Labview—正弦信号发生及其频率和相位测量

本课题设计的基于微计算机的正弦信号发生及其频率和相位测量的虚拟仪器产生 可调的双路正弦信号，并通过对其采集分析进行频率和相位差的测量，在研究和生产中 有比较广泛的应用领域和实际意义。
2 设计要求
设计一个基于微计算机的正弦信号发生及其频率和相位测量的虚拟仪器，要求如下： （1） 具有一双路正弦波发生器，产生双路信号的相位差应可调，且也可叠加噪声及
前面板主要为显示控件，主要分为基波分析、谐波分析和频谱分析三部分。基波分析中 可以给出频率、相位差的运算结果，并可以输出分析后的波形，如提取基波波形并显示、显 示残余波形等。谐波分析可以通过谐波分析图或谐波含量表格查看各次谐波的含有情况，并 自动显示谐波总失真1。频谱分析可以通过对原信号加不同的窗函数再进行 FFT，从而得到各 频率信号的含量。前面板设计如下：
类似于模拟输出模块，信号采集模块也主要使用 DAQ 各个子 VI 搭建，需要注意采 样数和采样率的设定，此处的采样率决定了后期数据处理时可分析的最高谐波频率的上 限。程序框图如下：
图 10 信号采集模块的程序框图
4.5 初始化模块
初始化模块主要对程序中需要初始化的部分进行初始化，同时它还可以在采样频率等输 入信息缺失时，设置其为默认值。此处采样频率默认值为 6800Hz，采样点数默认值为 680。
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图 11 程序初始化框图
5 软件仿真
5.2.1 基波分析...............................................................................................................12 5.2.2 谐波分析...............................................................................................................14 6 试验情况.....................................................................................................................................15 7 小结 ............................................................................................................................................17 8 课程建议........................................................................................................错误!未定义书签。 参 考 文 献 ..................................................................................................................................17
1谐波总失真即各次谐波幅值的方均根与基波幅值平方的比值的开方。
Labview 课程设计结题报告 图 5 基波分析和谐波分析前面板设计
图 6 频谱测量前面板设计
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运算处理模块的程序框图主要分两部分，即相位差运算和基波频率运算。此处相位差运 算采用相关法进行运算，基波频率运算采用基于谐波分析的算法进行运算。运算处理模块的 程序框图如下：
图 7 用相关法计算相位差的程序框图
图 8 基于谐波分析的基波频率测量的程序框图
谐波分析的算法讨论：
4.3 模拟输出模块
模拟输出模块主要使用 DAQ 各个子 VI 搭建，也可以使用 DAQ 助手较为简便的完成。 程序框图如下：
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图 9 模拟输出模块的程序框图
4.4 信号采集模块
3.2 系统框图
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图 1 系统框图
4 各模块实现
4.1 波形发生模块
波形发生模块主要完成虚拟的信号发生器，实现两路正弦信号的产生，同时实现均匀白 噪声噪声和任意次谐波的产生和叠加。正弦信号的产生主要利用了 LABVIEW 中得波形生成 ——正弦波形 VI，均匀白噪声的产生利用了均匀白噪声 VI。通过一些输入、输出控件，利 用基本的运算功能实现了各个波形的叠加，实现最终波形的输出。
3.1 顶层设计分析...................................................................................................................3 3.2 系统框图...........................................................................................................................3 4 各模块实现...................................................................................................................................4 4.1 波形发生模块...................................................................................................................4 4.2 运算处理模块...................................................................................................................6 4.3 模拟输出模块...................................................................................................................8 4.4 信号采集模块...................................................................................................................9 4.5 初始化模块.......................................................................................................................9 5 软件仿真.....................................................................................................................................10 5.1 波形发生.........................................................................................................................10 5.2 测量结果.........................................................................................................................12
谐波成分等； （2） 具有频率计和相位的功能，可以对波形发生器生成的信号或硬件采集到的信号
进行频率测量和相位差测量； （3） 波形发生器生成的信号可以通过与微计算机相连接的硬件电路的模拟输出端输
出；虚拟仪器可以接收硬件电路模拟输入端采集的信号以便进行分析。 注意事项： （1） 可先仿真研究频率和相位的测量算法，然后再做实测； （2） 应讨论采样频率、样本数、非整周期采样、噪声及谐波等对测量结果的影响。
3 设计方案
3.1 顶层设计分析
一套完整的基于微计算机的正弦信号发生及其频率和相位测量的虚拟仪器，分为四 个部分：首先是波形发生模块，如设计要求所述，它负责产生相位差可调的双路正弦信 号，同时可以叠加噪声及谐波成分等；其次是运算处理模块，它采用不同算法对生成的 或者硬件电路采集到的信号进行运算，从而得到频率和相位差测量结果；第三部分是模 拟信号输出模块，该部分既有软件又有硬件，其负责软硬件结合，将信号发生器生成的 信号通过硬件电路模拟输出端输出；第四部分是信号采集模块，该模块同样有软硬件结 合的特点，它负责接收硬件电路模拟输入端采集的信号并传递给虚拟仪器的运算模块以 便进行分析。
该模块前面板可以设置采样率和采样点数，基波的幅值、两路正弦信号的相位差，同时 可以设置叠加谐波和噪声。其前面板设计如下：
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图 2 波形发生模块前面板设计
波形生成模块的程序框图主要分两个部分：生成基波和叠加噪声、叠加谐波。程序框图如下：
图 3 波形发生模块-生成双路正弦信号及叠加噪声程序框图
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1 引言
正弦信号是一种应用广泛的信号源，任何波形都可以看作由幅度、角频率、初相不 同的正弦波叠加而形成。正弦信号的频率和相位差是工业测控领域经常需要测量的参 数，如电力系统中的供电频率和功率因数的测量，电机扭矩的测量，铁路系统中相敏轨 道电路相位差的测量以及科氏质量计中的相位差测量等。