基于虚拟仪器实施相位测量仪的设
计
Phase Meter Design Based on Virtual
Instrument
学院：信息科学与工程学院
专业班级：通信工程0803班
学号：
学生姓名：
I
摘要
测量相位的方法很多，大致可以分为模拟方法和数字方法两类：模拟方法是先对多个相位差脉冲进行积分，然后再计算这多个相位差脉冲的宽度，再取平均值求相位，这种方法精度高，但是电路复杂；数字方法是直接用计数脉冲对相位差脉冲进行填充，然后计算计数脉冲的个数，根据计数脉冲的个数求相位差。由于数字方法需要高频的计数脉冲，而一般的计数器的工作频率有一定的限制，计数脉冲的频率不可能很高，因此测量精度会受到限制，而且随着被测信号频率的提高。精度会进一步的下降。近年来随着高速数据采集卡和虚拟仪器技术的不断发展，采用软件来代替硬件电路进行相位的测量成为可能。利用计算机和高速采集卡进行相位侧链不仅具有更大的灵活性，而且采用虚拟仪器技术可以有效地避免测量过程中由于温漂、噪音及干扰信号的影响，从而使结果更加准确。
传统测量仪器功能单一，多功能虚拟仪器是现代仪器技术的发展方向。利用Labview设计一种利用虚拟相关法测量相位差计的虚拟仪器，该仪器以测量两个同频正弦波的相位差为基本功能，具备了测量信号频率，显示信号波形、相位差和产生标准信号等功能，体现了虚拟仪器高集成度，一机多用的特点。
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LABVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。
本题目属于应用类，设计主要内容利用互相关分析法实现相位差检测，在虚拟仪器设计平台上仿真实现，结合原理和公式进行数据计算分析，充分利用了LABVIEW的性能。
关键词：相关法；相位差；虚拟仪器；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 complexity; the digital method is the direct use of count pulse to pulse phase difference filling. And then calculate the number of counting pulses. According to count the number of the phase pulses difference. Due to the high frequency of the digital method .And the general counter the working frequency of to have certain restriction. Count the frequency of the pulse can not be very high. So the measurement accuracy could be limited. In recent years with high-speed data acquisition card and virtual instrument technology continues to evolve. Accuracy will further decline. In recent years, with high speed data acquisition card and the development of the virtual instrument technology. The software instead of hardware circuit phase measurement possible. Using a computer and high-speed data acquisition card for phase side chain has not only more flexibility. And with the virtual instrument technology can effectively avoid measurement process temperature drift due to the influence of the noise and the disturbance signal. And make the result more accurate.
Traditional measuring instruments function of a single. Multifunctional virtual instrument is the development direction of modern instrument technology. Using Lab view to design a virtual method to measure the phase difference meter, virtual instruments the instrument to measure the two basic functions of the same functions of the same frequency of the sine wave phase difference .With the measured signal frequency. Display the signal waveform, phase and produce stance standard signal functions. Reflects the high level of integration of virtual instruments. One machine with multiple functions.
The virtual instrument technology is the use of high-performance modular hardware, combined with efficient and flexible software to complete a variety of test, measurement and automation applications. Since the 1986 years since the advent.
All countries in the world of the engineers and scientists would have the NI
III
LABVIEW graphical development tools used for product design cycle every section. Thereby improving produce quality, shorten product time to market and improve product development and production efficiency. Use integrated virtual instrument of environment and the real world of the signal is linked together, analysis of data in order to obtain useful information, share information results. Help to improve production efficiency in a wide range. The virtual instrument provides a variety of tools able to meet any project need.
This topic of belongs to the application. Design using cross-correlation analysis to achieve the phase difference detection. In the simulation platform virtual instrument design, combined with the principles and formulas for data calculation and analysis. Take full advantage of the performance of the LABVIEW.
Keywords: Correlation; Phase difference; the virtual instrument; Labview
IV
目录
摘要 ...................................................................................................................... I I Abstract ........................................................................................................................ I II 第1章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 研究目标 (2)
1.3 工作内容 (2)
1.4 论文结构 (2)
1.5 相位测量仪的概述 (3)
1.5.1 相位的定义 (3)
1.5.2 相位差的定义 (3)
1.5.3 相位测量方法及发展 (3)
现代相位测量技术的发展可以分为三个阶段 (3)
1.5.4 相位差测量仪的应用 (4)
1.6 电子测量原理 (4)
1.6.1 电子技术的发展状况 (5)
1.6.2 电子测量仪器的发展 (6)
第2章虚拟仪器及Labview基础 (8)
2.1 虚拟仪器概述 (8)
2.1.1 定义 (8)
2.1.2 比较与差异 (8)
2.1.3 虚拟仪器对电子测量的影响 (9)
2.2 Labview 概述 (10)
2.2.1 Labview软件简介 (10)
2.2.2 Labview概述 (10)
2.2.3 Labview的应用 (11)
第3章相位测量方法及原理 (12)
3.1 相关法 (12)
3.1.1相关法测量相位差的原理 (12)
V
3.1.2相关法测量相位差的误差 (13)
3.2 过零点法 (14)
3.2.1过零法测量原理 (14)
3.2.2 过零法测量的误差 (15)
3.3 FFT频谱分析法原理 (15)
第4章相位差计设计 (16)
4.1 设计要求 (16)
4.2相关法 (16)
4.2.1 相关法相位设计程序主流程图 (16)
4.2.2 Labview平台下软件的实现 (17)
4.2.3 子模块设计 (20)
4.2.4 相位差计设计测试结果 (21)
4.2.5 小结 (24)
4.3 过零点法 (25)
4.3.1 过零点法的设计框图 (25)
4.3.2 过零点法前面板 (26)
4.3.3 子模块(VI)设计 (26)
4.3.4 相位差计设计测试结果 (27)
4.4 综合分过零点发与虚拟相关法 (31)
第5章总结与展望 (32)
致谢 ........................................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 (33)
VI
第1章绪论
1.1 引言
随着科学技术的发展，相位测量技术的应用已深入到许多领域和部门。如：电力部门、机械部门、航天航空、地质勘测、海底资源等领域。近年来随着科学技术的飞跃发展，又提出了动态相位测量技术以及断续信号相位测量的新技术课题。将相位测量技术、激光光纤技术与微机技术结合是实现精密测量的重要方法。如：微厚度的精密测量，微震动的精密测量等。把相位测量技术与微波技术结合起来，可以精密测量物质的含水量且与被测物的密度无关。动态相位测量技术与断续信号相位测量技术已经用于海洋生物和海底资源的探测。也可以用于其他领域。随着科学技术的发展，相位测量技术与其他新技术的结合将有着广泛的应用前景。专门用来测量两个同频率信号的相位差的仪表称为相位计从低频、音频、射频到微波段均有相应的仪器。广泛应用于国防、科研、学校、厂矿。随着微机技术的发展，智能相位仪器也在不断涌现。随着科学的发展，相位测量也在不断的发展和完善。相位测量的方法有多种多样，本文是基于虚拟仪器的情况下进行相位测量的设计以及检测。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。信号的相位差测量在电工技术，工业自动化，智能控制，通讯及电子技术等许多领域都有着广泛的应用。传统电子模拟式相位差测量采用乘法器法，二极管鉴相法等，需要完成对应的硬件电路。电路的温漂，噪声级干扰信号，都会导致测量结果产生误差。因此，传统的相位差检测方法正逐渐被软件测量方法所替代，通过软件算法来消除温漂、噪声及干扰信号的影响，使测量结果更加精确。
1
1.2 研究目标
基于Labview开发平台设计出一种相位测量仪，从而实现测量两个信号的相位差的测量并校验测量结果，它的特点比传统的单一相位测量仪多出显示信号的波形，幅度等功能，从而更直观简洁的现实测量结果。
1.3 工作内容
基于上述研究目标本人在整个设计过程中所做的工作有
（1）查阅资料了解相位、相位差的概念及意义；
（2）查阅资料了解相位测量的方法；
（3）查阅资料并初步撰写开题报告；
（4）进行外文翻译工作；
（5）查阅资料学习labview软件；
（6）选择并学习测量相位差的方法，相关法和过零点法；
（7）设计系统程序，进行前面板的设计；
（8）系统功能分析，完成后面板的模块的选取并进行组建；
（9）进行系统功能模块的划分，测量仪器，实现模块功能；
（10）完成总模块的功能并进行检验；
（11）对系统进行调试；
1.4 论文结构
第一章为绪论，主要介绍各个原理的基础，概念，定义以及应用与所用到软件labview的简介概述以及应用。
第二章具体的介绍了测量相位差的原理。三种方法，相关法、过零点发与，FFT频谱分析法。
第三章具体的介绍相位差的具体设计方法，原理框图，实现后的测试与调试，与具体的测试图。
第四章总结了此设计的不足与优点。
2
1.5 相位测量仪的概述
1.5.1 相位的定义
相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin2πft。i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，f是交流电的频率，t是时间。随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。在三角函数中2πft相当于角度，它反映了交流电任何时刻所处的状态，是在增大还是在减小，是正的还是负的等等。因此把2πft叫做相位，或者叫做相。
1.5.2 相位差的定义
相位差：两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。
例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差，如果电路是纯电阻，那么交流电压和交流电流的相位差等于零，也就是说交流电压等于零的时候，交流电流也等于零，交流电压达到最大值时，交流电流也将达到最大值。这种情况叫做同相位，或者叫做同相。如果电路含有电感和电容，交流电压和交流电流一般是不等于零的，也就是说一般是不同相的，或者电压超前于电流，或者是电流超前于电压。
加在晶体管放大器基极上的交流电压和从集电极输出的交流电压，这两者的相位差正好等于180?，这种情况叫做反相位，或者叫做反相。
1.5.3 相位测量方法及发展
现代相位测量技术的发展可以分为三个阶段
第一阶段是在早起采用的李沙育法、阻抗法、和差法、三电压法，这些测
3
量方法通常采用比对法和平衡法，虽然方法简单，但是测量精度不较低；
第二阶段是利用数字专用电路、微处理器等来构成测试系统，使测量精度得以大大提高；
第三个阶段是充分利用计算机及智能化测量技术，从而大大简化设计程序，增强功能，使得响应的产品精度更高、功能更全。同时，各种新的算法、测量手段和新的设计方法及器件也随之出现。
目前，国内外提出了许多改进的高精度相位测量方法，主要包括：
（1）用专用数字处理芯片，利用正余弦表格及傅立叶变化方法来计算相位差，可大大提高测量精度。
（2）采用新器件及设计方法提高相位测量精度及展宽工作频率范围。
（3）采用新的算法来实现相位测量。
（4）采用高精度相位测量设备，通过相位输出信号，利用桥路与输入信号相位进行比较，从而测量出相位。
1.5.4 相位差测量仪的应用
信号的相位差测量仪在电工技术，工业自动化，智能控制，通讯及电子技术等许多领域都有着广泛的应用，随着计算机和软硬件的日益发展。在测试系统中越来越得到广泛的应用，比如在实际工作中，常常会遇到两列频率相同的信号之间存在相位差，那么就需要测量他们之间的相位差，电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这时要精确测量两列工频信号之间的相位差。相位差测量在动态测试，如振动和噪声控制、传感器的校准，以及超声测距和成像等领域越来越重要。
1.6 电子测量原理
测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中常借助一些专门的设备，即测量仪器，把被测量对象直接或间接地与同类已知单位进行比较取得数值和单位共同表示的测量结果。
测量是揭示客观世界规律，用数字语言描述周围世界。进而改造世界的重要手段。现代科学技术、生产和国防的重要特点之一，就是要进行大量的观测
4
和统计。提高测量水平，降低测量成本，减少测量误差，提高测量效率，对国民经济各个领域都是至关重要的。因此，测量手段的现代化，已被公认为是科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。
1.6.1 电子技术的发展状况
从侠义上讲，电子测量是在电子学中测量有关的量值，通常包括以下几个方面：电量的测量，如电流、电压、功率、电能等；信号特征性及所受干扰的测量，如信号波形、失真度、频率、相位、信/噪比等；元件和电路参数的测量，如电阻、电感、电容、电路频率响应、通带宽度、相位移等。
随着科学技术的发展，对许多物理量，如距离、重量、速度、温度等，使用传统测量方法已经不能满足现代化科学研究和生产的需要。因此都将它们设法通过一定的传感器变换成电信号，然后利用一整套比较成熟的电子学方法来进行测量。这也就是使得电子测量技术在很多领域得到了应用，在现代科学技术中具有不可代替的重要作用。
电子测量与其他测量相比，具有一下几个明显的特点：
（1）测量频率范围极宽
10 Hz，高端可至100GHz左右（某些
低端除了测量直流外还可以测低至14
领域甚至更高）。电子测量能工作在这样宽的频率范围，因此它的应用范围很广泛。但也由于频率范围宽，在不同的频段测量所依据的原理、采用的方法、使用的元器件等可能相差很远，通常把被测量电量或供给同一电量的仪器分为不同的频段。例如超低频信号发生器、音频信号发生器、高频信号发生器等等。当然这给使用带来很多不便。近年来研制了很多宽频带设备，使一台仪器能在很宽的频率范围内工作。
（2）量程很广
由于所测量电量的大小相差极大，要求测量仪器的量程也极宽。同一台电子测量仪器，经常能做到量程很宽。例如一台高灵敏的数字电压表，可以测出10纳伏至14千伏的电压，量程达11个数量级。电子计数器的量程更宽，其频率范围可达17个数量级。量程宽正是电子测量仪器的突出优点。
（3）测准确度高
电子仪器的准确度通常可比其他测量仪器高很多。特别是对频率和时间的
5
6
测量，由于采用了原子频标和原子秒作为基准，是误差减小1210
-~1410-级。人们常常把其他参数转换成频率在进行测量，以提高测量的准去程度。子测量准确
度高真是它现代科技领域得到广泛应用的重要原因之一。
（4）测量速度快 电子测量是由于是通过电子运动和电磁波的传播来进行工作的，因此具有
其他测量方法通常无法类比的高速度。这也是它被广泛应用的一个重要原因。随着科学技术的发展，对测量过程和测量数据处理的速度都提出了越来越高的要求。因此，不断提高测量速度也是电子测量发展的一个重要方向。
（5）易于实现遥测和长期不间断测量
由于可以把电子测量仪器或与它连接的传感器放到人类不便长期停留或无
法达到的地区进行遥测，而且可以在被测对象正常工作的情况下进行现场测量，这就扩大了人类用测量的方法定量的认识世界的范围。
（6）易于利用计算机，形成电子测量与计算机技术的紧密结合
这个特点决定了电子测量技术可以成为当今测量技术的主流。由于电子测
量的测量结果和它所需求的控制信号都是电信号，这样非常有利于直接或间接通过A/D ，D/A 变化与计算机连接。电子测量和计算机技术的紧密结合，特别是从70年代以来，超大规模集成电路和微处理机的出现，更使电子测量领域发生了重大的变化。现在随着计算机功能的不断提高和成本的不断降低，就可以在不增加仪器体积和不明显增加成本的情况下，使仪器的性能发生很大的飞跃，是它具有高性能、更多功能、智能的特点。例如在测量中能够实现控制、遥控、自动调节、自动校准、自动诊断故障甚至自动修复，对测量结果可以进行自动记录，自动完成数据的运算、分析和处理。测量的速度和准确度也有很大的提高。
由于具有以上一系列特点，电子测量技术被广泛应用于自然科学的一切领
域。大到天文观测、宇宙航天，小到物质结构、基本粒子；从复杂深奥的生命、细胞、遗传问题到日常的工农业生产、医学、商业各部门，越来越多的采用了电子测量技术和设备。
1.6.2 电子测量仪器的发展
根据电子测量仪器所采用技术的先进程度，可以讲其分为三代产品，即模
拟式仪器、数字式仪器及智能仪器。
第一代测量仪器是模拟式仪器，这种仪器仪表至今仍在各个场合被广泛使用着。大量的指针式电压表，电流表、功率计以及模拟示波器，扫描仪等一些通用测试仪器，均是典型的模拟式仪器仪表。这类仪器仪表显示部分的几本结构是电磁式结构，它利用电磁测量原理，通过指针的移动或电子束的便宜来显示最终测量结果。它们的特点是结构简单，成本较低，易于维护，适合于对精度要求不高的场所。
第二代测量仪器的数字式仪器，它具有远较模拟式仪器为高的测量精度与响应速度。这类仪器仪表的几本原理在于将待测的模拟信号转化为数字信号进行测量，如数字式万用表，频率计等。今天数字化仪器仪表的增长速度已远远超过了模拟式仪器仪表。
第三代的测量仪器成为智能仪器。这类仪器仪表大致可分为两类，一类内含微处理器，被称为“内含微处理”或“微机化”仪器。另一类，仪器本身与微型机在硬件结构上是分开的，但仪器由微型机控制进行数据采集和处理，这类仪器应属于智能仪器的范畴仪器。智能仪器以微电子器件代替常规电子线路，以微处理器为核心，具有信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能，甚至具有辅助专家进行推断分析决策的能力。
现代竞争要求测试系统有更短的开发周期、更低的成本和更高的质量，因此自动化测试、测量在各科研单位、各公司企业内越来越受关注，电子测试已经不仅局限于对获取某些物理量，而要求将很多测量仪器组合起来，构成适用于某一特定目的的专用系统。而目前仍很普遍使用的第一、二代测量仪器具有功能单一，彼此不兼容，不能共享硬件和软件组织，不能将所得到的测量结果在计算机中进行微处理的缺点。这使得组建测试系统的成本很高，而开发、研究的效率却难以提高。与此相对，基于计算机技术的智能仪器能够有效的降低测试、测量系统的成本，共享测试系统的硬件和软件，提高开发效率，成为测试系统与测量仪器的发展方向。
7
第2章虚拟仪器及Labview基础
2.1 虚拟仪器概述
2.1.1 定义
虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件或必要的仪器硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作自己专门设计的传统电子仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的使用，提出了“软件就是仪器”的概念，这个概念克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的缺陷，摆脱了由传统硬件构成一件软件仪器在连成系统的模式，而变为由用户根据自己的需要通过编制不同的测试软件来组合构成各种虚拟仪器，其中许多功能直接就由软件来实现，打破了仪器功能只能由厂家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器还可以很快的跟上计算机的发展，升级重建自己的功能。这尤其适合科研与生产制造部门。
2.1.2 比较与差异
考察任何一台传统的只能仪器，都可以将其分解成以下三个部分：
（1）数据的采集：将输入的模拟信号波形进行调理，并经A/D转换成数字信号以待处理。
（2）数据的处理和分析：有微处理器按照功能要求对采集的数据作必要的分析和处理。
（3）储存、显示或输出：将处理后的数据存储、显示或经D/A转换成模拟信号输出。
传统只能仪器是有厂家将上述二种功能的部件根据仪器功能按固定的方式组建，一般一种仪器只能有一种功能或数种功能。而虚拟仪器是将具有上述一种或多种功能的通用模块组合起来，通过编制不同的测试软件来构成任何一种仪器，而不是某几种仪器。例如激励信号可以由微机产生数字信号，再经D/A 变化产生所需求的各种模拟信号，这相当于一台任意波形发生器。大量的测试
8
功能都可以通过被测信号的采样，A/D变换成数字信号，在经过处理即可，或者直接用数字显示而形成数字电压表类仪器，或者图形显示而成示波器类仪器，或者再对数据进一步分析即可形成频谱分析仪类仪器。其中，数据分析与处理以及显示等功能可以直接由软件完成。这样就摆脱由传统硬件构成一件件仪器然后在连成系统的模式，而变成由计算机、A/D及D/A等带共性硬件资源和应用软件共同组成的虚拟仪器系统新的概念。许多厂家目前已研制出了许多种用于构建虚拟仪器数据采集卡。一块卡可以完成A/D及D/A转换、数字输入输出、计数器/定时器等多种功能，在配以相应的信号调理电路组件，即可构成能生成各种虚拟仪器的硬件平台。
总之，虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处，就在于应用的灵活性上。虚拟仪器是用户自己定义的，用户可以将各种计算机平台、硬件、软件和附备件结合起来，组装成所需要的应用设备。而一般由生产厂商所定义的，具有固定功能的单个设备，例如电压表、示波器和数据记录等，则不具有这样的灵活性。因此利用虚拟仪器来取代传统仪器之后，用户将大大受益。
2.1.3 虚拟仪器对电子测量的影响
由于虚拟仪器的特点，将使它在电子测量领域得到广泛的应用：
在功能配置上，表现出了更高的灵活性。改变了过去传统仪器只能完成一种测量的弊病，集合多种仪器功能于一体，使仪器向多功能集成化方向发展。例如，可以在一台虚拟仪器上同时完成信号发生、显示波形、交直流电压/电流测量等功能。
虚拟仪器的出现，扩展了电子测量的概念。使得在测量的同时完成了对被测量的分析与处理。随着新技术的发展，许多领域对电子测量提出了更高的要求。例如在通讯领域，对新到的测量是要求在频域进行指标分析。应用虚拟仪器可以在数据采集之后，通过软件进行多种分析处理，完成时/频转换、能谱分析、提取信号特征量等。对被测量还可以进行存储、打印、局部放大等。
虚拟仪器在电子测量领域的使用，可以大大降低测量成本，提高仪器的利用率，通过通用硬件平台，调用不同的软件模块，就可以完成多种仪器的测量功能。对于用户而言，开放软件的成本比购买新仪器的成本低廉，并且这种方式也便于仪器的维护和使用，并能缩短仪器的开发周期。
9
2.2 Labview 概述
2.2.1 Labview软件简介
随着测试技术及大规模集成电路技术的发展，传统的电子测试仪器已从模拟技术向数字技术发展；虚拟仪器的出现给现代测试技术带来了一场革命，从单台仪器向多种功能仪器的组合及系统型发展，从完全由硬件实现仪器功能向软硬结合方向发展，从功能组合向以个人计算机为核心构成通用测试平台、功能模块及软件包形式的自动测试系统发展。同时，随着计算机技术的不断提高，现代自动测试系统正向仪器的自动化、智能化、小型化、网络化和综合化方向发展。
所谓虚拟仪器(Virtual Intrument，简称VI)，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，利用虚拟仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板以及相应的功能，人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板的上旋钮、开关和按键，去选用仪器功能，设置各种工作参数，启动或停止一台仪器的工作。在计算机软件控制下对输入的信号进行采集、分析、处理、测试量结果(数据、波形)和仪器工作状态都可从虚拟仪器面板上读出。用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。
2.2.2 Labview概述
Labview是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是美国国家仪器公司(National Instruments，简称NI)的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。
数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实验室研究核工业自动化领域广泛存在的实际任务。在20世纪80年代初计算机出现之前，几乎所有拥有程控仪器的实验室都采用贵重的仪器控制器来控制测试系统，这些功能单一、价格昂贵的仪器控制器通过一个集成通讯端口来控制总线仪器。后来，随着PC机
10
的出现，工程师和科学家找到了一种通过性能价格比高的通用PC机控制台式仪器的方法，各种基于PC机接口的板卡产品便应运而生。
2.2.3 Labview的应用
Labview在包括航天、通讯、生物医学、电子、地球物理、机械等各个领域内得到广泛的应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以发现应用Labview的成果和开发产品。
(1) Labview应用于测试于测量
Labview已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI、PLC串行设备和插卡数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。
(2) Labview应用于控制
控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的Labview自然而然地首先拓展至控制领域。Labview拥有专门用于控制领域的模块----Labviewdsc。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的Labview驱动程序。使用Labview可以非常方便的编制各种控制程序。
(3) Labview应用于仿真
Labview包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以现在计算机上用Labview搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用Labview进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。
11
12
第3章 相位测量方法及原理
3.1 相关法
随着计算机技术和仪器技术的发展，由硬件电路实现的信号处理功能正逐步由软件替代。虛拟仪器是以软件为核心，由计箅机及必耍的硬件组建起来的测试系统或仪器系统,在计箅机上对虛拟仪器面板的操作与现实中的仪器而板操作一样。用一个简单的公式来描述就是虚拟仪器＝软件＋计算机＋必要的硬件。由于软件是虚拟仪器的关键，在虚拟仪器中，用户可以自已设计或定义新的理论和新的算法来适应不同的测量需求，仪器的功能更加灵活、 强大,且很容易同网络、外设及其它应用连接，可很快更新所设计的仪器，这样不仅价格低，还能减少仪器的研制时间，降低仪器的维护费用。所以有软件就是仪器”的说法。 1986 年美国NI 公司首次提出了虛拟仪器的概念,并开发了以此概念为基础的基于C 语言的虚拟仪器开发平台Labview/CVI 系统。虚拟仪器开发平台Labview/CVI 提供了虚拟仪器的编程环境,用它所提供的各种与实际仪表外观几乎一样的控件、指示器等可以很方便地组成用户所需的仪表界而。
由于釆用虚拟仪器技术,传统的由硬件电路实现的相位测量方法有了重大突破，以下的相关法与过零点法具有测里结果准确度髙，抗干扰能力强等优点。
3.1.1相关法测量相位差的原理
1)根据互相关函数特性求出两信号的初相位
两信号的互相关函数)(^τxy R 不是偶函数，根据其定义可证明)(^)(^ττ-≠xy R xy R ，此式说明，互相关函数与两信号的相位差?和延时量τ有关，当0→τ时，)0(^xy R 就只与两信号的相位差?有关。基于此可求出?，设)sin()(;sin )(?ωω+==t B t y t A t x 。式中A ，B 分别是被测信号)(),(t y t x 的幅值，?就是两信号之间的相位差，根据相关函数的定义)(^τxy R 的估计值为：
13
dt t tB A T t y t x T xy R T T ??++=+=00])sin[(sin 1)()(1)(^?τωωττ （3-1）
当0=τ时，有
dt t B A T t y t x T xy R T T ??+=+=00)sin(sin 1)()(1)(^?ωω?τ （3-2）
??+=T T dt t t AB dt t AB T 00
2)sin cos sin cos sin (1?ωω?ω 上式中第2项的积分为零，所以有：
??ωτcos 2cos sin 1)(^02AB dt t AB T xy R T ==? （3-3）
由此可求出两信号的相位差为：
AB xy R )(^2cos τ?=或AB xy R )(^2arccos τ?= （3-4）
式中A 、B 可由)(),(t y t x 自相关函数求出。
2)互相关函数的离散表达式
当用计算机进行处理时，必须对北侧信号进行采样，连续信号)(t x 变为离散时间序列1,,2,1,0),(-=k n n x 。连续信号)(t y 变为离散时间序列1,,2,1,0),(-=k n n y 。计算相关函数的积分表达式变为求和式，可表示为：
∑-==102)(1)0(^k n n x n x R （3-5）
∑-==102)(1)0(^k n n y n y R （3-6）
∑-==1
0)()(1)0(^k n n y n x n xy R （3-7）
式中k 为采样点数。
3.1.2相关法测量相位差的误差
相关法测量相位差的误差来源很多，主要是由于量化误差、噪声干扰所引
起的。在数据采集系统中，量化噪声是一类很重要的随机误差，这类误差是由于A/D 变换器的非线性传输特性引起的。在分析量化噪声时，可把A/D 变化器看作从连续幅度的输入到离散幅度输出的一种非线性映射，在这种映射引起的误差，可以利用随机统计的方法也可以利用非线性确定方法进行研究。为了分析方便，目前最多文献采用的是随机统计方法。
14
3.2 过零点法
过零点发是通过计算两个或多个同频信号过零时刻的时间差，再将时间转换为相位差。过零法处理的信号是实际连续信号采样后的离散数字信号，依据这些离散数字信号的特征，如何判断信号的过零点成为算法的关键。
3.2.1过零法测量原理
过零法即通过判断两同频率信号过零点时刻，计算其时间差，然后转换为相应的相位差。这一过程如图3-1所示。
图3-1 两同频信号图
相位差的计算公式为：360?÷?=?T t φ
其中t ?为过零点时差；T 为信号周期。
用软件实现时，信号被采样离散化，用一组数表示，t ?与数组元素的序号之差有关。假设信号1过零点，对应数组第i 个元素，信号2的过零点对应其数组第j 个元素，则有：T t i j ÷?-=?)(φ（其中t 为采样周期）。
辽宁工业大学 电子综合设计与制作（论文）题目：低频数字式相位测量仪 院（系）：电子与信息工程学院 专业班级：电子班 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：2013.12.13-2014.1.10
电子综合设计与制作（论文）任务及评语
摘要 该设计是低频数字式相位测量仪，设计思路为输入一个低频正弦信号通过分支路正常输出，另一路不通过移相器输出一个相位改变频率不变的正弦波。得到上述两路频率相同相位不同的信号后就要测出两信号的相位差和频率，在做此工作前先要经过相位测量前置级信号处理电路，由阻抗变换和放大、限幅、电平转换、整形电路组成。经过相位测量前置级信号处理电路得到两路方波，通过异或门输出一个脉冲序列与晶振产生的基准脉冲波进行与操作得到调制后的波形，在一定的时间范围内对脉冲的个数进行计数通过计算得到相位差和频率。再通过单片机控制显示器显示出所需结果。 关键词：低频；正弦；移相器；异或门；整形；
目录 第1章可编程增益放大器设计方案论证 (1) 1.1可编程增益放大器的应用意义 (1) 1.2可编程增益放大器设计的要求及技术指标 (1) 1.3 设计方案论证 (2) 1.4 总体设计方案框图及分析 (3) 第2章可编程增益放大器各单元电路设计 (4) 2.1 输入调整电路设计 (5) 2.2 中间级放大电路设计 (5) 2.3 输出级电路设计 (5) 2.4 增益调整电路设计 (6) 第3章可编程增益放大器整体电路设计 (7) 3.1 整体电路图及工作原理 (7) 3.2 电路参数计算 (7) 3.3 整机电路性能分析 (8) 第4章设计总结 (9) 参考文献 (10)
XXXXXX项目式教学 设计报告 课程名称：电路综合设计 项目名称：单片机数字相位差计的设计专业班级： 学生姓名： 指导教师： 开课时间： 报告成绩：
数字相位差计的设计与实现 摘要 随着数字电子技术的发展，由数字逻辑电路组成的控制系统逐渐成为现代检测技术中的主流，数字测量系统也在工业中越来越受到人们的重视。 在实际工作中，常常需要测量两列频率相同的信号之间的相位差，来解决实践中出现的种种问题。例如，电力系统中电网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这时需要精确测量两列工频信号之间的相位差。如果两列信号之间的相位差达不到相同，会出现很大的电网冲激电流，对供电系统产生巨大的破坏力，所以必须精确地测量出两列信号之间的相位差。本设计由STC89C51构成的最小系统，通过外围扩展，精确测量工频电压的相位差，采用LCD1602显示相位差，功耗小，精确度高，稳定性能好，读数方便且不需要经常调试。 关键词：单片机、低频、相位差、LCD
一、绪论 1.1课题的意义 众所周知，相位是交变信号的三要素之一，而相位差则是研究两个相同频率交流信号之间关系的重要参数。相位差的测量是电气测量的一项基本内容，其含义为测量两个同频率周期信号的相位差值。 例如某一电路系统输入信号与输出信号之间的相位差，三相交流电两个相电压或两个线电压之间的相位差，相电压与相电流之间的相位差等。 又如，在自动控制理论中，系统的相频特性为在不同频率正弦信号作用下，系统的输出信号与输入信号之间的相位和频率的函数关系。 此外，同频率正弦信号的相位差测量在工业自动化、智能控制及通讯电子等许多领域都有着广泛的应用。如电工领域中的电机功角测试，等等。 因此相位差的测量是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。 1.2课题要求 本设计研究了一种可测20Hz-20kHz 内波形（正弦波、三角波、矩形波）数字相位差测量仪的设计方法。主要内容是以STC89C51为控制核心，实现对音频范围内的正弦交流信号的相位的测量，可测的信号相位差在0～360? 度范围内，测量精度可达0.1? 。两路信号（同频、不同相）通过过零比较器电路整形成矩形波信号，再通过鉴相器，D 触发器二分频得到相位差信号。这样就构成了相位测量系统的测量电路。再将该相位差信号送入单片机的外部中断端口，通过单片机对数据的处理，最后方可得到所要测量的相位差，并在液晶上显示出测量结果。 二、相位测量方案论证与选择 2.1设计方案论证 方案1：相位——电压转换法 相位--电压转换式数字相位计的原理框图如图2-1
LabVIEW技术大作业 题目：基于LabVIEW的巴特沃斯窗函数滤波器的设计学院：信息与通信工程学院 专业：通信工程 班级：通信081班 学号：2008026121 姓名：王美玲
一、 虚拟仪器及LabVIEW 的相关介绍 虚拟仪器（virtual instrument ）是基于计算机的仪器。计算机与仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合有两种方式，一种方式是将计算机装入仪器，典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能日益强大以及体积的日益减小，这类仪器的功能也越来越强大，目前已经出现含有嵌入式系统的的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器的功能。虚拟仪 主要是这种方式。常见的虚拟仪器组建方案： 二、虚拟仪器的特点 （1）尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 （2）可以充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出强大的仪器。 （3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，其研究中涉及的基础理论主要是数据采集和数字信号处理。在这领域中使用比较广泛的计算机语言和开发环境就是美国NI 公司的LabVIEW 。 三、LabVIEW 的简介 LabVIEW （laboratory virtual instruments engineering workbench ）是一种图形化的编程语言环境，它广泛的被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 不仅提供了与遵从GPIB ，VXI ，RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持TCP/IP ，ActiveX 等软件标准的数据库函数，而且其图形化的编程界面使编程变得生动有趣。LabVIEW 是一个功能强大且灵活的软件。 以LabVIEW 为代表的图形化语言程序，又称为“G ”语言。使用这种语言编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。LabVIEW 尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，因而它是一种面向最终客户的开发工具，可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，可以实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。 利用LabVIEW ，可以产生独立运行的可执行文件。LabVIEW 的真正的32位编译器，像其他软件一样，LabVIEW 提供了Windows 、UNIX 、Linux 和Macintosh 等多种版本。 四、基于LabVIEW 的巴特沃斯传函数滤波器的设计的系统原理介绍 数字信号处理现在已经发展到各个领域都需要的程度，医学、军事、以及工业设计等方面都应用很广泛。在数字信号处理的理论基础上最重要的是滤波的功能。滤波器的种类有许多，根据幅频特性分为低通滤波、高通率波、带通滤波和带阻滤波根据信号不同可以分为数字滤波器和模拟滤波器。根据种类不同，有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、模拟滤波器和巴塞尔滤波器等。滤波器设计的理论和设计方法已经相当发展的相当成熟，而且有多种典型的模拟滤波器供我们选择，根据自己掌握的知识本次试验采用的是巴特沃斯滤波器，可以实现高通、低通、带通和带阻的滤波的功能。选择巴特沃斯被 测 对 象 信号调理 数据采集 卡 数据处理 虚拟仪器面板
目录 绪论 (1) 摘要 (2) 1 结构设计与方案选择 (3) 1.1 基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述 (4) 1.1.1 相位－电压法 (4) 1.1.2 相位－时间法 (5) 1.2 方案的比较与选择 (6) 2 相位－时间法单元电路的原理分析与实现方法 (6) 2.1 前置电路设计与分析 (6) 2.1.1 放大整形电路的分析与实现 (6) 2.1.2 锁相倍频电路的分析与实现 (7) 2.2 计数器及数显部分的设计与分析 (9) 2.2.1 计数器部分的分析与实现 (9) 2.2.2 译码显示部分的分析与实现 (10) 3 结论 (12) 4 参考文献 (13) 附录1：元器件名细表 (14) 附录2：相位时间法总体电路原理图 (15) 附录3：相位时间法总体电路PCB板 (16) 附录4：相位时间法总体电路PCB板3D视图 (17)
随着科学技术突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。数字相位差测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在电力系统中电网并网合闸时，需要两电网的电信号相同，这就需要精确的测量两工频信号之间的相位差。更有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具备重要意义。相位测量的方法很多，典型的传统方法是通过显示器观测，这种方法误差较大，读数不方便。为此，我们设计了一种数字相位差测量仪，实现了两列信号相位差的自动测量及数显。近年来，随着科学技术的迅速发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简单，功能越来越多。 本低频数字相位测量仪主要是测量电压和电流的相位差，由整形放大电路、基本门电路、锁相倍频、计数译码等集成电路构成。测量的分辨率可达到0.1°，可测信号的频率范围为0Hz～250Hz，幅度为0.5Ⅴ，由于74HC4046的性能比较好，使得所制得的仪器精度相对较高，达到了任务书中所规定的要求。
低频数字式相位测量仪 该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三个模块构成,分别由两块单片机独立地实现控制与显示功能。采用ＤDS技术生成两路正弦波信号，并通过改变存储器中数据读取的起始地址来实现数字移相的功能,用Ф-T变换技术来实现相位差的测量,使得显示分辨率精确到0.０１o，测得的频率与相位差值送入LCＤ进行显示,加入红外键盘以及语音播报的功能，使得系统具有智能化、人性化的特色。 关键词:相位测量频率测量数字移相DDS语音播报 一方案论证与设计 1 相位测量方案 方案一：采用脉冲填充计数法。将正弦波信号整成方波信号，对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列的脉宽可以反映两列信号的相位差,以输入信号所整成的方波信号作为基频，经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲，由单片机对获取的计数值进行处理得到两路信号的相位差。 方案二:鉴相部分同方案一,将两路方波信号异或后与晶振的基准频率进行与操作，得到一系列的高频窄脉冲序列。通过两片计数器同时对该脉冲序列以及基准源脉冲序列进行计数,一路方波信号送入单片机外部中断口，作为控制信号控制两片计数器。得到的两路计数值送入单片机进行处理得相位差值。 对以上方案进行比较，方案一在所测频率较高时,受锁相环工作频率等参数的影响会造成相位差测量的误差，采用方案二由高精度的晶振产生稳定的基准频率,可以满足系统高精度、高稳定度的要求。 ２频率测量方案 方案一：用专用频率计模块来测量频率,如ＩＣM7216芯片,其内部带放大整形电路，可以直接输入正弦信号，外部振荡部分选用一块高精度晶振和两个低温度系数电容构成1０MHｚ振荡电路，其转换开关具有０.01s,0.1s，1s,10s四种闸门时间,量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果。该方案外围硬件电路较为复杂。 方案二:利用可编程计数器来实现频率的测量，将被测信号转换为方波信号输入可编程计数器825４的某一路Clｋ端口，并将Gate端置为高电平，利用单
存档日期：存档编号： 本科生（） 题目：基于FPGA和MCU的相位测量仪的设计 学院：电气工程及自动化学院 专业：电气工程及其自动化 XX大学教务处印制
随着社会和历史的不断进步，相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，数字式相位测量仪因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。 本文首先论述了相位测量技术的国内外发展概况，并根据现状设计了此相位测量系统。该设计包括系统设计的理论分析，系统结构设计及硬件实现，最终验证了该测量系统的可行性和有效性。 该设计采用单片机与FPGA相结合的电路实现方案,很好地发挥了FPGA的运算速度快、资源丰富、编程方便的特点,并利用了单片机的较强运算、控制功能,使得整个系统模块化、硬件电路简单、使用操作方便。文章主要介绍设计方案的论证、系统硬件和软件的设计,给出了详细的系统硬件电路图和系统软件主程序流程图。 关键词: 数字式相位测量仪单片机 FPGA 设计方案
Along with the social and historical progress, phase measurement technology is widely used in national defense, scientific research, production and other fields, on the phase measurement requirements are also gradually to high precision, high intelligent direction, in the range of low frequency digital phase measurement instrument, because of its high precision measurement resolution and highly intelligent, intuitive characteristics have been more and more widely applied. This text first discusses the phase measuring technology development in domestic and international, and according to the present situation designs the phase measuring system. The design includes system design theory analysis, system structure design and hardware realization, finally verified the feasibility and validity of the system. The bination of MCU and FPGA is adopted in the design .It has the features of FPGA high operating speed, abundant resources and convenient programming. And the use of MCU’s strong operation and control function, which makes the whole system modularized, the hardware circuit is simple and the operation is convenient. The paper mainly introduces the designs of the demonstration, hardware and software, the hardware circuits and main software program are given in detail.
《虚拟仪器作业》 院系： 专业： 年级： 姓名： 学号： 年月日
1、虚拟温度计的设计 选用电压输出型集成温度传感器LM135，该传感器的灵敏度为10mV/K，输出电压正比于绝对温度。采用一个“油罐”控件来模拟温度传感器的输出，并设定被测量介质的温度范围为0～100°C，通过调节油罐中液体的多少来模拟温度传感器的输出。设计界面如错误！未找到引用源。所示，虚拟的温度传感器可以在摄氏温标和华氏温标之间切换，换算公式为F＝（C×9/5）＋32，式中F为华氏温度，C为摄氏温度。 图 1 虚拟温度计面板 2、创建一个VI 程序，比较两个数, 如果其中一个数大于或等于另一个数，则LED 点亮。 3、创建一个VI程序,该程序完成的功能是：产生一个0.0 ~10.0 的随机数与10.0相乘,然后 通过一个VI子程序将积与100相加后开方,将结果输出显示。 4、设计一VI，使用移位寄存器计算最后３次测量中的算术平均值，并送Chart 显示。在 此VI 中调用前面练习中中创建的Thermometer.VI作子VI，完成温度检测。 5、分别用While循环和For 循环显示随机数序列。 6、使用For循环与移位寄存器实现n！的运算。 7、使用For Loop 和移位寄存器计算随机数列中的最大值。 8、用Waveform Chart实时监测两个温度测量输出。（可以通过随机函数发生器模拟温度输 出。）实现双曲线显示。 9、创建一个可以产生并在图表中显示随机数的VI。前面板有一个控制旋钮可在0~60s之间 调节循环时间。并通过一个开关可以终止VI的运行。程序的一个运行界面和程序框图设计如图所示。
目录 前言 (2) 一、功能特点 (3) 二、技术指标 (3) 三、结构外观 (4) 1.结构尺寸 (4) 2.面板布置 (4) 3.键盘说明 (5) 四、液晶界面 (6) 五、使用方法 (10) 六、打印功能 (13) 七、注意事项 (13) 附录：三相三线计量接线48种接线结果 (14) 差动保护正确矢量图 (16)
前言 随着电力行业的发展和微机综合自动化产品的推广应用，保护回路和计量回路的接线正确与否直接影响到电力系统工作的稳定性和电费计量的准确性，而这两点正是电力系统非常重要的两个方面。由于保护装置和高压计量装置的接线比较多，容易造成错误接线，而又不易被察觉，（尤其是差动保护的复杂接线，有时高低侧同时引入，又存在不同的联结组别，极易接错，而在平时运行中又可能不会误动或拒动，存在很大的隐患）。武汉华亿通电气有限公司根据现场测试需要，适时开发出SL型矢量分析仪。它集多功能于一身，即可做相位仪校验主变差动保护和母线差动的正确性，又可作为电参量测试仪测试电力系统必要的参数，还可用做三相三线电能计量接线检测仪器。采用dsp交流采样，可同时测量3路电压和6路电流模拟量，仪器首创9通道矢量同屏显示，人机对话界面友好，使用简便，大大方便了现场使用，是电力工作者的得力助手。
一、功能特点 1、大容量锂电池供电，连续工作长达4小时。 2、3路电压，6路电流矢量同屏显示，国内首创。 3、集保护矢量分析；相位伏安测试；电能计量接线矢量分析多种仪器于 一身。 4、大屏幕、高亮度的液晶显示，全汉字菜单及操作提示实现友好的人机 对话，触摸按键使操作更简便，宽温液晶带亮度调节，可适应冬夏各季。 5、用户可随时将测试的数据通过微型打印机将结果打印出来。 6、体积小重量轻：283×218×128，2kg 7、预留双USB接口，可外接优盘等移动存储设备。 二、技术指标 1、输入特性 电压测量范围：0~450V。 电流测量范围：0~6A。 2、准确度 电压、电流、频率：±0.2% 功率：±0.5% 3、工作温度：－15℃~ +40℃ 4、充电电源：交流160V~260V 5、绝缘：⑴、电压、电流输入端对机壳的绝缘电阻≥100M?。 ⑵、工作电源输入端对外壳之间承受工频2KV（有效值），历时1 分钟实验。 6、体积：32cm×28cm×13cm 7、重量：2Kg
低频数字式相位测量仪（C 题） 一、任务 设计并制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分，示意图如下： 二、要求 1、基本要求 （1）设计并制作一个相位测量仪（参见图1） a ．频率范围：20Hz ～20kHz 。 b ．相位测量仪的输入阻抗≥100k 。 c ．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V ～5V 范围内变化。 d ．相位测量绝对误差≤2°。 e ．具有频率测量及数字显示功能。 f ． 相位差数字显示：相位读数为0o ~359.9o ，分辨力为0.1°。 （2）参考图2制作一个移相网络 a ．输入信号频率：100Hz 、1kHz 、10kHz 。 b ．连续相移范围：－45°～＋45°。 c ．A ＇、B ＇输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V ～5V 范围内变化。 2．发挥部分 （1）设计并制作一个数字式移相信号发生器（图3），用以产生相位测量仪所需的输入 图3 数字式移相信号发生器 图1 相位测量仪
正弦信号，要求： a．频率范围：20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。 b．A、B输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。 c．相位差范围为0～359°，相位差步进为1°，相位差值可预置。 d．数字显示预置的频率、相位差值。 （2）在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦电压峰-峰值至0.3V～5V范围。 （3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验。 （4）其它。 三、评分标准 四、说明 1、移相网络的器件和元件参数自行选择，也可以自行设计不同于图2的移相网络。 2、基本要求（2）项中，当输入信号频率不同时，允许切换移相网络中的元件。 3、相位测量仪和数字移相信号发生器互相独立，不允许共用控制与显示电路。
JJG 47~1990 抖晃仪检定规程 JJG 48~1990 硅单晶电阻率标准样片检定规程 JJG 64~1990 超低频信号发生器检定规程 JJG 66~1990 高频电容损耗标准试行检定规程 JJG 69~1990 高频Q标准线圈试行检定规程 JJG 120~1990 波形监视器检定规程 JJG 121~1990 视频杂波测试仪检定规程 JJG 122~1986 DO6型精密有效值电压表检定规程 JJG 123~1988 直流电位差计检定规程 JJG 124~1993 电流表、电压表、功率表及电阻表检定规程 JJG 125~1986 直流电桥检定规程 JJG 126~1995 交流电量变换为直流电量电工测量变送器检定规程JJG 127~1986 HP4191A型高频阻抗分析仪试行检定规程 JJG 137~1986 CC-6型小电容测量仪检定规程 JJG 138~1986 CCJ-IC型精密电容测量仪检定规程 JJG 153~1996 标准电池检定规程 JJG 163~1991 电容工作基准检定规程 JJG 166~1993 直流电阻器检定规程 JJG 169~1993 互感器效验仪检定规程 JJG 173~1986 XFC-6A型标准信号发生器检定规程 JJG 183~1992 标准电容器检定规程 JJG 183~1992 标准电容器检定规程
JJG 218~1991 电感工作基准检定规程 JJG 230~1980 XFD-7A型低频信号发生器试行检定规程 JJG 242~1995 特斯拉计检定规程 JJG244-2003 感应分压器检定规程 JJG 250~1990 电子电压表检定规程 JJG 251~1997 失真度测量仪检定规程 JJG 252~1981 RS-2及RS-3型校准接收机检定规程 JJG 253~1981 用Д1-2型衰减标准装置检定衰减器检定规程JJG 254~1990 补偿式电压表检定规程 JJG 255~1981 三厘米波导热敏电阻座检定规程 JJG 256~1981 DYB-2型电子管电压表检定仪检定规程 JJG 262~1996 模拟示波器检定规程 JJG 278~2002 示波器校准仪检定规程 JJG 279~1981 WFG-IB型高频微伏表检定规程 JJG 280~1981 M4-1（MTO-1）型标准热敏电阻桥检定规程JJG 281~1981 波导测量线检定规程 JJG 282~1981 同轴热电薄膜功率座检定规程 JJG 303~1982 频偏测量仪检定规程 JJG 307~1988 交流电能表（电度表）检定规程 JJG 308~1983 超高频毫伏表检定规程 JJG 313~1994 测量用电流互感器检定规程 JJG 314~1994 测量用电压互感器检定规程
一、数据采集与仪器控制类课题 1 基于热电偶温度传感器的温度测量系统卓景军 （1）基于BNC 2120实验箱的热电偶温度传感器实现温度采集； （2）数据超上、下限报警和次数的分别统计； （3）参数设置需具有运行中可调功能； （4）数据可定时和定量（模式可选）存挡（txt和Excel格式，单文件存储），数据文件回放到数据表格和波形实时显示窗口； （5）测量过程可网上浏览。 2 基于声卡的声级计设计董秋怡 （1）音频信号数据采集格式在面板上可选；数据采集速率在面板上可调； （2）采集的音频信号可显示在面板上； （3）参数设置需具有运行中可调功能； （4）测量输入音频信号的声级大小，以数据和曲线方式显示测量结果； （5）音频数据的多次记录和回放。 3 基于声卡的虚拟仪器示波器设计钟郑瑰 （1）从声卡采集数据,并实时在面板上显示数据和波形曲线； （2）能分析测量数据（如平均值、波峰值、频率等）； （3）可以实时地调节示波器的各种输入参数（扫描速率、量程等）； （4）数据可以多次保存于数据文件中，并可回放数据文件中的数据波形； （5）测量过程可网上浏览（以单首歌曲为例） 4 基于声卡的声音信号分析仪刘嘉诚 （1）数据采集格式和速率在面板上实时可调节； （2）能对采集到的声音信号进行平均值和功率谱等分析； （3）采集的数据定时和定量地多次写成磁盘文件（允许多文件或记录时间始末的单文件），并可以回放； （4）测量过程可网上浏览。 5 基于数据采集卡的虚拟仪器示波器设计孙铭涛 （1）从DAQ6221卡（及BNC2120实验盒）采集（模拟信号）数据,并实时在面板上显示数据和波形曲线； （2）能分析测量数据（如平均值、波峰值、频率等）； （3）可以实时地调节示波器的各种输入参数（扫描速率、量程等）； （4）数据可以多次地随时保存和定时保存，可回放数据文件中的数据波形； （5）测量过程可网上浏览。_不做要求。 6 基于数据采集卡的信号分析仪李土权 （1）数据采集速率和采样数在面板上可调节； （2）能对采集到的进行信号平均值、频率、幅度和功率谱等分析； （3）采集的数据定时和定量地多次写成磁盘文件，并可以回放； （4）数据可以多次地随时保存和定时保存，可回放数据文件中的数据波形； （5）测量过程可网上浏览。 7 信号发生器程序设计 （1）函数信号发生器程序设计； （2）公式波形发生程序设计； （3）数据采集程序设计（验证信号输出的状况）。
专业方向课程设计报告 课题名称：数字式相位差测试仪姓名： 学号： 班级： 专业： 归口系部： 起迄日期: 指导教师: 提交报告日期: 2015年12月18日
数字式相位差测试仪 目录 一、设计任务和目的 _________________________________ - 1 - （一）设计任务 ___________________________________ - 1 - （二）设计目的 ___________________________________ - 1 - 二、设计要求 ________________________________________ - 1 - 三、工作原理 _______________________________________ - 1 - 四、设计框图 _______________________________________ - 2 - 五、主要参考器件（软件仿真，用Proteus） ____________ - 2 - 六、各模块电路分析 _________________________________ - 3 - （一）移相电路部分_______________________________ - 3 - （二）放大整形电路部分___________________________ - 3 - （三）锁相倍频电路部分___________________________ - 4 - （四）计数器及数字显示部分_______________________ - 5 - （五）相位超前于滞后显示部分_____________________ - 6 - 六、仿真___________________________________________ - 7 - 七、心得体会 _______________________________________ - 8 - 八、参考文献 _______________________________________ - 8 - 附：数字式相位差总电路图_____________________________ - 9 -
电子测量原理 低频数字式相位测量仪 班级:电子信息工程 姓名：何静峰 学号:20１140751５8 日期:2０１４年4月15日
系统方案 １ 相位测量仪方案 方案一：单周波计数法。将有相位差的两路方波信号进行”异或”后作为闸门，在高电平时，利用外部高频信号进行计数，在下降沿将数据读出,低电平时对计数器清零。设晶振频率为f c ，测得信号的频率为f r ，计数值为N ，则相位差ｐh ａs ｅ为 o c r N f f phase 180??= 方案二：定时间计数。将高频时钟信号和两路信号异或得到的信号进行“与”，在设定时间s 内利用其上跳变沿计数，设高频时钟频率为f ｃ,计数值为N,则 o c sf N phase 180?= 方案三：多周期同步计数法。设被测信号的频率为f,则将一被测信号进行ｆ1倍（f 取整）分频，则在f 1周期内(保证测量时间在1ｓ左右)，被测信号异或与参考高频信号相与的信号sin ｇal1的计数为Ｎ1,同时期参考高频信号的计数为Ｎ,则 o N N phase 1801?= 以上三种方案都可以采用一个D 触发器将相位测量的相位扩展到o 0-o 360。方案一需高速时钟,按题目要求,在20kHz 信号时的相位差分辨率为0．1ｏ，则要求时钟最少为７2ＭＨz ，实现困难。而方案二测量时间段一定，存在遗漏0~1个周波的情况，从而引入较大的误差。方案三的读数与异或得到的信号同步,不存在遗漏问题，误差很小,故采用此方案。 2 移相信号发生器
⑴频率合成器方案 方案一：采用函数发生器8０3８。可以同时产生正弦波、三角波、方波，频率可由调制电压控制，但此方案难以实现相移,而且输出频率不稳定。 方案二:采用直接数字频率合成(DDＦS)方案。用存储器存储所须的波形量化数据，采用不同时钟频率的地址计数器，根据计数值读出存储器中的量化数据，再经Ｄ/A转换后滤波整形输出。此方案可以很好地控制两路波形的相位差以及频率。 经上述比较，我们采用方案二。 ⑵幅度控制 方案一:利用可调电位器手动调节电压幅值。 方案二：通过控制D/A的参考电压控制输出波形的幅度。参考电压可通过对另一Ｄ／A置数从而输出不同电压，进而控制输出波形的幅度。 方案二可以预置幅值，并且比较精确,方便操作,故选方案二。 经上面方案论证，我们采用如下的系统方案： 设计技术指标 (1)相位测量仪 a．频率范围：2０Hz～2０ｋHz。
石家庄铁道大学实验报告课程名称虚拟仪器技术分院试1304 班桌号 实验者姓名钱玉喜实验日期2016 年月日 评分教师签名 实验项目名称实验一 练习1：分别利用for和while循环的移位寄存功能，用两种方法求0＋5＋10＋15…＋45＋50的值（等差数列的和）。
练习2：设计一评分程序，输入不同的分数会得到不同的评论，分数小于60，“不及格”指示灯会亮起来，同时显示字符串“你没有通过考试”；分数在60～69之间，“及格”指示灯会亮起来，同时显示字符串“及格”；分数在70～79之间，“中等”指示灯会亮起来，同时显示字符串“你考试通过了”；分数在80～89之间，“良好”指示灯会亮起来，同时显示字符串“成绩良好”；分数在90～99之间，“优秀”指示灯会亮起来，同时显示字符串“恭喜”；分数为100，“第一名”指示灯会亮起来，同时显示字符串“第一名”；如果输入为0～100以外的数字，会有错误提示，同时显示字符串“错误”。
石家庄铁道大学实验报告课程名称虚拟仪器技术分院试1304 班桌号 实验者姓名钱玉喜实验日期2016 年月日 评分教师签名 实验项目名称实验二 练习3：用顺序结构实现数值匹配：输入1～100之间的任意1个整数，然后系统随机产生1～100之间的整数，直到和预先输入的整数一样，然后输出匹配的次数和匹配的时间。
练习100次累加，用累加值除以循环次数，求这些随机数的平均数。再用判断平均数是否在范围内，如果在此范围内则点亮指示灯，‘比较’子模板中的‘判定范围并强制转换’函数判断数的范围。
石家庄铁道大学实验报告课程名称虚拟仪器技术分院试1304 班桌号 实验者姓名钱玉喜实验日期2016 年月日 评分教师签名 实验项目名称实验三 练习1：建立一个VI，产生一个包含20个随机数的数组，并输出它的第1，5，12，18个元素所组成的数组。
目录 1.设计任务书。 2.设计方案概述。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理。 4.电路的组成及参数选择。 4.1整形电路及信号C的形成。 4.2滤波电路的参任务计划书。 4.3V/f变换电路的设计。 4.4 89C52内部资源的利用。 5.应用实例。 6.结论。 7.总结。 一、设计任务书 （一）任务 设计仿真一数字相位计 （二）主要技术指标与要求： （1）输入信号频率为0HZ～250HZ可调 （2）输入信号的幅度为0.5V （3）采用数码管显示结果，相位精确到0.1° （4）采用外部5V直流电源供电 （三）对课程设计的成果的要求（包括图表） 设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书。要求图纸布局合理，符合工程要求，所有的器件的选择要有计算依据。 二、设计方案概述 根椐设计任务书的要求，我们参考了一些相关资料书，经过小组的讨论分析，提出了一种用v/f变换测量交流电的相位差的新方法：首先产生出其幅度正比与相位差大小的直流电，再有v/f变换器转换成反映相位差大小的频率信号，在单片机的配合下，最终得到相位差。这种方法具有分辨率高，适应与大范围的各种输入频率等优点。 正弦交流电电信号相位差的测量可以用多种方法实现。比较直接的数字式测量方法是在已知信号周期的前提下用定时的方法测得相位差角对应的时间，然后根据已知的周期将其换算成相位差角度。但
是，这种方法的测量精度依赖于定时器的精度和分辨率。在信号频率较高或频率虽不高但相位差较小时，都可以出现较大的误差。另外，由于直接测量得到的是时间，相位差角要由这一中间结果与信号的周期运算后才能得到，所以周期的测量不可缺少，其测量的精度也将影响相位差的精度。 在此用一种新的思路进行相位差的测量，用v/f变换器把相位差转换成一个其频率与之成正比的脉冲列，通过计算在一定时间内的脉冲个数测量相位差角。这种测量方法与信号的周期无关，可以得到较高的精度。题达到了0.1的测量精度，与此同时工业运行控制中现场操作，修改和设置等问题也得到了很好的解决，以上这些都在工业运行中得到了厂方的认可。存在的问题主要是本仪器通用性很不强，很难在更大的范围应用和推广，只能运用与某些特定的企业。今后的工作主要硬件和软件的改进上，列入增加一些通用行很强的功能模块。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理 首先将输入的两个同频率但存在着相位差的信号进行整形，使之变成方波。如图1示A和B 再对A,B进行异或处理, 异或输出信号C 的脉冲宽度则反映相位差角.C 的脉宽T1对应的电角度是相位差角,C 的周期T2 是信号周期T 的1/2.如果信号角频率为w 则T1= /w. C为幅值为U 的方波其平均值Ud=UT1/T2=U 由此可见,C 的平均值( 亦即直流分量)仅与相位差角和脉冲幅 度有关与信号周期无关
《电子技术》课程设计报告课题：数字式相位差测量仪 班级电气1112 学号 1111205423 学生姓名孟雷 专业电气工程及其自动化 院系电气学院电子系 指导教师专业方向课程设计指导小组 淮阴工学院 电子信息工程系 2014年12月
一、设计目的与任务 《电子信息工程专业方向》课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在完成本专业所有课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的、系统的、综合的工程训练。在教师指导下，运用工程的方法，通过一个较复杂课题的设计练习，可使学生通过综合的系统设计，熟悉设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，掌握必须提交的各项工程文件。其基本目的是：培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电路设计和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固，加深和扩展有关电子类方面的知识。 通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养： (1)独立工作能力和创造力； (2)综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力； (3)查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力； (4)工程绘图的能力； (5)编写技术报告和编制技术资料的能力。 二、设计要求 1、被测信号为正弦波(或者是方波)，频率为40~60Hz，幅度大于等于0.5V；相位测量精度为1度；用数码管显示测量结果。 2、主要单元电路和元器件参数计算、选择； 3、画出总体电路图； 4、提交格式上符合要求、内容完整的设计报告
三、总体设计 在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中,常常需要测量两列同频信号的相位差。例如,电力系统中电网并网合闸时,要求两电网的电信号之间的相位相同,这需要精确测量两列工频信号的相位差。相位测量的方法很多,典型的传统方法是通过显示器观测,这种方法误差较大,读数不方便。为此,我们设计一种数字式相位差测量仪,该仪以可编程逻辑器件(PLD) 和锁相环(PLL) 倍频电路为核心,实现了两列信号相位差的自动测量及数显。 相位差测量仪的原理框图(以分辨率为1°为例)如图1 所示。基准信号(相位基准) f R 经放大整形后加到锁相环的输入端,在锁相环的反馈环路中设置一个N = 360 的分频器,使锁相环的输出信号频率为360f R ,但相位与f R 相同,这个输出信号被用作计数器的计数时
东南大学生物科学与医学工程学院 虚拟仪器实验报告 大作业 实验名称：基于MIT-BIH心率失常数据库的心电信号系统的设计专业：生物医学工程 姓名：学号： 同组人员：学号： 实验室: 综合楼716 实验时间：2013/11/28 评定成绩：审阅教师：
目录 一．实验目的 二．实验内容 基于MIT-BIH心率失常数据库的心电信号系统的设计 1.实验要求和说明 2.程序设计流程图 3.程序各版块介绍说明 4.前面板的设计 5.调试过程 6.结果及分析 三．实验收获及小结 四．参考文献
一．实验目的 现代医学表明，心电信号（ECG）含有临床诊断心血管疾病的大量信息，ECG的检测与分析在临床诊断中具有重要价值，是了解心脏的功能与状况、辅助诊断心血管疾病、评估各种治疗方法有效性的重要手段。 本次大作业利用具有直观图形化编程和强大数字信号处理功能的虚拟仪器编程语言LabVIEW作为开发平台，设计一个基于虚拟仪器的简单心电信号分析系统，该系统具有心电信号的读取，处理分析，波形显示、心率显示及报警，波形存储和回放等功能。 二．实验内容 1.实验内容及要求 基于MIT-BIH心率失常数据库的心电信号系统的设计 1. 本次大作业所用原始信号是从MIT-BIH（Massachusettes Institute of and Beth Israel Hospital，美国麻省理工学院和波士顿贝丝以色列医院）心率数据库（https://www.doczj.com/doc/966005387.html,/physiobank/database/mitdb/）中选取心电信号作为实验分析的数据。设计的系统要求对原始心电信号进行读取、绘制出其时域波形，利用原始心电数据中的时间数据控制显示时间，并具有保存回放功能，同时具有心率过快或过缓报警提示功能。 2. 心电信号是微弱低频生理电信号，通常频率在0.05Hz～100Hz，幅值不超过 4mV，它通过安装在皮肤表面的电极来拾取。由于实际检测工况的非理想，在ECG 信号的采集过程中往往会受到工频噪声及电极极化等各种随机噪声的影响。噪声的存在降低了诊断的准确性。其中影响最大的是工频干扰和基线漂移噪声。因此，在ECG 信号检测过程中，如何抑制工频干扰和基线漂移等是必须解决的问题。要求选择并设计合适的滤波器，除去所给心电信号的工频干扰和基线漂移。 3. 检测心率：检测信号心电的R波，计算平均心率和实时心率（R-R波时间间隔 的倒数），并显示实时心率和平均心率。 4. 对任一路心电信号滤波前后的信号进行时域分析和频谱分析，分别显示出结 果。
高精度相位测量仪的介绍及测量 相位介绍 相位是与电路结构有关的参数。 相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin2πft。i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，f是交流电的频率，t是时间。随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。 相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。是描述讯号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。当讯号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360° 。常应用在科学领域，如数学、物理学等 相位调整 相位调整是指在有些超低音音箱上加装的一个控制机构。用于对超低音音箱所重放出的声音稍许加以延迟，从而让超低音音箱的输出能够和前置主音箱同相位，即具有相同的时间关系。 相位噪声 相位噪声是频率域的概念，是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。 如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。 相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。 相位差 两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。