基于labview的锁相放大器实现
基于labview锁相调频与鉴频电路远程实验的开发
学校代码：10255学号：2131195基于LabVIEW锁相调频与鉴频电路远程实验的开发THE DEVELOPMENT OF REMOTE EXPERIMENT ABOUT “PLL FREQUENCY MODULATION & DEMODULATIONCIRCUITS” BASED ON LABVIEW学院：信息科学与技术学院专业：电子与通信工程姓名：霍然导师：叶建芳2015年5月东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。
论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。
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保密□，在年解密后适用本版权书。
本学位论文属于不保密□√。
学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日基于LabVIEW锁相调频与鉴频电路远程实验的开发摘要随着测量仪器向着数字化、计算机化的方向发展，虚拟仪器正逐渐取代了传统的测试仪器。
在实验中使用虚拟仪器，不但可以节省大量仪器的经费投入，免去维护仪器的复杂工作及排除仪器故障所需的大量时间与精力，同时也能够调动学生的积极性，使学生更加专注于对知识的理解而不是仪器的调试。
由美国NI(National Instruments)公司开发的Multisim软件平台将原理图输入、工业标准的SPICE仿真集成在同一环境中，可方便地仿真和分析电路。
基于LabVIEW的基本放大电路的设计与分析
本科生毕业设计毕业设计题目基于LabVIEW的基本放大电路的设计与分析学生姓名郑涛所在学院物理学院专业及班级电科0 8指导教师张海燕完成日期2012年 5 月9 日基于LabVIEW的基本放大电路的设计与分析姓名：郑涛指导老师：张海燕摘要虚拟仪器是20世纪80年代兴起的一项新技术，是现代仪器仪表发展的重要方向，在建模仿真、设计规划和教育训练等方面都有应用。
本文利用数据采集卡采集信号发生器发生的信号，通过滤波电路送给基本放大电路，然后对处理过的信号分析其静态和动态指标。
然后构建基于LabVIEW的信号采集分析系统，此系统具有信号采集、分析以及波形显示等功能。
并对提出的设计方法进行大量的仿真实验，通过实验结果证明了实验设计的合理性和可行性。
应用虚拟仪器技术构建的采集、分析系统，降低了测试成本，提高了工作效率，增强了系统的灵活性。
关键词：LabVIEW,数据采集,基本放大电路,静态分析,动态分析。
The Design And Analysis Of Basic Amplifier BasedOn The LabVIEWAbstractThe virtual instrument is the rise of a new technology in the 1980s,and also is an important direction for the development of modern instrumentation,which has applications in modeling and simulation, design, planning and education and training. In this paper, the signal of the data acquisition card signal generator, and give the basic amplifier circuit, and then the processed signal through the filter circuit to analyze the static and dynamic indicators. And then build LabVIEW based signal acquisition and analysis system, this system has the function of the signal acquisition, analysis, and waveform display. And the proposed design method is a lot of simulation, experimental results demonstrate the rationality and feasibility of the experimental design. The virtual instrument technology to build the collection, analysis systems, to reduce testing costs, improve work efficiency, and enhance the flexibility of the system.Keywords: LabVIEW, Data acquisition, Basic amplifying circuit, Static analysis, Dynamic Analysis目录1.引言 (6)1.1 课题的研究背景…………………………………………6.1.2 课题的研究意义…………………………………………7.1.3 本文的结构………………………………………………7..2. LabVIEW介绍…………………………………………………8...2.1 LabVIEW的介绍…………………………………………8.2.2 LabVIEW的应用领域 (8)3. USB2006数据采集卡 (10)3.1 对USB2006 数据采集卡的介绍 (10)3.1.1 USB2006 数据采集卡的使用方法 (10)3.1.2 USB2006数据采集卡的注意事项 (10)3.1.3 USB2006 数据卡的校准 (10)3.1.4 USB2006 数据采集卡的原理图 (11)3.2 模入信号37芯D型插座XS1的管脚定义 (12)4. 编程前的准备工作 (14)4.1 Case选择结构 (14)4.2 基本放大电路 (15)4.2.1 基本放大电路的工作原理…………………………15..4.2.2 失真波形分析 (17)5. 在LabVIEW 环境下的基本放大分析电路的程序设计 (18)5.1 程序设计 (18)5.1.1 电路板的设计………………………………………18..5.1.2 前面板的设计 (19)5.1.3 Case选择结构 (20)5.2 运行结果 (20)总结...........................................................................28.. 致谢 (29)参考文献 (30)1. 引言本文旨在用虚拟仪器实现基于LabVIEW的基本放大电路的设计与分析，通过设计基本放大电路实现对采集到的信号进行静态以及动态分析，并通过LabVIEW 设计的程序实现分析和显示结果。
锁相放大器的应用
锁相放大器的应用一．锁相放大器的工作原理1.相关检测及相关检测器。
所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。
由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。
如果f1(t)和f2(t-τ)为两个功率有限信号，刚可定义它们的互相关函数为(3.1.1)令f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)，其中n1(t)和n2(t)分别代表与待测信号V1(t)及参考信号V2(t)混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成（3.1.2）式中Rsr(τ)，Rr2(τ)，Rr1(τ)，R12(τ)分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。
由于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。
所以，可认为信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关函数为零。
于是式（3.1.2）可写成（3.1.3）上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。
2、锁相放大器的基本组成。
目前锁相放大器类型很多，但其基本组成只有三大部分，即信号通道、参考通道及相关检测器（见下图）。
锁相放大器的基本组成输入的交流待测信号与噪声一起进入信号通道，经低噪声前置放大器放大再通过高低通滤波，使噪声受到初步抑制，然后送入相敏检波器PSD，以免PSD 出现过载。
参考信号进入参考通道后，一般也要经过放大、整形、移相等处理后再送入PSD 与待测信号进行相关检测，可以通过调节参考通道的移相器使参考信号对输入信号之相位改变，使参考信号与输入信号同相即φ=0时，相位被锁定，从而抑制了不相干的噪声信号。
有些锁相放大器的参考通道中设置有跟踪电路，以保证在仪器的工作范围内使参考信号与输入信号保持所需的相移值。
二，锁相放大器在温度传感器校准系统中的应用在瞬态温度测量中,温度随时间迅速变化,由于测温传感器感温件的热惯性和有限热传导,测出的温度与实际温度存在差别,这种差别即为动态响应误差。
基于LabVIEW的测量放大器参数测试系统设计
基于LabVIEW 的测量放大器参数测试系统设计张东虞（ 铜仁学院 大数据学院，贵州 铜仁 554300 ）摘要：测量放大器主要用来实现对微弱电信号的放大，在测控领域有很广泛的用途，对测量放大器的参数测试十分重要。
为了实现基于LabVIEW 与数据采集卡USB-6221的测量放大器参数测试与验证。
以扫频信号源作为测量放大电路的激励源，将其加到电路两端，经测量放大器电路将信号放大，通过DAQ 数据采集卡采集放大后的信号并在屏幕上显示，利用LabVIEW 程序间接计算电压增益、共模抑制比、阻抗等参数，验证测量放大电路的高电压增益，高共模抑制比，高输入阻抗的特点。
仿真实验结果表明，该系统数据采集方便，精确度高。
关键词： 数据采集； LabVIEW ； 测量放大器中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1673-9639 (2018) 03-0106-030．引言测量放大器是一种可实现对微弱电信号放大的高精度放大器，具有较高的输入阻抗、高共模抑制比、高电压增益等优点，在测控领域中应用广泛。
LabVIEW 是目前较为成功、应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境。
同时，数据采集卡USB-6221对测量信号的采集也是测试测量的重要工作[1]。
目前，美国国家仪器公司（NI ）开发的LabVIEW 在数据采集技术领域中因其高速采集数据的性能、丰富的图像化编程语言等特点在业界处于遥遥领先的地位。
虚拟仪器技术在国外已经得到了长足的发展。
在国内，LabVIEW 也广泛地被工业界、学术界和实验室所接受，用于研究等领域。
DAQ 数据采集是LabVIEW 最具竞争力的核心技术之一，LabVIEW 被公认为是标准的数据采集软件[2]。
本测量放大器参数测试系统设计就是采用LabVIEW 与USB-6221 DAQ 采集设备相结合的方式，有效地实现了测量放大器参数的测试与验证。
1．设计内容1．1．测量放大器系统设计放大器系统如图1所示，主要性能指标为：高电压增益，电压增益；高输入阻抗，输入阻抗。
基于数字锁相放大器的微弱信号检测
基于数字锁相放大器的微弱信号检测摘要：以数字锁相放大器为研究对象，利用信号的相关性和噪声的随机性的特点，应用相关检测方法通过运算，去除噪声，检测出微弱信号。
以强噪声背景下微弱信号检测的实际需要为出发点，研究数字锁相放大器在微弱信号检测中的应用。
采用基于LabVIEW的虚拟数字锁相放大器进行了实际的微弱信号测量，以达到去除噪声将混合在强背景噪声中的微弱信号检测出来的目的。
关键词：微弱信号检测；数字锁相放大器；LabVIEW1、引言本论文是研究如何从强噪声中提取有用的微弱信号，研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术，从而将其应用于各个学科领域当中。
研究噪声中微弱信号检测的原理和方法，是测量技术中的综合技术和尖端领域。
运用微弱信号检测技术可以测量到传统观念认为不能测量的微弱信号，如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流等，使微弱信号测量精度得到很大的提高[1]。
2、基于LabVIEW平台的数字锁相放大器的基本原理锁相放大器技术是微弱信号检测的一种有效手段，它具有中心频率稳定，通频带窄，品质因数高等优点[2]。
LabVIEW是美国国家仪器公司（National Instrument,简称NI公司）推出的一门图形化编程语言，同时也是著名的虚拟仪器开发平台[3]。
为了提高性价比，利用美国国家仪器公司的软件LabVIEW开发出抗干扰能力强、性能可靠的锁相放大器[4]，数字锁相放大器利用信号的相关性和噪声的随机性的特点，应用相关检测方法通过运算，去除噪声，检测出微弱信号。
本论文采用的是基于LabVIEW的虚拟仪器设计的数字锁相放大器来对微弱信号进行分析和处理。
3、基于LabVIEW平台的数字锁相放大器设计根据数字锁相放大器互相关原理设计的基于LabVIEW平台的数字锁相放大器程序框图如图4.1所示。
数字锁相放大器的前面板如图4.2所示：数字锁相放大器的前面板的设计尽量符合真实仪器的效果。
基于LabVIEW平台的锁相放大器在管道泄漏检测中的应用
崮…．．｛二匿囵ＰｚＴ相位调制器
被调制，调制后的顺逆２束光经过相同的传播路径后 又回到２×２耦合器处汇合并干涉．由于顺逆２束光 经过泄漏点的时间不同，２束光被调制后产生相位差，根 据Ｓａｇｎａｃ效应，２束光在光电转换器处的干涉信号【７ｊ为
Ｊ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ［口（￡）＋西：ｎｃｏｓ ｃｔ’。ｔ］
图２ Ｓａｇｎａｅ干涉型管道泄漏检测系统
摘要：为了提高干涉型光纤传感器的信号检测能力，开发了基于ＬａｂＶＩＥＷ平台的锁相放大器，并用于Ｓａｇｎａｃ 干涉型光纤管道泄漏检测系统，以解调干涉信号相位．分析了锁相放大器的信号解调原理及泄漏源定位方法， 并在泄漏位置为５．０ ｋｍ处进行了有无泄漏及泄漏定位的实验研究．结果表明，该锁相放大器可以解调出泄漏 信号，并能实现泄漏点精确定位．
对式（６）做ＦＦＴ变换，由于泄漏信号的频率∞。是宽频信号［引，大小为０～５０ ｋＨｚ，其频谱输出结果为 各频率信号的输出组合，宽频信号各分量在动态范围内均可被解调出来．因此，在泄漏信号的宽频范围内
会出现某些频率使２０。ｓｉｎ（ｃｃ，。ｒｄ／２）＝０（称为零点频率），即
，ｃｆｓＶｄ＝Ｎｎ
（７）
将ｒｄ代入式（７）有
（９）
Ｊ。（垂＝ｎ）为第挖阶贝塞尔函数（ｔ／＝０，１。…）．
用锁相放大器检测相位差疗（ｔ），并以高频载波Ｃ０５ ｍ。ｔ作为参考信号．当干涉信号与参考信号通过 相敏检测器后，仅一次谐波项与参考信号的乘积出现了直流项，即
（ｃｏｓ叫。￡）（ｃｏｓ叫。ｔ）＝（１＋ＣＯＳ ２ｃｏ。ｔ）／２
（１０）
其他谐波项与ｃ∞∞。ｔ相乘得到的信号频率均大于或等于载波频率∞。，因此干涉信号与参考信号经相敏
为了验证本文开发的锁相放大器的正确性。在信号通道输入带有高斯噪音的正弦信号（正弦幅值为 １ Ｖ，高斯噪音幅值为２ ｖ），而参考通道输入同频率的正弦信号，经锁相放大器处理后输出．图４和图５分 别是频率为１０ｋＨｚ的输入信号和参考信号的时域波形；图６是经锁相放大器后的时域波形．从图６可知， 经锁相放大器的相关计算和低通滤波去除了高频信号，仅剩直流项，与理论是吻合的．
模拟锁相放大器测试
Uo (t) Uo cos(wo t o (t)) 压控振荡器输出信号 Ui (t) Ui sin(wi t i (t)) 参考信号 鉴相器进行乘积运算后的信号
滤波后的信号
U c (t)
1 kU i U o sin (w i -w o )t (i (t) o (t)) 2
模拟锁相环
压控振荡器子vi，输出频率与电压呈 线性关系
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模拟锁相环
流程图
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模拟锁相环
程序运行结果
压控振荡器中
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心ห้องสมุดไป่ตู้率100Hz 参考频率 101Hz 压控振荡器频率 锁定结果 101.005Hz
模拟锁相环
存在的问题及改进
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模拟锁相放大器 原理
被测信号 参照信号
X(t) Us sin(wt+ ) n(t)
r(t) Ur sin wt
r'(t1b0717fd5ddcc.html
-1.0 0 50 100 150 200 250 300 350
参考信号与被测信号相位差/度
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模拟锁相放大器
测试
用两个参考信号，直接得到测量结果 被测信号幅度 1.0V 测量结果 1.0146V
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模拟锁相放大器 存在的问题与改进
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模拟锁相放大器
微弱信号检测
1 T 相关函数 R( )= lim f1 (t)f 2 (t )dt T 2T T U s U r cos 1 T R sr X(t)r(t)dt T 2T 2 U s U r sin 1 T X(t)r'(t)dt R sr' T 2T 2 1 N 1 N 离散信号 R sr Vs (k)Vr (k) R sr' Vs (k)Vr' (k) N k 1 N k 1 2 2 2 U R R s sr sr' 被测信号值与相差 Ur R sr' arctan
锁相放大器实验报告
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ次实验的收获与体会
掌握了锁相放大器的基本原理和操作方法 学会了如何调整锁相放大器的参数以获得最佳性能 提高了实验动手能力和解决问题的能力 认识到团队合作在实验中的重要性，学会了如何与团队成员沟通和协作
对实验中遇到的问题和解决方案的反思与总结
遇到的问题：信号干扰、设备故障、操作失误等 解决方案：调整信号源、更换设备、规范操作等 反思：实验过程中需要注意的细节和可能出现的问题 总结：通过实验，提高了解决问题的能力和团队合作精神
调整锁相放大器参数，进行信号放大处理
调整锁相放大器参 数：设置合适的放 大倍数、相位差和 带宽
输入信号：选择合 适的信号源，如正 弦波、方波等
信号放大处理：将 输入信号通过锁相 放大器进行放大处 理
观察输出信号：使 用示波器等设备观 察输出信号的波形 和幅度，确保满足 实验要求
使用示波器和电脑采集和处理实验数据
Part Two
实验设备
锁相放大器
锁相放大器是一种用于测量微弱信号的电子设备。 锁相放大器的主要功能是提取信号中的频率和相位信息。 锁相放大器通常由一个参考信号和一个输入信号组成。 锁相放大器的性能指标包括灵敏度、动态范围、相位噪声等。
信号发生器
型号：Agilent 33220A 功能：产生正弦波、方波、三角波等信号 频率范围：1Hz-10MHz 精度：±0.01%
对实验教学的建议和改进意见
增加实验操作演示，帮助学生更好地理解和掌握实验步骤。 提供更多的实验案例，让学生通过实践锻炼解决问题的能力。 加强实验过程中的指导，及时发现并纠正学生的错误操作。 鼓励学生进行创新实验，培养学生的创新意识和实践能力。
对后续学习和实践的展望与计划
深入学习锁相放 大器的原理和应 用
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- II -
锁相放大器的 LabVIEW 实现
目
录
摘要..................................................................................................................................... I Abstract.............................................................................................................................. II 1 1.1 1.2 1.3 1.4 绪论…………………………………………………………………………...………1 课题研究背景及意义................................................................................................1 微弱信号检测............................................................................................................1 锁相放大器发展概况................................................................................................3 虚拟仪器技术与 LabVIEW 简介.............................................................................4 1.4.1 1.4.2 1.5 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4 2.5 3 3.1 3.2 3.3 虚拟仪器技术…………………………………………………………...……4 LabVIEW 简介…………………………………………………..……...……6
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锁相放大器的 LabVIEW 实现
Function realization of lock-in amplifier by LabVIEW programming Abstract
Lock-in Amplifier (LIA),based on the principle of correlation-detecting, is one of the most effective meansin weak signal detections and prove to be able to detect and measure periodical signals, the magnitude of which are usually so weak against the surrounding noise, widely used in the fields of scientific research, national defense science and technology, biomedical engineering, physical detection, and so on. Phase sensitive detector(PSD) is the core of the lock-in amplifier and can identify the measured signals whose frequency is the same as the reference signal; and its output is determined by the pass band-width of frequency of the LPF, which also affects the precision of the lock-in amplifier. Thus, this paper studies the realization of the PSD and the LPF, and set up two orthogonal reference signal channels to avoid the dependence on the phase difference. The paper analyses the realization of the lock-in amplifier, and use LabVIEW to realize the dual-phase lock-in amplifier. And, it proves to be effective through the simulations, shows a good performance in the detection of weak signals, and greatly improves the SNR of the output signals. Key Words：Lock-in Amplifier；Virtual Instrument；Phase Sensitive Detector
锁相放大器的 LabVIEW 实现
摘
要
锁相放大器 （Lock-in Amplifier,LIA） 是一种根据相关检测原理设计的同步相干检测 仪，能够准确检测提取出淹没在强噪声背景中的周期性有用信号，是微弱信号检测 （Weak Signal Detection） 领域中最重要和最有效的精密仪器之一， 广泛地应用与基础科 学研究、国防科技、生物医学信号、物理探伤等领域。 相敏检波器（Phase Sensitive Detector, PSD）是锁相放大器的核心器件，能够实现对 待测信号和参考信号进行相关运算； 而低通滤波器的通频带宽决定了相敏检波器输出信 号的谐波成分，进而对锁相放大器的精度产生影响。因此，本文着重研究了相敏检波器 和低通滤波器的设计环节， 并在参考信道设置了两路正交的参考信号以避免了输出结果 对相位差的依赖。 本文通过分析锁相放大器的工作原理，利用虚拟仪器技术，基于 LabVIEW 软件开发 平台实现了双锁相放大器的设计方案。经测试证明，本文设计的正交矢量型数字锁相放 大器具有较好的抑噪性能，能够大幅度提高输出信号的信噪比。 关键词：锁相放大器；虚拟仪器；相敏检波器