Labview―正弦信號發(fā)生及其頻率和相位測量

1、正弦信號發(fā)生及其頻率和相位測量結(jié)題報告Labview課程設(shè)計專業(yè)院系:學(xué)生姓名:同組人:指導(dǎo)教師:結(jié)題日期:目錄Labview課程設(shè)計結(jié)題報告 (31引言 (32 設(shè)計要求 (33 設(shè)計方案 (33.1頂層設(shè)計分析 (33.2系統(tǒng)框圖 (34 各模塊實現(xiàn) (44.1波形發(fā)生模塊 (44.2運算處理模塊 (64.3模擬輸出模塊 (84.4信號采集模塊 (94.5初始化模塊 (95 軟件仿真 (105.1波形發(fā)生 (105.2測量結(jié)果 (125.2.1 基波分析 (125.2.2 諧波分析 (146 試驗情況 (157 小結(jié) (178 課程建議.錯誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn) . (17Labview

2、課程設(shè)計結(jié)題報告1 引言正弦信號是一種應(yīng)用廣泛的信號源,任何波形都可以看作由幅度、角頻率、初相不同的正弦波疊加而形成。正弦信號的頻率和相位差是工業(yè)測控領(lǐng)域經(jīng)常需要測量的參數(shù),如電力系統(tǒng)中的供電頻率和功率因數(shù)的測量,電機(jī)扭矩的測量,鐵路系統(tǒng)中相敏軌道電路相位差的測量以及科氏質(zhì)量計中的相位差測量等。本課題設(shè)計的基于微計算機(jī)的正弦信號發(fā)生及其頻率和相位測量的虛擬儀器產(chǎn)生可調(diào)的雙路正弦信號,并通過對其采集分析進(jìn)行頻率和相位差的測量,在研究和生產(chǎn)中有比較廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和實際意義。2 設(shè)計要求設(shè)計一個基于微計算機(jī)的正弦信號發(fā)生及其頻率和相位測量的虛擬儀器,要求如下:(1具有一雙路正弦波發(fā)生器,產(chǎn)生雙路信號

3、的相位差應(yīng)可調(diào),且也可疊加噪聲及諧波成分等;(2具有頻率計和相位的功能,可以對波形發(fā)生器生成的信號或硬件采集到的信號進(jìn)行頻率測量和相位差測量;(3波形發(fā)生器生成的信號可以通過與微計算機(jī)相連接的硬件電路的模擬輸出端輸出;虛擬儀器可以接收硬件電路模擬輸入端采集的信號以便進(jìn)行分析。注意事項:(1可先仿真研究頻率和相位的測量算法,然后再做實測;(2應(yīng)討論采樣頻率、樣本數(shù)、非整周期采樣、噪聲及諧波等對測量結(jié)果的影響。3 設(shè)計方案3.1頂層設(shè)計分析一套完整的基于微計算機(jī)的正弦信號發(fā)生及其頻率和相位測量的虛擬儀器,分為四個部分:首先是波形發(fā)生模塊,如設(shè)計要求所述,它負(fù)責(zé)產(chǎn)生相位差可調(diào)的雙路正弦信號,同時可以

4、疊加噪聲及諧波成分等;其次是運算處理模塊,它采用不同算法對生成的或者硬件電路采集到的信號進(jìn)行運算,從而得到頻率和相位差測量結(jié)果;第三部分是模擬信號輸出模塊,該部分既有軟件又有硬件,其負(fù)責(zé)軟硬件結(jié)合,將信號發(fā)生器生成的信號通過硬件電路模擬輸出端輸出;第四部分是信號采集模塊,該模塊同樣有軟硬件結(jié)合的特點,它負(fù)責(zé)接收硬件電路模擬輸入端采集的信號并傳遞給虛擬儀器的運算模塊以便進(jìn)行分析。3.2系統(tǒng)框圖 圖 1 系統(tǒng)框圖4 各模塊實現(xiàn)4.1波形發(fā)生模塊波形發(fā)生模塊主要完成虛擬的信號發(fā)生器,實現(xiàn)兩路正弦信號的產(chǎn)生,同時實現(xiàn)均勻白噪聲噪聲和任意次諧波的產(chǎn)生和疊加。正弦信號的產(chǎn)生主要利用了LABVIEW中得波形

5、生成正弦波形VI,均勻白噪聲的產(chǎn)生利用了均勻白噪聲VI。通過一些輸入、輸出控件,利用基本的運算功能實現(xiàn)了各個波形的疊加,實現(xiàn)最終波形的輸出。該模塊前面板可以設(shè)置采樣率和采樣點數(shù),基波的幅值、兩路正弦信號的相位差,同時可以設(shè)置疊加諧波和噪聲。其前面板設(shè)計如下: 波形生成模塊的程序框圖主要分兩個部分:生成基波和疊加噪聲、疊加諧波。程序框圖如下: 圖 3 波形發(fā)生模塊-生成雙路正弦信號及疊加噪聲程序框圖 圖4波形發(fā)生器-疊加諧波程序框圖4.2運算處理模塊運算處理模塊負(fù)責(zé)對信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)或者硬件采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理,通過不同的算法得到測量結(jié)果,并通運算結(jié)果與設(shè)定值的比較,分析采樣頻率、樣

6、本數(shù)、非周期采樣、諧波和噪聲對測量結(jié)果的影響,討論不同算法的優(yōu)劣。前面板主要為顯示控件,主要分為基波分析、諧波分析和頻譜分析三部分?；ǚ治鲋锌梢越o出頻率、相位差的運算結(jié)果,并可以輸出分析后的波形,如提取基波波形并顯示、顯示殘余波形等。諧波分析可以通過諧波分析圖或諧波含量表格查看各次諧波的含有情況,并自動顯示諧波總失真1。頻譜分析可以通過對原信號加不同的窗函數(shù)再進(jìn)行FFT,從而得到各頻率信號的含量。前面板設(shè)計如下:1諧波總失真即各次諧波幅值的方均根與基波幅值平方的比值的開方。 圖 5 基波分析和諧波分析前面板設(shè)計 圖 6 頻譜測量前面板設(shè)計運算處理模塊的程序框圖主要分兩部分,即相位差運算和基波

7、頻率運算。此處相位差運算采用相關(guān)法進(jìn)行運算,基波頻率運算采用基于諧波分析的算法進(jìn)行運算。運算處理模塊的程序框圖如下: 圖7 用相關(guān)法計算相位差的程序框圖 圖8 基于諧波分析的基波頻率測量的程序框圖諧波分析的算法討論:4.3模擬輸出模塊模擬輸出模塊主要使用DAQ各個子VI搭建,也可以使用DAQ助手較為簡便的完成。程序框圖如下: 圖9 模擬輸出模塊的程序框圖4.4信號采集模塊類似于模擬輸出模塊,信號采集模塊也主要使用DAQ各個子VI搭建,需要注意采樣數(shù)和采樣率的設(shè)定,此處的采樣率決定了后期數(shù)據(jù)處理時可分析的最高諧波頻率的上限。程序框圖如下: 圖10 信號采集模塊的程序框圖4.5初始化模塊初始化模塊

8、主要對程序中需要初始化的部分進(jìn)行初始化,同時它還可以在采樣頻率等輸入信息缺失時,設(shè)置其為默認(rèn)值。此處采樣頻率默認(rèn)值為6800Hz,采樣點數(shù)默認(rèn)值為680。 圖11 程序初始化框圖5 軟件仿真5.1波形發(fā)生例如:若設(shè)置采樣率為4000Hz,采樣點數(shù)設(shè)為2000(即每次采集0.5秒的數(shù)據(jù);基波幅值設(shè)為1V,頻率5Hz,基波相位差為90度;疊加均勻白噪聲的幅值為0.1V;疊加3次諧波的占有率2為0.2。(該設(shè)置后成為事例1則波形設(shè)置和輸出的波形如下:2諧波占有率:該次諧波幅值與基波幅值之比 圖12波形設(shè)置(事例1 圖13輸出波形(事例1 5.2測量結(jié)果5.2.1 基波分析在以上事例的設(shè)置條件下,基波

9、分析的結(jié)果如下: 圖14 基波分析結(jié)果(事例1在有三次、五次諧波和噪聲的情況下,用基于諧波分析的方法計算得基波頻率為5.005Hz,用相關(guān)法測得相位差為87.1002度。該情況下,三次諧波占有率達(dá)到20%,五次諧波占有率達(dá)到10%,噪聲幅值與基波幅值之比為0.1?；l率測量的誤差為(5.005-5 /5*100%=0.5%,由此看來,該測量基波頻率的方法具有較高測量精度。相位差測量誤差為(90-87.1002/90*100%=3.222%,由此看來,該測量相位差的方法測量精度較低,通過對比其他方法,發(fā)現(xiàn)該方法相對精度已經(jīng)比較高了,這說明相位差測量比基波頻率測量受諧波和噪聲的影響更大。另外,通

10、過對比分析后的波形圖與產(chǎn)生的波形圖,可以發(fā)現(xiàn)分析結(jié)果較理想。圖12中基波信號與圖10基波信號幅值、頻率近似一致。 圖15 基波分析-剩余信號(事例1此時,剩余信號為噪聲信號和諧波的疊加,若關(guān)閉設(shè)置中的噪聲信號,使得剩余信號只有諧波信號,將之與圖10中諧波信號對比,亦可觀察到波形幾乎一致。5.2.2 諧波分析在以上事例的設(shè)置條件下,諧波分析的結(jié)果如下: 圖16 諧波分析結(jié)果(事例1觀察發(fā)現(xiàn),信號中主要含有的諧波次數(shù)較低,可將分析的最高諧波頻率設(shè)定為100Hz。分析結(jié)果如下: 圖17諧波分析結(jié)果(事例1由上圖可已看出諧波分析結(jié)果:基波幅值為1V(設(shè)定值為1V,3次諧波幅值為0.195V (設(shè)定0.

11、2V,五次諧波幅值為0.099V(設(shè)定0.1V,還有極少量的其他次諧波(主要受噪聲影響?？梢娭C波分析結(jié)果的誤差較小,測量精確較高。6 試驗情況搭建好硬件平臺,進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試。例如:若設(shè)置采樣率為4000Hz,采樣點數(shù)設(shè)為2000(即每次采集0.5秒的數(shù)據(jù);基波幅值設(shè)為1V,頻率50Hz,基波相位差為90度;疊加均勻白噪聲的幅值為0.1V;疊加3次諧波的占有率為0.2,疊加5次諧波的占有率為0.1。(該設(shè)置后成為事例2波形設(shè)置和輸出的波形如下: 圖18波形設(shè)置(事例2經(jīng)過模擬輸出和信號采集,采集到的信號如下:Labview 課程設(shè)計結(jié)題報告 圖 19 采集到的波形（事例 2） 基波分析結(jié)果如

12、下： 圖 20 基波分析結(jié)果（事例 2） 測得頻率為 49.998Hz，相位差 Labview 課程設(shè)計結(jié)題報告 在有三次、五次諧波和噪聲的情況下，用基于諧波分析的方法計算得基波頻率為 49.998Hz，用相關(guān)法測得相位差為 86.96 度。該情況下，三次諧波占有率達(dá)到 20%，五次諧 波占有率達(dá)到 10%，噪聲幅值與基波幅值之比為 0.1。基波頻率測量的誤差為（50.0-49.998） /50*100%=0.004%，經(jīng)實測檢驗（應(yīng)該再多測幾次） ，該測量基波頻率的方法具有相當(dāng)高的測 量精度。相位差測量誤差為（90-86.96）/90*100%=3.378%，經(jīng)實測檢驗，實測結(jié)果與軟件 仿真結(jié)果一直，測量相位差的方法具有一定精度，但不如測量頻率的精度高，這說明相位差 測量比基波頻率測量受諧波和噪聲的影響更大。 諧波分析結(jié)果如下： 圖 21 諧波分析結(jié)果（事例 2） 測得較為明顯的諧波有：三次諧波幅值約為 0.2V，五次諧波幅值約為 0.1V，與設(shè)定值 近似相等，說明諧波分析所采用的方法精度較高。 7 小結(jié) 參 考 文 獻(xiàn) 1 王艷霞