Labview虚拟仪器课程设计

一、虚拟相关法测量相位差仿真仪

摘要：虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器技术具有性能高，扩展性强，开发时间少及出色的集成能力等优势。基于虚拟仪器技术可以开发适应不同应用场合的虚拟仪器测试方案，更好地组建自动化程度较高，数据处理分析能力较强的测试系统口。本课题是虚拟用相关法测量两个同频率正弦波信号的相位差。 关键词：虚拟仪器；相关法；相位差

一．设计原理及方案

1、相关法求相位差的原理

相关法利用两同频正弦信号的延时τ=O 时的互相关函数值与基相位差的余弦值成正比的原理获得相位差。由于噪声信号通常与有效信号相关性很小，因而该方法有很好的噪声抑制能力。

假设有两个同频信号x(t)、y(t)，都被噪声污染，描述如下： x(t)=Asin(ω0t ＋ψ0)＋N x (t)

y(t)=Bsin(ω0t ＋ψ1)＋N y (t) （1-1）

其中，A ，B 分别为x(t)和y(t)的幅值；N x ，N y 分别为噪声信号。显

然两信号的相位差为phasedif ＝ψ1－ψ0，但实际中是无法知道ψ1和ψ0的。用相关法求相差的原理如下，周期信号互相关函数的表达式为：

T

xy 0

1R x()()t y t dt T ττ+?（）＝ （1-2） 其中，T 为信号周期，将（1-2）式代入（1-1）式，可得： T xy 00x 01y 0

1R [Asin()N (t)][sin(())N (t )]t B t dt T τωφωτφτ++?（）＝＋＋＋＋ 当τ＝0时， T x y 00x 01y 01R 0[As i n ()N (t )][s i n(()N (t )]t B t dt

T ωφωφ+?（）＝＋＋＋ 理想情况下，噪声和信号不相关，且噪声之间也不相关，积分后得： xy 10AB R 0cos()2

φφ-（）＝ 所以有：

102(0)

arccos()xy R AB φφφ?-=＝ (1-3)

另外，信号的幅值和在延时τ＝0时的自相关函数值又有下述关系：

A

B （1-4） 这样，通过两信号的直相关、互相关就可以求得它们的相位差。

2、 离散时间表达式

实际处理的是连续信号采样后的离散点序列，因而，计算相关函数所用的计算式相应地也应该是离散时间表达式，下面是相应酌离散时间计算公式：

1

xy 01R (0)[][]k n x n y n k -∧

==∑ (1-5) 12x 01R (0)()k n x n k -∧

==∑ 12y 01R (0)()k n y n k -∧

==∑ 其中，k 为采样点数。 3、 相关法存在的问题

1）当信号中存在噪声干扰时，用时延τ＝0时的自相关函数值Rx(0)求取信号幅值会引入较大误差。

●问题的提出

根据自相关函数的性质，噪声信号也在τ＝0时取得最大值，因而，当有效信号中含有噪声信号时，信号的自相关最大值是有效信号和噪声信号各自的自相关最大值叠加的结果，用式(1-4)求取有效信号幅值的结果不准确。具体推证如下：

对信号x(t)=Asin(ω0t ＋ψ0)＋N x (t)，其τ=0时的自相关函数值

Rx(0)为：

T

x 00x 00x T 0

1R 0lim [Asin()N (t)][Asin()N (t)]t t dt T ωφωφ→∞+?（）＝＋＋－＋－ 21A (0)(0)(0)2

N x f Nx R R R =+＝＋

式（1-4）中给出的信号幅值A与Rx（0）间的关系式不再成立。

●解决方法

含噪声信号的自相关函数如图1-1所示(假设噪声为白噪声)-由图中可以看到，在τ到达一定值之后，含噪信号的自相关函数完全等于有效信号的自相关函数，这是由于噪声信号的自相关函数随着时延τ的增大迅速衰减。据此，对于正弦信号含有噪声的情况，完全可以用含噪信号自相关函数的次峰值宋计算正弦波的幅值，此方法称为次峰值取代法。

2）周期信号的自相关函数的离散计算式在所取总点数不等于整周期时存在计算误差。

这个问题可以用频率跟踪法解决。所谓频率跟踪法：就是即时测量信号的当前频率，根据信号频率确定采样频率和采样总点数。这一方法同时也是解决FFT方法测相差问题的有效方法。

3)相关法适用于对同频正弦信号求取相差，而对于含有多个频率分量的周期信号不适用。

图1-1 含白噪声干扰的正弦信号的自相关函数

4、程序设计

本设计未对相关法存在问题做相应的处理，其程序流程图如图1-2所示。

图1-2 程序流程图

从图1-2可看出，程序运行时，首先要确定两个正弦信号的各个参数(幅值、相位、采样点数、采样周期等)，然后启动相关计算过程，最后显示互相关函数计算结果的波形和相位差。

二、设计步骤

1、前面板设计：

（1）放置一个输出显示型数字控件，显示相位差测量结果，单位为度，其路径是控件—数值—数值显示控件

（2）放置一个输出波形显示器，可观察两个信号x(t)与y(t)的信号波形，其路径是控件—图形—波形图。

（3）放置一个开关型控件，用于使用者运行或关闭仪器，其路径是控件—布尔-停止按钮

（4）放置四个数字控件，分别用于设置两个正弦波的幅值和相位，其路径是控件—数值—数值输入控件

（5）下图为放置了两个数字控件，用于设置采样点数、周期数、两个参量，为两个正弦波信号发生器所共用的前面板和程序框图设计，其路径是控件—数值—数值输入控件

图1-3 虚拟相关法测量相位差仿真仪面板

本课题设计检验数据如下：

信号的采样点数可为16，32，64，128，256，512，1024，2048；

采样周期数可以选择3～10；

2、程图框图设计：

(1)执行结构--调出While循环

(2)执行信号处理--信号生成—调出正弦波

(3)执行信号处理--信号运算—调出自相关

(4)执行信号处理--信号运算—调出互相关

(5)执行数组--调出索引数组

(6)执行数组--调出创建数组

(7)执行数学--基本与特殊函数—调出反余弦函数

(8)执行数值--调出加、减、乘、除

(9)连线如图1-4得到所需要的程序。

图1-4 虚拟相关法测量相位差仿真仪流程图

3、运行检验及误差分析

（1）、设置信号1幅值为2V，初始相位为1000；设置信号2幅值为4V，初始相位为300；信号周期为1；采样点数和周期数组合分别为（512，5），（512，8），（1024，5），（1024，8），（2048，5），（2048，8），运行结

果依次为图1-5—1-10所示。

（2）、依图中显示得到的相位差为：69.9398，70，69.949，70，69.9989，70 （3）、有图对比可知，采样点数越大，两同频正弦波相位误差越小，采样周期

越大，两同频正弦波相位误差越小，事实也正合乎理解。

图 1-5相位差仿真实验1

图1-6 测量相位差仿真实验2

图1-7 测量相位差仿真实验3

图1-8测量相位差仿真实验4

图1-9 测量相位差仿真实验5

图1-10 测量相位差仿真实验6

二、位移测试虚拟仪器设计

摘要：在测试工程领域中，经常需要通过一个设备来测量某一信息并分析输入信号跟输出信号之间的关系，或一个信号在一定时移前后之间的关系，来提取更深层次的特征，从而实现各种测试目的，并且提高测试精度。测试系统就是实现这种测试分析的有效技术。相关是是指信号之间的线性关系，又称时延域分析，是提取信号在不同时刻相互依赖关系中周期成分的常用手段。一个测试系统包括信息采集部分和信息分析部分，信息采集部分是根据被测信号的一些特征而采用一些比如传感器的感触器将被测信息转换为其他可以直接利用的信息或数据，而信息分析部分则是用来分析信息采集部分所提供的数据通过一些内部运算将被测量显示出来。

关键词：虚拟；位移；测试；转化

一、设计总体方案

测试系统通过位移传感器将所测得的被测物体的位移量变化的位移信号通过数据采集和处理分别实时地传到PC机中，通过公式计算获得物体的位移量，这就是测量位移的基本原理。测试的总体结构框图如图l所示。首先通过位移传感器作为信号的输人，信号通过调理模块进行放大、滤波，经过数据采集后传送到PC中，来获得当前的位移信号。随着位移变化相应出现电压输出曲线，结合测试的数据获得位移量。

二、设计原理

1、位移测试虚拟仪器硬件结构

进行位移测试的虚拟仪器硬件组成如下图：

图2-1 位移测试的虚拟仪器硬件组成

1.1 位移传感器

位移传感器采用导电塑料电位计，导电塑料电位计因为没有线绕而使特性变化是连续的，而且能够通过修磨边缘的方法提高线性度。

位移传感器的后接电路采用电阻分压电路（如图所示），

图中

U是信号调理卡提供的2.5V激励电压：S是电刷的位移：R是S段电位计0

及导线电阻：R L是测试电路的电阻：R’是为了减小R的负载效应而串联在负载电路中的可变电阻器，它的电刷与电位计电刷连动，构成双电刷电位计，可以进一步消除非线性误差。U是传感器输出的电压信号，接入信号调理卡。Array图2-2 位移传感器及后接电路

1.2 信号调理卡

信号调理卡为美国SC-2043-SG信号调理卡。SC-2043-SG主要为应变调理设计，本设计中用它为传感器提供激励电压并进行信号转接。常设- 2043 - SG是一个信号，调节板，接口的NI DAQ产品直接向应变传感器。常设- 2043 - SG的有8个输入通道。每个通道都包括半桥，连同季度插座完成大桥建成后，船上的用户选择电压激励提供的激励，10放大器的增益和失调调零电路。空调应变计的信号也可直接连接到模拟输入通道（单端的60xxE（E系列（电路板）。或SC - 2056电缆接头附件和外部+5 VDC电源，可以使用多达4个资深- 2043 - SG 的接口板，以32应变计的一名单身，云母氧化铁- 64E - 3，6031E，6033E，或6071E板。

1.3 数据采集卡

为了采集信号方便，本系统采用并行32位传输总线的PCI一9118HG作为插卡式的数据采集系统，这是一款具有16路单端／8路差分输入的数据采集卡，并且含有2路模拟输出。输出的信号经信号调理后输出模拟电压，通过模拟电压信号控制调压模块从而控制位移量。

三、测试系统静态特性

测试系统的静态特性是指对静态的输入信号，测试系统的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即测试系统的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征测试系统静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

1、线性度

线性度是测试装置输出、输入之间保持常值比例关系的程度。

在静态测试请款下，通过实验来确定的被测试实际值x与测试装置示值y之间函数关系的曲线称为校准曲线。

为了使用简便而替代校准曲线的直线称为拟合直线。

线性度可以用校准曲线和拟合直线的最大偏差B来表示。也可以用相对误差来表示，即

线性误差=(B／A)100%

式中A为测试系统满量程输出范围。

确定拟合直线的方法有很多种。其中最小二乘法拟合直线精度最高。

它的基本含义是校准直线上各数据点与拟合直线间的残差平方和最小。LabVIEW的“数学拟合”函数子选板中的“线性拟合（Linear Fit）”VI就是用最小二乘法拟合直线，它帮助解决了复杂的计算问题。

2、回程误差

回程误差也称为滞后度。它反映了实际测试系统当输入量由小增大和由大减小时，对于同一个输入值，将得到不同大小的输出，

回程误差=（H/A）100%

式中H为前进和回程最大偏差。

图2-3校准曲线与非线性度

图2-4滞后度

3、灵敏度

灵敏度是测试系统输出的变化量Δy对输入的变化量Δx的比值。一般用拟合直线的斜率作为该装置的灵敏度。Linear Fir VI输出量中的“斜率（Slope）“参数就是比值。

灵敏度=Δy/Δx=y/x

四、程序设计

1. 前面板设计

将前面板上“前进回程”转换开关的机械动作设置为“释放时触发”，其余所有布尔量的动作方式都设置为“单击时触发”。线性度和滞后度的显示控件均为XY波形图。

程序框图中三个椭圆框内的部分是对文件路径进行操作的代码。它们的功能是在位移测试程序的当前目录下，以操作人员的姓名为文件名读写数据记录文件。文件增加过程的文件名带f标记，位移减小过程的文件名带b标记。

程序框图中其他主要节点还有：1.数据采集助手（DAQ Assistant）VI，（创建数

据采集助手时物理通道选“Dev1/ai3”；并在MAX中Dev1的属性对话框中将其附件设置为”SC-2043-SG”）；2.将动态数据转换为一维数组；3.求10个采样数据的平均值；4.写电子表格文件VI——Write To Spreadsheet File，单击“计数”按钮后将测试数据保存在一个电子表格文件中；5和6是读电子表格文件VI（Write To Spreadsheet File），它们分别把测试过程中前进和回程记录的数据读出来；7.是线性拟合VI（Linear Fit）；8.是“复位”条件结构的“假”选框。“记数”和“显示测试结果”两个条件结构“假”选框中都没有内容，“显示测试结果”选择框中的两个“实验人姓名”节点是局部变量。

图2-5 前面板设计图

2. 程序框图

3、运行结果图

图2-7 A

图2-7 B

图2-7运行结果

五、总结与体会

通过对《LabVIEW8.2基础教程》的学习，使我深刻了解到，我们可以通过虚拟防真来实现现实中的某些测试过程，这次课程设计我设计两个课题，分别是虚拟相关法测量相位差仿真仪设计和位移测试虚拟仪器设计。在完成这两个设计的同时，进行的资料的查阅及同学之间的探讨，对LabVIEW软件的运用和作用有了更深的了解和更多的收获。在虚拟相关法测量相位差设计中，运用的是同频信号的互相关原理测量相位差；在位移测试虚拟仪器中学习实践到它的的位移测试跟之前所学的单纯的传感器位移测试的不同，它借助PC机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器模板完成对仪器的控制、数据分析和显示，它让测试更直观更精确。虚拟仪器的出现代替了传统仪器，改变了传统仪器的使用方式，极大的提高了仪器的功能和使用效率，大幅度的降低了仪器的价格，使用户可以根据自己的需要自定义仪器的功能；可以说，虚拟仪器的出现将“仪器”的概念推向了一个新的纪元。虚拟仪器广泛的应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。本系统采用了NI的LabVIEW软件进行程序设计，利用虚拟仪器强大的通讯功能，实现了数据采集和数据处理。易于操作，能够方便灵活地测量出被测物体的位移量，并且具有数据的分析功能，通过调用存储的数据文件为测试者自动计算出分析所需的位移量。本系统对实践具有积极的的指导作用。

参考书

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[2] 戴鹏飞，王胜开等.测试工程与LabVIEW应用[M].北京：电子工业出版社2006

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