虛擬相位差測量儀的設(shè)計

中文摘要 I 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目： 虛擬相位差測量 儀的設(shè)計 學(xué) 院： 電氣 與電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名 ： 指導(dǎo)教師 ： 中文摘要 II 摘 要 本題目屬于應(yīng)用設(shè)計類，設(shè)計內(nèi)容包括：相位差檢測的方法（相關(guān)分析法、頻譜分析法、過零檢測法等）研究；多種方法在虛擬儀器設(shè)計平臺上的仿真實現(xiàn)；采用各種方法的虛擬相位差測量 儀的分析比較。 論文采用三種方法中的前兩種，比較兩種方法設(shè)計成的仿真儀在測量波形相位差的精度和程序上的不同，通過相關(guān)資料了解它們在實際運用中各自的適用場所及其優(yōu)缺點。充分了解虛擬儀器特別是 LABVIEW 的功能強大性。 論文的第一部分是對虛擬儀器，主要是虛擬儀器的大體介紹和相位差測量儀的在工業(yè)上的應(yīng)用；第二部分主要是對 LABVIEW 的簡介和其運行的環(huán)境的概述；第三部分主要講述本次課程設(shè)計中要用到 LABVIEW 中的功能函數(shù)以及相關(guān)法、頻譜分析法等相位差測量方法原理；第四部分則列出本次課程設(shè)計要用到的 LABVIEW 的內(nèi)容及各種方法在 LABVIEW 平臺下的實現(xiàn)。最后是對本次設(shè)計的總結(jié)。 關(guān)鍵詞 ： 相關(guān)法、頻譜分析法、過零檢測法、相位計英文摘要 III Abstract The topic is application design category, design elements include: phase difference detection method (correlation analysis, spectrum analysis, zero-crossing detection, etc.); various methods in the design of virtual instrument platform Simulation; using various methods of virtual phase meter analyzed. Papers using three methods of the former two. Comparing the two methods designed instrument in the simulation waveform measurement accuracy and the phase difference of the different procedures, through the relevant information on the practical application of their respective places of application and their advantages and disadvantages. Fully aware of virtual instruments, especially LABVIEW powerful nature. Among the first part of the virtual instrument, is the main design of this phase difference measuring instrument of industrial applications; The second part was to brief the Labview and its operating environment overview; The third part mainly on the current curriculum design, the use of related laws, such as spectrum analysis phase difference measurement principle; Part IV sets out the course of the design LABVIEW use of the content and methods in LABVIEW Platform achieved. Keywords: correlation, spectrum analysis, zero-crossing detection, phasemeter 目 錄 IV 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT（英文摘要） . .III 目 錄. .IIII 第一章 引 言 . . 1 1.1 高效的軟件 . . 1 1.2 模塊 化的 I/O 硬件 . . 2 1.3 用于集成的軟硬件平臺 . . 2 第二章 相位差測量儀的概述 . . 5 2.1 相位差的定義 . . 5 2.2 相位差測量儀的應(yīng)用 . . 5 第三章 編程軟件 LABVIEW 的簡介 . . 5 3.1 LABVIEW 的概述 . . 6 3.2 LABVIEW 的應(yīng)用 . 7 3.2.1 LABVIEW 應(yīng)用于測試與測量 . 7 3.2.2 LABVIEW 應(yīng)用于過程控制和工業(yè) 自動化 . 7 3.2.3 LABVIEW 應(yīng)用于實驗室研究與自動化 . 7 3.3 LABVIEW 的編程環(huán)境 . 8 第四章 相位差測量方法原理簡介 . 10 4.1 相關(guān)法測量相位差原理 . 10 4.2 頻譜分析法測量相位差原理 . 12 4.3 零點檢測法測量相位差原理 . . 13 第五章 測量相位差方法在 LABVIEW 中的應(yīng)用 . . 15 5.1 設(shè)計中常用控件功能簡介 . 15 5.1.1 數(shù)據(jù)類型 . 15 目 錄 V 5.1.2 結(jié)構(gòu) . 15 5.1.3 數(shù)學(xué)運算 . 18 5.1.4 比較運算 . 18 5.1.5 簇 . 20 5.1.6 波形顯示控件 . 21 5.2 基于相關(guān)原理的虛擬相位差的設(shè)計 . 23 5.2.1 基于 相關(guān)法虛擬相位差計主程序流程圖 . 23 5.2.2 LABVIEW 平臺下軟件的實現(xiàn) . 23 5.3 利用 FFT 函數(shù)的相位計簡單設(shè)計 . 25 5.4 基于頻譜分析原理的虛擬相位差的設(shè)計 . 27 5.4.1 虛擬頻譜分析法測量相位差計的實現(xiàn) . . 27 5.4.2 虛擬頻譜分析法測量相位差存在的問題及解決方法 . . 30 5.5 各種測量方法的比較 . 31 結(jié)論 . . 32 參 考文獻 . . 34 致 謝及聲明 . . 35 附圖（ 頻譜分析法的程序框圖 ） 第一章 引言 - 1 - 第一章 引言 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。傳統(tǒng)電子模擬式相位差測量采用乘法器法，二極管鑒相法等，有硬件電路完成。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，因此，傳統(tǒng)的相位差檢測方法正逐漸被軟件測量方法所替代，通過軟件算法來消除溫漂，噪聲及干擾信號的影響，使測量結(jié)果更加精確。 1995 年我們開始接觸 NI 公司的產(chǎn)品， 2000 年建立了一個用于教學(xué)的虛擬儀器實驗室。在該實驗室中，使用自己開發(fā)的虛擬儀器開設(shè)了幾個實驗，并融入電路實驗課程，然后又轉(zhuǎn)向為全校的本科生和研究生開設(shè)虛擬儀器設(shè)計課程。 虛擬儀器是以其技術(shù)與計算機技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，它強調(diào)“軟件就是儀器”的概念，用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，更好的組建自己所需要 的測試系統(tǒng)。它是按照“信號的調(diào)整與采集（ ADC），數(shù)據(jù)的分析與處理（ DSP），結(jié)果的輸出（ DAC）及顯示”的結(jié)構(gòu)模式來建立通用儀器硬件平臺，在這個通用硬件儀器平臺上，調(diào)用不同的測量軟件就構(gòu)成了不同功能的儀器。 虛擬儀器（ virtual instrumention）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入 式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。下面的結(jié)構(gòu)反映了常見的虛擬儀器方案。 被測對象信號處理數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理虛擬儀器面板 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。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。這也正是 NI 近 30 年來始第一章 引言 - 2 - 終引領(lǐng)測試測量行業(yè)發(fā)展趨勢的 原因所在。只有同時擁有高效的軟件、模塊化 I/O 硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴展性強、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢。虛擬儀器技術(shù)的三大組成部分： 1.1 高效的軟件 軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設(shè)計或調(diào)用特定的程序模塊，工程師和科學(xué)家們可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機交互界面。 NI 公司提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟件 LabVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換 、存儲的方式，并將結(jié)果顯示給用戶。此外， NI 提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，例如連接設(shè)計與測試的交互式軟件 SignalExpress、用于傳統(tǒng) C 語言的 LabWindows/CVI、針對微軟 Visual Studio 的 Measurement Studio等等，均可滿足客戶對高性能應(yīng)用的需求。 有了功能強大的軟件，您就可以在儀器中創(chuàng)建智能性和決策功能，從而發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在測試應(yīng)用中的強大優(yōu)勢。 1.2 模塊化的 I/O硬件 面對如今日益復(fù)雜的測試測量應(yīng)用， NI 提供了全方位的軟硬件的解決方 案。無論您是使用 PCI, PXI, PCMCIA, USB 或者是 1394 總線， NI 都能提供相應(yīng)的模塊化的硬件產(chǎn)品，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集、信號條理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分布式 I/O 到 CAN 接口等工業(yè)通訊，應(yīng)有盡有。 NI 高性能的硬件產(chǎn)品結(jié)合靈活的開發(fā)軟件，可以為負責(zé)測試和設(shè)計工作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測量系統(tǒng)，滿足各種獨特的應(yīng)用要求。目前， NI 已經(jīng)達到了每 2 個工作日推出一款硬件產(chǎn)品的速度，大大拓寬了用戶的選擇面：例如 NI 新近推出的新一代數(shù)據(jù)采集設(shè)備 先期推出的 20 款 M 系列 DAQ 卡，就為數(shù)據(jù) 采集領(lǐng)域設(shè)定了全新的標(biāo)準(zhǔn)。 第一章 引言 - 3 - 1.3 用于集成的軟硬件平臺 NI 首先提出的專為測試任務(wù)設(shè)計的 PXI 硬件平臺，已經(jīng)成為當(dāng)今測試、測量和自動化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺，它的開放式構(gòu)架、靈活性和 PC 技術(shù)的成本優(yōu)勢為測量和自動化行業(yè)帶來了一場翻天覆地的改革。由 NI 發(fā)起的 PXI 系統(tǒng)聯(lián)盟現(xiàn)已吸引了 68 家廠商，聯(lián)盟屬下的產(chǎn)品數(shù)量也已激增至近千種。 PXI 作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺，內(nèi)建有高端的定時和觸發(fā)總線，再配以各類模塊化的 I/O 硬件和相應(yīng)的測試測量開發(fā)軟件，您就可以建立完全自定義的測試測 量解決方案。無論是面對簡單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，還是高端的混合信號同步采集，借助 PXI高性能的硬件平臺，您都能應(yīng)付自如。這就是虛擬儀器技術(shù)帶給您的無可比擬的優(yōu)勢。 虛擬儀器技術(shù)的四大優(yōu)勢： 1.性能高： 虛擬儀器技術(shù)是在 PC 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的 PC 技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件 I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。 2.擴展性強 NI 的軟硬件工具使得 工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于 NI 軟件的靈活性，只需更新您的計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進您的整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。 3.開發(fā)時間少 在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上， NI 高效的軟件構(gòu)架能與計算機、儀器儀表第一章 引言 - 4 - 和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。 NI 設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低 成本的測量和控制解決方案。 4.無縫集成 虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。 NI 的虛擬儀器軟件平臺為所有的 I/O 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。 虛擬儀器的主要特點有： 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞职l(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要 定義和制造各種儀器。 目前，美國的 NI公司和 HP公司在虛擬儀器的研究方面處于領(lǐng)先地位，購買其虛擬儀器產(chǎn)品必將有助于我們的科研和教學(xué)工作，但價格非常昂貴。因此，根據(jù)自己的需要自行研究和開發(fā)虛擬儀器顯得尤為重要。利用計算機的強大功能采用 Labview8.2 圖形編程語言，設(shè)計了一種方便使用的相位差計。該儀器的主要特點如下：采用了 Labview 作為開發(fā)平臺，軟件編程方便、簡潔、效率高；利用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)可測量兩個同頻信號的相位差；在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，通過改變軟件的設(shè)計，可以實現(xiàn)別的儀器的功能。如虛擬函數(shù)發(fā)生器、虛擬 示波器等。 相信隨著計算機技術(shù)和測控技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器將成為未來教學(xué)科研的重要方法和手段，將取代傳統(tǒng)一起成為測量儀器的主流。 第二章 相位差測量儀的概述 - 5 - 第二章 相位差測量儀的概述 2.1 相位差的定義 相位差 :兩個頻率相同的交流電相位的差叫做相位差，或者叫做相差。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。 例如研究加在電路上的交流電壓和通過這個電路的交流電流的相位差。如果電路是純電阻，那么交流電壓和電流電流的相位差等于零。也就是說交流電壓 等于零的時候，交流電流也等于零，交流電壓變到最大值的時候，交流電流也變到最大值。這種情況叫做同相位，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的相位差一般是不等于零的，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。隨著計算機和軟， 硬件的日益發(fā)展。在測試系統(tǒng)中越來越得到廣泛的應(yīng)用。比如：在實際工作中，常常會遇到兩列頻率相同的信號之間存在相位差，那么就需要測量他們之間的相位差，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時，要求兩電網(wǎng)的電信號之間的相位相同，這時要精確測量兩列工頻信號之間的相位差。相位差測量在動態(tài)測試，如：振動和噪聲控制，傳感器的校準(zhǔn)，以及超聲測距和成像等領(lǐng)域越來越重要。 第三章 編程軟件 LABVIEW 的簡介 - 6 - 第三章 編程軟件 LABVIEW 的簡介 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)的電子測試儀器己從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)發(fā)展；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。同時，隨著計算機技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)正向儀器的自動化、智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化方向發(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，虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是兩門學(xué)科的最新技術(shù)的結(jié)晶，融合了測試?yán)碚摗x器原理和技術(shù)、計算機接口技術(shù)、高速總線技術(shù)以及圖形化軟件編程于一身，實現(xiàn)了測量儀器的智能化、多樣化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化，體現(xiàn) 出多功能、低成本、應(yīng)用靈活、操作方便等優(yōu)點，在很多領(lǐng)域大有取代傳統(tǒng)儀器的趨勢，成為當(dāng)代儀器發(fā)展的一個重要方向，并受到各國企業(yè)界的高度重視。所謂虛擬儀器（ Virtual Instrument，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(fā)平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板以及相應(yīng)的功能，人們通過鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關(guān)和按鍵，去選用儀器功能，設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動或停止一臺儀器的工作。在計算機軟件控制下對輸入的信號進行采集、分析、處理，測量結(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。用戶在屏幕上通過虛擬儀器面板對儀器的操作如同在真實儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。 3.1 LABVIEW的概述 LABVIEW 是 實 驗 室 虛 擬 儀 器 集 成 環(huán) 境 （ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 的簡稱，是美國國家儀器公司（ NATIONAL INSTRUMENTS,簡稱 NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。 第三章 編程軟件 LABVIEW 的簡介 - 7 - 數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動測試是實驗室研 究和工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛存在的實際任務(wù)。在 20 世紀(jì) 80 年代初計算機出現(xiàn)之前，幾乎所有擁有程控儀器的實驗室都采用貴重的儀器控制器來控制測試系統(tǒng)，這些功能單一、價格昂貴的儀器控制器通過一個集成通訊端口來控制總線儀器。后來，隨著 PC 機的出現(xiàn)，工程師和科學(xué)家找到一種通過性能價格比高的通用 PC 機控制臺式儀器的方法，各種基于 PC 機接口的板卡產(chǎn)品便應(yīng)運而生。 3.2 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、機械等各個領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè) 自動化，從大學(xué)實驗室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用 LABVIEW 的成果和開發(fā)產(chǎn)品。 3.2.1 LABVIEW應(yīng)用于測試與測量 LABVIEW 已成為測試與測量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過 GPIB、 VXI、 PLC 串行設(shè)備和插卡數(shù)據(jù)采集板可以構(gòu)成實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它提供了工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動程序庫，同時還支持通過 Internet 、 ActiveX 、 DDE 和SQL 等交互式通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，它提供的眾多開發(fā)工具使復(fù)雜的測試與測量任務(wù)變得簡單易行。 3.2.2 LABVIEW應(yīng)用于過程控制和工業(yè)自動化 LABVIEW 強大的硬件驅(qū)動、圖形顯示能力和便捷的快速程序設(shè)計為過程的控制和工業(yè)自動化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。對于更為復(fù)雜、更專業(yè)的工業(yè)自動化領(lǐng)域，在 LABVIEW 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 Bridge VIEW 是更好的選擇。 3.2.3 LABVIEW應(yīng)用于實驗室研究與自動化 LABVIEW 為科學(xué)家和工程師提供功能強大的高級數(shù)學(xué)分析庫，包括統(tǒng)第三章 編程軟件 LABVIEW 的簡介 - 8 - 計、估計、回歸分析、線性代數(shù)、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿足各種計算機和分析需要。即使在聯(lián)合時域分析、小波和數(shù)字濾波器設(shè)備等高級或特殊分析場合 ， LABVIEW 也為此提供專門的附加軟件包。 3.3 LABVIEW的編程環(huán)境 LABVIEW 模板 與一般的程序相比， LABVIEW 提供了三個浮動的圖形化工具模板，分別是工具模板、控制模板和功能模板。這三個模板功能強大，使用方便，表示直觀，是用戶編程的主要工具。 （ 1）工具模板 工具模板包括操作工具，定位工具，標(biāo)注工具，連線工具，彈出菜單工具，滾動工具斷點工具探針工具，顏色工具和顏色拷貝工具。通過這樣的工具，就用于 VI 的創(chuàng)建、修改和調(diào)試。 （ 2）控件模板 控件模板按功能分類，每個工具圖標(biāo)雙包含一系列子模板。控件模板功能強大，通過這些子模板可以找到創(chuàng)建程序所需的所有對象工具。使用控制模板可以給前面板增加輸入控件和輸出指示器。子模板包括數(shù)值子模板、布爾子模板、字符串子模板、列表和環(huán)子模板、數(shù)組和簇子模板、路徑和參考名子模板、圖形子模板、裝飾子模板、用戶控制子模板、控制子模板和 AxtiveX 子模板。 （ 3）功能模板 使用功能模板可創(chuàng)建框圖程序模板上每一個頂層圖標(biāo)都表示一個子模板。 LABVIEW 框圖 編程的所有函數(shù)按照功能分類都分布在功能模板的子模板里。每個子模板的內(nèi)容及操作是 LABVIEW 編程最基本、最重要的內(nèi)容。功能模第三章 編程軟件 LABVIEW 的簡介 - 9 - 板包括下列子模板：結(jié)構(gòu)子模板、數(shù)值運算子模板、布爾邏輯子模板、字符串子模板、數(shù)組子模板、簇子模板、比較子模板、時間和對話框子模板、文件輸入 /輸出子模板、儀器輸入 /輸出子模板、通信子模板、數(shù)據(jù)采集子模板、分析功能子模板、示教課程子模板、高級功能子模板、選擇 VI 子程序子模板、用戶庫子模板、應(yīng)用控制子模板和儀器驅(qū)動子模板。通過這些功能子模板，可實現(xiàn)所有 LABVIEW 的應(yīng)用功能。 第四章 相位差測量方法原理簡介 - 10 - 第四章 相位差測量方法原理簡介 4.1 相關(guān)法相位差測量相位差原理 1)根據(jù)互相關(guān)函數(shù)特性求出兩信號的初相位 兩信號的互相關(guān)函數(shù) ()R xy 不是偶函數(shù)，根據(jù)其定義可證明( ) ( )R x y R x y，此式說明，互相關(guān)函數(shù)與兩信號的相位差 和延遲量 有關(guān)，當(dāng) 0 時， (0)R xy 就只與兩信號的相位差 有關(guān)基于此可求出 設(shè) ( ) s i n ; ( ) s i n ( )x t A t y t B t 。式中 A， B 分別是被測信號 ( ) ( )x t y t, 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， ()R xy 的估計值為： 1( ) ( ) ( )01s i n s i n ( ) 001( ) ( ) ( )01s i n s i n ( )012( s i n c o s s i n c o s s i n )00212( ) s i n c o s c o s0 2TR x y x t y tTTA t B t d tTTR x y x t y tTTA t B t d tTTTA B t d t A B t t d tTT ABR x y A B t d tT 當(dāng) 時 ， 有 :上 式 中 第 項 的 積 分 為 零 , 所 以 有 :()()a r c c o sA B ( ) , ( t )R x yABR x yABx t y 由 此 可 求 出 兩 信 號 的 相 位 差 為 : 2c o s =或2式 中 ， 可 由 自 相 關(guān) 函 數(shù) 求 出 。第四章 相位差測量方法原理簡介 - 11 - 2)由自相關(guān)函數(shù)求出 ( ), (t)x t y 的幅值 根據(jù)戶相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，當(dāng)延遲量 =0 時，自相關(guān)函數(shù)取得最大值，且唯一與信號的幅值有關(guān)。根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的定義，函數(shù) ()xt 的自相關(guān)函數(shù)的估計值為： 2 2 22 1( ) ( ) ( )01( ) s i n0022 ( 0 )()AB( 0 )a r c c ( 0 ) ( 0 )( 0 ) , ( 0 ) , ( 0 ) ( ) , ( ) 0 ,TR x x t x t d tTTTx x t d t A t d tTAA R xytR x yosR x R yR x R y R x y x t y t當(dāng) =0 時 ， 有 ：1R ( 0 ) =T所 以 得 ：同 理 求 出 函 數(shù) 的 幅 值 為 ：B = 2 R y ( 0 )當(dāng) 求 出 ， 后 即 可 求 出 相 位 差 為 ：式 中 分 別 是 在 時 的 估 計 值其 函22:1( 0 ) ( ) ( 0 )01( 0 ) ( ) ( 0 )01( 0 ) ( ) ( ) ( 0 )0TR x x t d tTTR y y t d tTTR x y x t y t d tT數(shù) 表 達 式 可 寫 為3）互相關(guān)函數(shù)的離散表達式 當(dāng)用 計算機進行處理時，必須對被測信號進行采樣，連續(xù)信號 ()xt 變?yōu)殡x散時間序列 ( ) , 0 , 1 , 2 , . . . , 1x n n k。連續(xù)信號 ()yt 變?yōu)殡x散時間序列( ) , 0 , 1 , 2 , . . . , 1y n n k。計算相關(guān)函數(shù)的積分表達式變?yōu)榍蠛褪?，可表示為?第四章 相位差測量方法原理簡介 - 12 - 120120101( 0 ) ( )1( 0 ) ( )1( 0 ) ( ) ( )knknknR x x nnR y y nnR x y x n y nnk式 中 為 采 樣 點 數(shù) .4.2 頻譜分析法測量相位差原理 該方法是通過對被檢測信號進行頻譜分析，獲得信號的相頻特性， 然后計算兩信號在主頻率處的差值即可測得兩個信號的相位差。 在有限區(qū)間 ( , )t t T 內(nèi)，絕對可積的任一周期函數(shù) ()xt 可以展開成傅里葉級數(shù)： 00101111( ) ( c o s s i n )( c o s s i n )s i n ( ),2( ) c o s2( ) s i n, : a r c t a nnnnnnnnnnnnnnnx t a n t b n tA a n t b n tA A n taba x t n t d tTb x t n t d tTnab 其 中 為 傅 里 葉 系 數(shù)為 次 諧 波 的 初 相 位 其 中 基 波 的 初 相 位 為以上計算的意義在于：一個周期信號可以用一個直流分量和一系列諧波的線性疊加來表示，只要求處傅里葉系數(shù) na 和 nb 即可求出任一諧波的初相 位 n ，而在相位差測量中只要求出基波的初相位 1 即可。 在以計算機為核心的虛擬測試儀中，模擬信號 ()xt 在進入計算機前先第四章 相位差測量方法原理簡介 - 13 - 經(jīng)采樣器將連續(xù)信號變?yōu)殡x散時間信號，而后再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器變?yōu)殡x散信號。設(shè)在周期函數(shù)的一個周期內(nèi)有 N 個采樣點，且每兩個采樣點間的時間相同，則有： 1011011122( ) c o s22()NkNkkxkNNkb x k s i nNNaa r c t a nb1a對于兩個周期信號函數(shù) 1()xt和 2()xt，他們的基波傅里葉系數(shù)分別為： 11011 1 1011111112 1 2012 1 2021212122( ) c o s22()22( ) c o s22()NkNkNkNkkxkNNkb x k s i nNNaa r c t a nbkxkNNkb x k s i nNNaa r c t a nb11aa則 1()xt的基波分量與 2()xt的基波分量的相位差為： 1 1 2 11 1 2 11 1 2 1aa= - = a r c t a n - a r c t a nbb 4.3 零點檢測法測量相位差原理 過零檢測法的基本原理可以有式（ 1） 來表示，其中 T 為被測信號的周期， tV 為被測信號過零點的時間差，相應(yīng)的相位差 V 為： 第四章 相位差測量方法原理簡介 - 14 - t= 360T VV （ 1） 這種相位差測量的方法多基于傳統(tǒng)的硬件電路實現(xiàn)。在虛擬儀器系統(tǒng)中，相位差測量的信號是 A/D 采樣后的離散信號，不能用（ 1）式計算，通常是采用對 A/D 采樣后的信號進行數(shù)字處理后計算得到（ 2），（ 3）。設(shè) f 為被測信號的頻率，sf為 A/D 的采樣頻率，則一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)sfN=f，而相鄰兩個采樣點之間的相位差： 360 360sftf V （ 2） 假設(shè)用兩個數(shù)組來保存兩列信號的信息，信號 U1 的首次過零點對應(yīng)數(shù)組的第 i 個元素，數(shù)組 U2 的首次過零點對應(yīng)數(shù)組的第 j 個元素，這樣式（ 1）中的 tV 就對應(yīng)為數(shù)組元素的序號差。則式（ 1）就變?yōu)槭剑?3）所 示： ( ) 3 6 0 ( )sfj i j i f VV (3) 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 - 15 - 第五章 相位差測量方法在 LABVIEW 中的應(yīng)用 5.1 設(shè)計中常用控件功能簡介 5.1.1 數(shù)據(jù)類型 LABVIEW 的數(shù)據(jù)類型與傳統(tǒng)編程語言中的數(shù)據(jù)類型基本相似，除了一般的數(shù)據(jù)類型之外，還有一些獨特的數(shù)據(jù)類型。 LABVIEW 中的數(shù)據(jù)類型包括數(shù)字型 (Numeric)、布爾型 (即邏輯型， Boolean)和字符串型 (String)；構(gòu)造數(shù) 據(jù)類型包括數(shù)組和簇；其他數(shù)據(jù)類型包括枚舉（ RefNum）、空類型等等。 數(shù)字類型的前面板對象包含在控制模板 Numeric 子模板中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型分為變量和常量兩種，在某種意義上， LABVIEW 的數(shù)據(jù)也可以這么分， Numeric 子模板中的前面板對象就相當(dāng)于傳統(tǒng)編程語言中的數(shù)字變量，。 LABVIEW的子模板包括多種不同形式的控制和指示，它們的外觀各不相同，人數(shù)字量、滾動條、水箱、溫度計、旋鈕、表頭、刻度盤以及顏色框等，但本質(zhì)是完全相同的，都是數(shù)字型，只是外觀不同而已。 在 LABVIEW 中布爾型數(shù)據(jù)即邏輯型數(shù)據(jù) ，它的值為真 (true)或假(false)，或者為 1 或 0。布爾型前面板對象包含在控制模板 Boolean 子模板中。模板中有不同有布爾前面板對象，如不同形狀的按鈕、指示燈和開關(guān)等，這都是從實際儀器的開關(guān)、按鈕演化來的，十分形象。采用布爾按鈕可以設(shè)計出逼真的虛擬儀器前面板。與數(shù)字類型相似，這些不同的布爾控制也是外觀不同，內(nèi)涵相同，都是布爾型，只有 0 和 1 兩個值。 5.1.2 結(jié)構(gòu) For 循環(huán)是 LABVIEW 最基本的結(jié)構(gòu)之一，它執(zhí)行指定次數(shù)的循環(huán)，相當(dāng)于語言中的 For 循環(huán)： 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 - 16 - For (i=0; iN; i + ) LABVIEW 中的 For 循環(huán)可從框圖功能模板 Function Structure 子模板中創(chuàng)建。大多數(shù)情況下，用戶使用 For 循環(huán)處理數(shù)組。這是因為 LABVIEW 已經(jīng)知道了元素的個數(shù)，而且自動變址功能會為用戶自動處理迭代：用戶所要做的所有事情是將數(shù)組裝入循環(huán)，迭代次數(shù)會與數(shù)組中的元素的個數(shù)相等。 移位寄存器（ Register）和框架通道（ Channel）兩個獨具特色的新概念。移位寄存器的功能是將第 i-1, i-2, i-3 次循環(huán)的計算 結(jié)果保存在FOR 循環(huán)的緩沖區(qū)內(nèi)，并在第 i 次循環(huán)時將這些數(shù)據(jù)從循環(huán)框架左側(cè)的移位寄存器中送出，供循環(huán)框架內(nèi)的節(jié)點使用。在循環(huán)框架上的右鍵彈出菜單中選擇 Add Shit Register 創(chuàng)建。框架通道是 For 循環(huán)與循環(huán)外部數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)通道，其功能是在 For 循環(huán)開始運行前，將循環(huán)外其他節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送至循環(huán)內(nèi)，供循環(huán)框架內(nèi)的節(jié)點使用。還可以在 For 循環(huán)運行結(jié)束時將循環(huán)框架內(nèi)節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送至循環(huán)外，供循環(huán)外的節(jié)點使用。用連線工具將數(shù)據(jù)連線從循環(huán)框架內(nèi)直接拖至循環(huán)框架外， LABVIEW 會自動生成一個框架通道。框架 通道有兩面三刀種屬性：有索引(Enable Indexing) 和 無 索 引 (Disable Indexing). For 循環(huán)執(zhí)行的是包含在循環(huán)框架內(nèi)的程序節(jié)點。其重復(fù)端口相當(dāng)于 C 語言 For 中的 I，初始值為 0，每次循環(huán)遞增步長為 1。而且，重復(fù)端口的初始和步長在 LABVIEW 中是固定不變的，若要用到不同的初始值或步長，可對重復(fù)端口產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行一定的數(shù)據(jù)運算，也可用到移位寄存器來實現(xiàn)。 CASE 選擇結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于 C 語言中的 switch 語句： 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 - 17 - switch(表達式 ) case 常量表達式 1：語句 1； case 常量表達式 2：語句 2； case 常量表達式 n：語句 n； default ：語句 n+1； 在某種意義上還相當(dāng)于 C 語言的 if 語句： if(條件判斷表達式 ) else 語 句 選 擇 結(jié) 構(gòu) 可 從 框 圖 程 序 中 的 功 能 模 板 Function Structure 中創(chuàng)建。最基本的選擇結(jié)構(gòu)是由選擇框架（ Case Frame）、選擇端口（ Selection Terminal）、框架標(biāo)識符 (Diagram Identifier)以及遞增 /遞減按鈕 (Increment/Decrement Button)組成。 在選擇結(jié)構(gòu)中，選擇端口相當(dāng)于上述 C 語言 Switch 語句中的“表達式”，框圖表示符相當(dāng)于“表達式 n”。編程時，將外部控制條件連接至選擇端口上，程序運行時，選擇端口會判斷送來的控制條件，引導(dǎo)選擇結(jié)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)框架中的內(nèi)容。為與選擇框架外交換數(shù)據(jù)，選擇結(jié)構(gòu)也有框架通道。選擇結(jié)構(gòu)的邊框通道與 For 循環(huán)相類似，但有其自身特點。當(dāng)外部數(shù)據(jù)連接到選擇框架上供其內(nèi)部節(jié)點使用時，選擇結(jié)構(gòu)的每一個子框架都能從該通道中獲得輸入的外部 數(shù)據(jù)；當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)內(nèi)部的數(shù)據(jù)需通過框架通道送至外部時，必需在每一個子框架中都連接一個同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)到同一個框架通道上。這主要是因為選擇結(jié)構(gòu)執(zhí)行時是根據(jù)外部控制條件從其所有的子框架中選擇其一執(zhí)行的，子框架選擇非此即彼，所以每一個子框架都必需連接一個數(shù)據(jù)。對于一個框架通道，一個子框架中如果沒有連接數(shù)據(jù)，那么在根據(jù)控制執(zhí)行到這個子框架時，框架通道便沒有向外輸出數(shù)第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 - 18 - 據(jù)來源程序就會出錯。 LABVIEW 選擇結(jié)構(gòu)與其他語言的選擇結(jié)構(gòu)相比，簡潔明了，結(jié)構(gòu)簡單，不但相當(dāng)于 Switch 語句，還可以實現(xiàn) if else 語 句功能。 5.1.3 數(shù)學(xué)運算 LABVIEW 的數(shù)學(xué)運算功能主要由功能模板 Numeric 子模板中的節(jié)點完成。Numeric 模板由基本的數(shù)學(xué)運算節(jié)點，類型轉(zhuǎn)換節(jié)點、三角函數(shù)節(jié)點、對數(shù)節(jié)點復(fù)數(shù)節(jié)點和附加常數(shù)節(jié)點組成。 基本數(shù)學(xué)運算節(jié)點不僅實現(xiàn)加、減、乘、除等基本運算，還可以實現(xiàn)求整、開方、求冪、數(shù)組求和、求積和復(fù)合運算等功能?；具\算節(jié)點支持?jǐn)?shù)值輸入。但與一般編 程 語 言 提 供 的 運 算 符 相 比 ，LABVIEW 的數(shù)學(xué)運算節(jié)點功能更強，使用更靈活，它不僅支持單一的數(shù)值量輸入，還可以支持處理同類型的復(fù)合型數(shù)值量，比如由 數(shù)值量構(gòu)成的數(shù)組、簇和簇數(shù)組等。數(shù)值類型包括浮點數(shù)、整數(shù)和復(fù)數(shù)。 模板中的 Trigonometric 子模板可實現(xiàn)各種三角函數(shù)運算，該模板中的節(jié)點均心為弧度為單位。節(jié)點的輸入可以是數(shù)字標(biāo)量、數(shù)字量的數(shù)組或簇、數(shù)字量的簇的數(shù)組。該模板包括了大部份常用三角函節(jié)點，如 s