函數(shù)的離散表達(dá)式當(dāng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理時(shí)，必須對(duì)北側(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣，連續(xù)信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間序列。連續(xù)信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間序列。計(jì)算相關(guān)函數(shù)的積分表達(dá)式變?yōu)榍蠛褪剑杀硎緸椋菏街衚為采樣點(diǎn)數(shù)。5 相位差計(jì)設(shè)計(jì)5.1 設(shè)計(jì)要求功能描述：采用“信號(hào)生成”子選板中“正弦波”函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩個(gè)正弦波信號(hào)的頻率、幅值、相位、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣周期數(shù)都可選擇設(shè)定，并顯示相關(guān)計(jì)算結(jié)果。該相關(guān)法相位差仿真測(cè)量?jī)x，可觀察已知幅值A(chǔ)、B的兩個(gè)同頻正弦波仿真信號(hào)x(

11、t)與y(t)的相位差。 可測(cè)相位差的數(shù)值范圍為0360。 信號(hào)的幅度范圍為0.15.0 V。 兩個(gè)信號(hào)的頻率范圍為0.1 Hz10 kHz。 在同一“波形圖”控件中先是兩個(gè)波形，并以“數(shù)值”顯示框型控件顯示相位差，保留兩位小數(shù)。5.2 相位差計(jì)主程序流程圖本程序核心是實(shí)現(xiàn)對(duì)的計(jì)算，其中需要調(diào)用計(jì)算的子程序，而在Labview平臺(tái)上，計(jì)算的子程序均可以直接從函數(shù)庫(kù)中調(diào)用源碼模塊，無(wú)需手工編寫(xiě)，主程序的流程圖如圖1所示：圖1 相關(guān)法設(shè)計(jì)測(cè)量相位差的主流程圖5.3 Labview平臺(tái)下軟件的實(shí)現(xiàn)虛擬相位差計(jì)有軟件控制信號(hào)的采集，并進(jìn)行處理和結(jié)果顯示。軟件的設(shè)計(jì)可分為3個(gè)模塊操作，分別是：數(shù)據(jù)采集模

12、塊、相關(guān)函數(shù)計(jì)算模塊、波形和數(shù)據(jù)顯示模塊，由于數(shù)據(jù)采集子VI與具體的采集板(卡)有關(guān)，在次用Labview自帶的信號(hào)發(fā)生器模擬采集到的信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器的節(jié)點(diǎn)位置在：Function-Signal-Procession-Signal Generation-Sine-Pattern.vi，這里也可以用任意信號(hào)波形發(fā)生器來(lái)代替。設(shè)計(jì)完成后的儀器前面板見(jiàn)圖2，在儀器的前面板中可模擬真實(shí)儀器，用鼠標(biāo)任意更改2個(gè)波形的幅值、初始相位、周期和采樣點(diǎn)數(shù)等，然后運(yùn)行即可顯示波形和相位差。在設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)算公式稍有不同，從數(shù)組序列取出時(shí)，不是對(duì)應(yīng)處。例如：當(dāng)采樣

13、點(diǎn)數(shù)為101時(shí)，對(duì)應(yīng)的的點(diǎn)應(yīng)是，在框圖中應(yīng)作相應(yīng)處理。圖2 虛擬相關(guān)分析法相位差的前面板以下是相關(guān)法測(cè)量相位差的程序框圖，如圖3所示，先放置兩個(gè)同頻正弦波信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生波形，在后面再放置一個(gè)互相關(guān)函數(shù)處理器用來(lái)計(jì)算它們各自的相關(guān)函數(shù)，之后根據(jù)相關(guān)法原理和相位差從弧度轉(zhuǎn)化為角度表示法等一系列計(jì)算得到顯示值在前面板輸出。圖3 虛擬相關(guān)分析法相位差程序框圖5.4 子模塊(VI)設(shè)計(jì)1)基本函數(shù)發(fā)生器根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用“信號(hào)生成”子選板“正弦波”函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖4圖4 正弦波 VI限于篇幅，其詳細(xì)信息不作介紹，可查閱Labview幫助。2)正弦波相位、幅值以及采樣點(diǎn)數(shù)的輸入，如圖5圖5 波形屬性

14、設(shè)定3)互相關(guān)函數(shù)其中，X是第一個(gè)輸入序列，Y是第二個(gè)輸入序列。算法指定使用的相關(guān)方法。算法的值為direct時(shí)，VI使用線性卷積的direct方法計(jì)算互相關(guān)；如算法為frequency domain，VI使用基于FFT的方法計(jì)算互相關(guān)。 如X和Y較小，direct方法通常更快。如X和Y較大，frequency domain方法通常更快。此外，兩個(gè)方法數(shù)值上存在微小的差異。 在此，采用默認(rèn)算法。如圖6圖6 相關(guān)函數(shù)4)反余弦運(yùn)算根據(jù)相關(guān)法原理，其相位差，所以需要利用反余弦函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。如圖7圖7 反余弦函數(shù)5)弧度轉(zhuǎn)化為角度，并用數(shù)值顯示根據(jù)轉(zhuǎn)換公式：。如圖8圖8 相位差0360顯示5.5 相

15、位差計(jì)設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果1) A、B的兩個(gè)同頻正弦波信號(hào)的頻率、幅值以及采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置。如圖9圖9 相位差計(jì)輸入數(shù)值設(shè)定2)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù) 圖10 相位差為50的測(cè)試數(shù)據(jù)3)數(shù)據(jù)分析根據(jù)采樣定理：采樣頻率必須大于被采樣信號(hào)帶寬的兩倍，另外一種等同的說(shuō)法是奈奎斯特頻率必須大于被采樣信號(hào)的帶寬。即。采樣頻率直接影響到相位差計(jì)的精度和波形的顯示。如圖11、圖12和圖13所示：圖11 采樣頻率=200Hz,采樣點(diǎn)數(shù)=10圖12 采樣頻率=1000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)=50圖13 采樣頻率=1500Hz，采樣點(diǎn)數(shù)=100 圖14 采樣頻率=2000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)=100結(jié)合原理、通過(guò)觀測(cè)顯示圖11、12、1

16、3和14，并公式計(jì)算，得出當(dāng)采樣頻率遠(yuǎn)大于被抽取信號(hào)的最高頻率兩倍時(shí)，相位差計(jì)的精度和顯示的波形效果最好，即。4)性能分析該設(shè)計(jì)利用相關(guān)法的優(yōu)勢(shì)在于精確度高，特別適用于電網(wǎng)信號(hào)受到較大干擾的情況下。同時(shí)可以準(zhǔn)確的測(cè)出兩個(gè)同頻正弦波0360、幅值0.15.0 V、頻率0.1 Hz10 kHz之間的相位差以及幅度差測(cè)量，符合設(shè)計(jì)要求。該軟件界面操作簡(jiǎn)易，編程方法簡(jiǎn)單易懂，設(shè)計(jì)出的相位差計(jì)非常實(shí)用，更有利于數(shù)據(jù)分析。結(jié) 論此課題設(shè)計(jì)結(jié)合了在虛擬儀器中較為簡(jiǎn)單直觀的圖形化編程工具Labview，經(jīng)過(guò)這一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，已經(jīng)基本上掌握了Labview各個(gè)模塊的基本功能并最終根據(jù)相關(guān)法的原理以及其它算法公式。將Labview中可能用到的模塊結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生這種虛擬相關(guān)法的相位差測(cè)量?jī)x的程序框圖。設(shè)計(jì)過(guò)程中，在Labview強(qiáng)大的圖形顯示界面平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了相位差的測(cè)量，對(duì)虛擬儀器的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深。由于其以PC機(jī)為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過(guò)程不必像過(guò)去那樣由測(cè)試儀器本身來(lái)完成，而是在軟件的支持下，利用PC機(jī)和CPU強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來(lái)完成，使得基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度、速度大為提高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、多任務(wù)測(cè)量。并可方便地存儲(chǔ)和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式豐富多樣。虛擬儀器在較高性?xún)r(jià)比的條件下，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)的費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。本次設(shè)計(jì)只是一個(gè)仿真實(shí)現(xiàn)的課題