1、第9章 教学用虚拟仪器系统实验,9.1 熟悉 LabVIEW 软件平台环境类 9.2 基本训练类实验 9.3 信号分析处理类虚拟仪器 9.4 虚拟仪器综合实验 本章小结,9.1 熟悉LabVIEW软件平台环境类,练习91 在New VI环境对窗口命名与存放已命名的VI。1练习内容练习对前面板开发窗口及流程图编辑窗口的命名与文件的存放路径。,2具体任务拟设计一个虚拟速度记录仪，将untitled1前面板开发窗口和untitled1 diagram编辑窗口分别命名为velocity.vi和velocity.vi，并存放在c:measurement目录下。,练习92 在Open VI环境下，寻找用户
2、命名的VI。用两种方式找出曾经在New VI环境下命名为velocity.vi的虚拟速度记录仪。练习93 在Open VI环境下，寻找File Dialog (文件管理)对话框中已列入的VI。(1) 找出虚拟输入/输出值记录仪(Test Sequencer.vi)。(2) 练习使用虚拟输入/输出值记录仪。假设测量序列值为 12, 23, 34, 41, 10, 45或其它将上述测量序列值输入到数字输入控件，观察输出显示器的显示值。二者应该相同。,9.2 基本训练类实验,练习94 虚拟比较器功能校验仪。1练习目的(1) 学习虚拟仪器设计的基本方法、常用工具的使用方法和设计全过程。(2) 学习图标
3、功能的检验方法。(3) 学习While Loop结构图标的一种应用方法。,2练习内容(1) 设计一个虚拟比较器功能检验仪。该检验仪可对比较运算图标 的功能进行检验。 用户可键入输入量x，参考量y。 将x与y的值进行比较：当xy时，给出显示值“True”；当xy时，给出显示值“False”。 校验仪具有状态控制开关，使校验仪可处在两种工作模式：“校验”和“不校验”。,(2) 练习使用Boolean控制子模板中的开关(Switch)类控件与While Loop结构图标相结合，实现校验仪的两种状态控制。(3) 练习图标端口的两种生成方法： 在流程图编辑窗口放置比较运算图标 。 在前面板设计窗口放置控
4、件。,3设计与主要步骤提示(1) 有关详细的VI设计步骤参阅8.1节与示例81。(2) 交替进行前面板与流程图的设计。(3) 前面板上应放置三个数字控件和一个开关型控件。 数字控件1、2：为输入控制型，可由用户分别键入输入量x与参考量y的数值。 数字控件3：为输出显示型，可显示“True”或“False”。 开关型控件：实现VI的两种状态“校验”和“不校验”。,(4) 试分别用两种方法生成图标端口。(5) 运行检验。 令y = 20.65，在021范围内键入x值，观察校验仪显示状态。 观察校验仪的状态控制开关的功能。(6) 存盘、退出LabVIEW。,练习95 虚拟压力单位转换器。1练习目的(
5、1) 通过本实验进一步掌握虚拟仪器的基本设计方法、常用工具的使用方法与设计步骤。(2) 学习乘法运算图标的使用方法。(3) 学习Case结构图标的使用方法。,2. 练习内容(1) 设计一个虚拟压力单位转换器。该转换器可将英制压力单位表示的压力值转换为符合我国国家标准规定的压力单位表示值，转换关系为1 PSI = 6890 Pa 用户可键入用英制压力单位PSI表示的压力值(5350)PSI，也可向同一数字控件键入由国家标准规定的单位Pa表示的压力值(34 5002.4106)Pa。, 由数字显示控件显示转换结果，即用单位Pa表示的压力值，或用单位PSI表示的压力值。 输入与输出单位制压力值的转换
6、方向由一开关控件来实现。(2) 练习图标端口的生成方法(任选择一种生成方法)。(3) 练习使用Case结构。,3. 设计与主要练习步骤提示 (1) 有关详细的VI设计步骤参看2.3.2.1小节、2.4.2.1节及示例84有关内容。 (2) 前面板上应放置两个数字控件和一个开关型控件。 数字控件1：为输入控制型，可由用户键入压力值。 数字控件2：为输出显示型，可显示两种单位Pa、PSI压力值的转换结果。 开关型控件：控制两种压力值单位Pa与PSI的转换方向：PaPSI与PSIPa。,(3) 任选一种方法生成图标的端口； (4) 运行校验及其它参阅示例82。 练习96 铁康铜热电偶非线性校正仪。
7、1. 练习目的 (1) 学习用曲线拟合法实现非线性校正。 (2) 学习乘法、加法器图标的使用方法。 (3) 学习数据流检查与观测的方法。,2. 练习内容(1) 设计一个铁康铜热电偶非线性校正仪，该非线性校正仪能在(0400)温度范围内自动根据式(812)校正铁康铜热电偶非线性特性。重写式(812)如下：T = b4E4+b3E3+b2E2+b1E1= (b4E+b3)E+b2)E+b1)E式中b1 = 19.75095；b2 = 0.18542600b3 = 0.0083683958；b4 = 0.0001328568, 用户可键入铁康铜热电偶的热电势值E，范围为(0.00021.468) m
8、V。 非线性校正仪能按式(812)给出对应热电势值E的温度值T。 校正与否由开关控件控制，校正仪的工作状态：“校正”或“不校正”。(2) 练习图标端口的生成方法(任选择一种生成方法)。(3) 练习使用Case结构。,3. 设计与主要练习步骤提示(1) 有关校正原理及VI设计详细资料参阅2.3.2.1小节、2.4.1节及示例84。(2) 运行检验。 检验输入热电势值E=0 mV，5.268 mV，10.777 mV，16.325 mV和21.846 mV时，校正仪应相应显示温度T=0 ，100 ，200 ，300 ，400 。 观察与记录各加法器与乘法器节点输出端的数据。数据流的观测方法参见8.
9、1节。,9.3 信号分析处理类虚拟仪器,练习97 虚拟正弦波仿真信号生成器。 1练习目的 练习Sine.vi图标的使用方法。 2练习内容 实现示例88。 练习98 自相关函数仪。,1练习目的 (1) 学习Autocorelation.vi图标的使用方法。 (2) 分析该图标的算法与通常的算法有什么不同。 2练习内容 实现示例89。 练习99 相关法测量相位差仿真仪。,1练习目的 学习Crosscorelation.vi图标的使用方法。 2练习内容 实现示例810。 练习910 信号频谱分析演示仪。 1练习目的 (1) 学习RealFFT.v”图标的使用方法。 (2) 观察正弦波通过FFT法后的
10、幅值谱。,2练习内容 实现示例811。 练习911 方波信号频谱分析演示仪。 1练习目的 (1) 学习RealFFT.vi图标的使用方法。 (2) 观察方波通过FFT法后的幅值谱。,2练习内容 实现示例812。 练习912 Butterworth Filter.vi图标频率特性演示仪。 1练习目的 (1) 学习Butterworth Filter.vi图标的使用方法。 (2) 观察不同频率正弦波通过Butterworth Filter.vi后的波形，并进而获得它的幅频特性。,3练习内容 实现示例814。 练习913 Chebishev Filter.vi图标频率特性演示仪。 1练习目的 (1)
11、 学习Chebishev Filter.vi图标的使用方法。 (2) 观察不同频率正弦波通过Chebishev Filter.vi后的波形。 (3) 分析二阶切比雪夫低通滤波器的幅频特性的特点。,2练习内容 实现示例815。 练习914 虚拟巴特沃斯滤波器。 1练习目的 (1) 学习Butterworth Filter.vi图标的使用方法。 (2) 观察不同频率方波通过Butterworth Filter.vi后的波形，并进而获得它的幅频特性。,2练习内容 实现示例816。 练习915 调幅波解调器。 1练习目的 观察调幅波以及经过巴特沃斯滤波器后的解调信号波形。 2练习内容 实现示例817。
12、 练习916 直线拟合演示仪。,1练习目的 学习Linear Fit.vi图标的使用方法。 2练习内容 实现示例818。 练习917 多项式拟合演示仪。 1练习目的 学习General Polynomial Fit.vi图标的使用方法。,2练习内容 实现示例819。 练习918 正弦波多值表。 1练习目的 (1) 学习Mean.vi、Rms.vi和Variance.vi图标的使用方法。 (2) 熟悉正弦波信号的绝对平均值、方差、均方根值(有效值)的公式。,2练习内容 实现示例820。 练习919 过程信号多值记录仪。 1练习目的 (1) 学习用数据采集的子VI实现数据采集。 (2) 学习Mea
13、n.vi和Variance.vi图标的使用方法。 2练习内容 显示数据采集的波形，显示过程信号的平均值和方差。有关内容参考练习918和示例824。,9.4 虚拟仪器综合实验,9.4.1 压力传感器系统的静态标定与技术指标的确定9.4.1.1 实验目的(1) 学习1151电容式传感器与压阻式压力传感器的静态标定。(2) 学习根据标定数据确定技术指标。(3) 了解压力测量系统的组建过程，并会确定各个部分的主要参数。,9.4.1.2 预习要求(1) 仔细阅读关于传感器静态特性质量指标的内容。 (2) 了解活塞式压力计的使用方法。(3) 了解1151电容式压力变送器及CYJ101压阻式压力传感器的工作
14、原理。(4) 设压阻式压力传感器的电压输出为1047 mV，A/D采集卡的输入电压范围为05 V，实验中放大器的放大倍数应如何选择？,9.4.1.3 实验原理1. 传感器的各项静态技术指标1) 迟滞(滞后)迟滞表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)两者静态特性不一致的程度。迟滞用引用误差形式表示为,(91),其中： |Hm|为同一输入量对应正、反行程输出量的最大差值；YF.S 为测量系统的满度值。2) 重复性重复性表征测量系统输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度。重复性用引用误差形式表示为,(92),其中，R为同一输入量对应多次循环的同
15、向行程输出 量的绝对误差。,重复性是指标定值的分散性，是一种随机误差，可以根据标准偏差来计算R：,(93),其中，S为子样标准偏差，它可用标准法和极差法来计算；K为置信因子。K=2时，置信度为95%；K=3时，置信度为99.73%。,3) 线性度线性度表示测量系统静态特性对选定拟合直线y=b+kx的接近程度。线性度用非线性误差表示为,(94),其中，|Lm|为静态特性与选定拟合直线的最大拟合偏差。,为最小值，由一阶偏导等于零，即,由上可得两个方程式，并解得两个未知量的b、k的表达式如下：,(95),2活塞式压力计本实验使用的是YS6型0.05级活塞式压力计，用于检验0.2级活塞压力计及精密压力
16、表，用于对压力表及压力传感器进行静态标定。其工作原理是基于托盘杆本身重量和加在托盘杆上的专用砝码重量，作用在托盘杆面积上所产生的压力与液压容器内产生的压力相平衡。,31151型电容式压力变送器电容式传感器是以各种形式的电容器作为变换器与传感弹性元件组成，将被测物理量的变化转化为电容量变化的传感器(见图91)。当忽略边界效应时，两个金属平板间的电容为,(96),式中：两极板间介质的介电常数；S 两极板相对有效面积；两极板间的间隙；C两金属极板间的电容。,图91 平板电容器,图92 1151型电容式压力传感器接线图,本实验使用的是1151型电容式压力传感器。该传感器是由差动式电容变换器与变送器相结
17、合而组成的压差式传感器，其接线图如图92所示。由于其输出电压和输出电流已是规范化的，因此可与计算机直接相连进行工业化过程压力的测量，也可直接读数。,1151型电容式压力传感器回路要求电源采用稳压电源供电，电压024 V连续可调。其输出电流范围为420 mA，相应压力范围为01051.17105 Pa，串接一个标准电阻RN = 250 后，在该电阻两端获得相应电压输出范围为15 V。这样可通过计算机的A / D卡采集数据，与四位半数字电压表的测量值进行比对。,4CYJ101型压阻式压力传感器电阻式传感器是将输入的机械应变转换为电阻值变化的变换元件。电阻变换器的输入量为应变=L / L，即材料的长
18、度相对变化量，它是一个无量纲的相对值。通常=10-6成为一个微应变。电阻变换器的输出量为电阻值的相对变化量R / R。电阻变换器有金属电阻变换器和半导体电阻变换器两种类型。根据半导体材料的压阻效应：,(97),(98),要测量其它物理量，如压力、力、加速度等，就需要先将应变片贴在相应的弹性元件上，这些物理量被转换为弹性元件的应变，再经应变片将应变转换为电阻输出量。应变转感器的组成框图如图93所示。,图93 应变式传感器框图,CYJ101型压阻式压力传感器是一个全桥差动电路，其接线图见图94。电桥要求采用恒流源供电，回路电流为8 mA，桥路输出为毫伏级电压，通过放大器放大后，将输出电压变为05
19、V的标准信号送入计算机进行采集，与四位半数字电压表的测量值进行比对。,图94 CYJ101型压阻式压力传感器接线图,9.4.1.4 压力传感器标定的软件流程框图 压力传感器标定的软件流程框图如图95所示。,图95 压力传感器标定的软件流程框图,9.4.1.5 实验仪器清单(见表91),表 91,9.4.1.6 压力测量仪的面板描述压力测量仪面板如图96所示。本实验测量的压力通过传感器已变换为电压值，由于油压的不稳定性，因此需要多点采集。当调定压力后，按“测量”按钮，电压回显框中显示的是采样20个点的“电压平均值”，示波器屏幕上显示的是采样20个点的“电压折线”。,图96 压力测量仪面板图,9.
20、4.1.7 实验步骤1. 调节活塞压力计逆时针打开油杯的三个阀，逆时针旋转手轮，使手摇泵的汽缸充满油液，此时作用在压力传感器上的压力为0 MPa。,2. 在常温下测定1151型电容式压力变送器的输入输出特性(1) 组建系统的零点迁移调节。按图94组建1151的测量电路。在0 MPa压力下，调节稳压电源的输出电压(024 V)，使电阻两端的电压为(用数字电压表测量)1 V(注意控制mA表中的电流在4 mA)。,(2) 标定实验。 第一个压力值的标定(正程)。由于托盘本身重量的压力为0.04 MPa，此时在托盘上轻放0.06 MPa的砝码，使测量压力为0.1 MPa。顺时针关闭油杯，顺时针旋转手轮
21、，使底盘缓慢升起，同时使托盘顺时针方向旋转，到托盘杆上的刻度线与红漆线相重合为止，并把持住手轮以保持此值。 在采集电压的折线平稳时，分别记录砝码的重量和传感器的输出电压值(计算机采集电压的平均值和数字电压表的读数)，填入表92中。,表 92, 其它压力值的标定。在0.1 MPa压力下，逐步增加砝码重量0、0.1、0.2、0.3、0.7，同时注意观察压力表的压力不超过砝码重量的10%，以完成各压力点的测量，继续标定步骤 (即正向行程的测量)；在0.7 MPa压力下，逐步减少砝码重量0.7、0.6、0.5、0，同时注意观察压力表的压力不超过砝码重量的10%，以完成反向行程压力的测量并读数。正向行程
22、和反向行程各做三次。,3在常温下测定CYJ101 型压阻式压力传感器的输入输出特性(1) 按图94组建CYJ101型压阻式压力传感器的测量电路。在桥路中，调节滑线变阻器使回路恒定电流为8 mA(mA表的读数)。(2) 按照标定实验中的步骤操作，分别记录砝码的重量和传感器的输出电压，填入表93中，且正向行程和反向行程各三次。,表 93,9.4.1.8 实验报告要求(1) 在坐标纸上描绘出两种压力传感器的输入输出特性。(2) 计算并确定传感器的各项静态技术指标(参照本书第3章3.4.1节中实例内容)： 迟滞H； 重复性R； 最小二乘线性度L； 精度。(3) 比较1151型电容式压力传感器(差)与压
23、阻式压力传感器的技术指标。,9.4.2 测试系统动态特性的测定与改善 9.4.2.1 实验目的 (1) 学习对一阶系统动态特性的快速测定方法。 (2) 学习系统动态特性的频率补偿方法。 (3) 学习数字滤波器的基本设计方法。,9.4.2.2 实验原理1一阶惯性环节的构成铂电阻温度传感器为一阶系统。本实验以其作为分析的对象，研究信号动态特性的快速测定和利用数字滤波器进行系统性能改善的原理及其基本设计方法。 实验线路如图97所示。,图97 一阶惯性环节结构图,图97中，R1为标准电阻(1 k)，RT为热电阻,其阻值随温度的变化而变化，U为直流输入。mA表用以监视回路中电流的变化。,实验时，将RT从
24、低温环境快速伸入90 左右的热水中(即相当于对该温度传感器输入阶跃信号)。RT受热后其阻值逐渐增大，则RT两端电压呈一阶系统阶跃响应的状态。该信号送入微机数据采集系统，微机系统对此进行分析处理，求出其稳态值及时间常数，并对其作出频率补偿。在实验过程中，流过RT的电流应保持恒定，且数值为3 mA左右为宜。在这里我们通过调节信号源幅值或R1并监视mA表来实现。,2. 一阶惯性环节参数的快速求取 1) 一阶惯性环节稳态值的快速求取 已知一阶系统的阶跃响应为,(99),式(99)为一指数曲线，理论上要经无限长的时间，u才能达到稳态值A。下面介绍只需采集三个值就能推算出稳态值A的计算式。这对数据采集系统
25、进行快速测量是很有意义的。设u1、u2、u3为相隔同样时间间隔的三个采样值。将一阶系统的微分方程,改写为差分方程,联立求解可得,2) 一阶惯性环节时间常数的快速求取 将式(99)改写为,两边求对数，有,令,则有,在 zt 图上，利用作图法可求得时间常数,3用数字滤波法改善系统的动态特性对于已有的由传感器构成的一阶惯性环节，存在动态幅值误差过大、频带过窄的问题，此时需用数字滤波法改善系统的动态性能。1) 数字滤波法的原理数字滤波法的补偿原理是，给现有的传感器系统(传递函数为W(s)附加一个传递函数为H(s)的环节，于是系统的总传递函数为 I(s)=W(s)H(s) I(s)为满足性能的系统传递函
26、数，H(s)为用软件编程设计实现的数字滤波器。设原传感器的传递函数为,则,现欲将频带扩展K倍，也就是将它的时间常数减小 至原来的1/K倍，即,于是,由后向差分法求得的模拟滤波器H(s) 的等效数字滤波器为,再将上式改写为,式中:,其中：fb传感器系统原有的转折频率； fc频带扩展后，传感器系统的转折频率 fb=Kfc； n采样序号； T采样间隔。,9.4.2.3 实验流程框图一阶惯性环节频率特性及其参数测定的软件流程框图 如图98所示。,图98 一阶惯用语性节频率特性及其参数测定的软件流程框图,9.4.2.4 实验内容(1) 进入该实验仪器面板(文件名: step.*)。(2) 仿真。按下“仿
27、真参数设置”按钮，即进入仿真状态。在相应的对话框内输入稳态值A、时间常数后按下“确定”键，屏幕即显示相应的一阶阶跃响应波形。再按下“Zt 图”键，程序内部按实验原理中所述的方法计算出A、值，并显示结果。要求：, 令A = 3 V，=10 mS，频带扩展倍数为K = 1；查看仿真结果，并记录。 保持A、值不变，令K分别为2、5、10、0.2, 查看仿真结果，并记录有关数据及屏幕显示的变化。,(3) 测量热电阻的阶跃响应特性。 按下“加热”键，稍后(采样点数栏显示的已采点数不宜超过100)将热电阻插入热水瓶中，系统采样结束后即显示采样得到的波形。为保证测试的准确度,需输入起始点数。该点数为采样波形
28、正常后(即去掉畸形采样点)的起始点数。最后按下“Zt 图”键查看结果。 对以上信号进行频率补偿(按下“频率补偿”键，输入K值即可)。选择K值，记下过、欠、最佳补偿波形及计算结果。,9.4.2.5 实验报告要求 (1) 记录仿真实验数据。 (2) 在同一坐标纸上绘出四条曲线： RT两端的电压信号。 经过数字滤波器最佳补偿后的信号曲线及 A、的计算值。 经过数字滤波器欠补偿后的信号曲线及 A、的计算值。 经过数字滤波器过补偿后的信号曲线。,(3) 指出在实测和仿真两种情况下，过补偿状态的信号曲线的不同，并说明在实测时过补偿曲线出现振荡的原因。(4) 由热电阻的阻值温度变换式:R=100(1+at)
29、 (910)式中：a为温度系数(为0.004 25 /)；t为铜电阻温度。根据稳态值A(注意I = 3 mA)，换算出热水的温度。,(5) 附录1是一组一阶系统阶跃响应数据，利用参数的快速求取方法计算稳态值A和时间常数。(6) 附录2是实验仪器面板图(图99)及说明。,图99 实验仪器面板,9.4.2.6 实验仪器清单(见表94),表 94,9.4.3 RLC电参数测量与虚拟RLC测试仪 9.4.3.1 实验目的 (1) 学习虚拟RLC测试仪的工作原理及使用方法。 (2) 学习测试仪的一般修正方法。 (3) 学习测试仪的准确度评定方法。,9.4.3.2 实验原理1. 测试接线图测试接线图如图9
30、10所示。图910中，zx为被测阻抗，Rs为采样电阻，U为幅值可调信号源(频率固定为50 Hz)。,图910 测试接线图,以上参数 |U|、|Us| 及的获取，是采用FFT运算来实现的。具体方法是：对U及Us信号进行交替采样(采样示意图见图911，图中T为采样周期)，结果送入计算机。计算机对两个信号的采样结果分别进行FFT运算，即可得到二者的幅值与初相角。将这些值带入上述的有关计算式，即得到最终的测量结果。值得提出的是，对信号进行FFT运算的前提条件是，须对该信号在一个周期或整数倍周期内均匀采样，否则会给FFT运算结果带来误差。,图911 采样示意图,9.4.3.3 实验流程框图虚拟RLC测试
31、仪主程序流程框图如图912所示。,图912 虚拟RLC测试仪主程序流程框图,9.4.3.4 实验内容(1) 按图913连接实验线路。图913中，Zx为被测阻抗，Rs为采样电阻(分四档：10 、100 、1000 、10 k)，U为信号源输出。(2) 分三步测量若干待测电阻R(R的范围为：100 、200 、300 、400 、500、1000、2000、10 000、20 000、30 00099 999)，并记录数据。, 仿真测量。对每一个待测阻抗在软件的导引下进行仿真测量，以取得最佳参数(信号源输出电压Us、采样电阻Rs )。 利用虚拟RLC测试仪测量，并记录数据。 利用全自动RLC测试仪
32、测量，并记录数据。,图913 实验接线图,(3) 分三步测量若干待测电容C(C的范围为：0.1 F、0.2 F、0.3 F、0.4 F、0.5 F、1.0 F、10 F、47 F、100 F)。步骤同上，并记录数据。用虚拟RLC测试仪测量若干混合阻抗(提示：除e项外，其余采样电阻均选取10 k)，并记录数据。Z1为R、C串联，R = 100 ，C=1.0 F；Z2为R、C串联，R = 1000 ，C=1.0 F；Z3为R、C串联，R = 5000 ，C=1.0 F；Z4为R、C串联，R = 10 000 ，C=1.0 F；Z5为R、L串联，R = 227 ，L=1.0 H。,9.4.3.5 仪
33、器清单（见表95）,表 95,9.4.3.6 数据处理(1) 将实验内容(2)、(3)的测试结果分别填入附录1的表格中。(2) 以自动RLC测试仪为标准，确定虚拟RLC测试仪的修正值，填入上表，并绘制出修正曲线。(3) 确定虚拟RLC测试仪的准确度等级(R、C分别确定，并假定R的最大量程为100 000 ，C为10 F)。,(4) 将混合阻抗的测量结果填入附录2的表格中(Rs=10 k)。(5) 虚拟RLC测试仪利用软件功能可以方便地实现混合阻抗的测量，但也有一定的限制。分析混合阻抗Z1Z4的测试结果，指出电阻误差由大变小的原因。,9.4.3.7 分析回答问题(1) 本虚拟RLC测试仪中信号源
34、频率固定为50 Hz，因而限定了电感、电容的量程。分析其原因，并说明若欲扩大电感、电容的量程，应分别如何选取信号源频率。(2) 仔细阅读虚拟RLC测试仪中的信号采样原理。为了得到准确的测量结果，必须对电压、电流的相位差进行补偿，说明原因并写出补偿公式。,(3) 对比仿真结果和实测结果并结合测试仪的工作原理，试说明虚拟RLC测试仪的误差来源。(提示：从信号源频率及幅值输出的稳定性、采集卡的采样速度、采样电阻的准确度等方面进行分析。),图914 虚拟RLC测试仪面板,9.4.4 相位差测量与虚拟相位差计 9.4.4.1 实验目的 (1) 学习过零法FFT频谱分析法、相关法等测量相差的分析方法, 理
35、解其原理。 (2) 通过仿真实验比较过零法、FFT频谱分析法相关法的优劣，分析各自的适用条件。 (3) 了解信号幅值、噪声幅值、采样点数等值的变化对测量结果的影响。,9.4.4.2 预习内容(1) 了解过零法FFT频谱分析法相关法的测量原理。(2) 在理论上分析过零法FFT频谱分析法相关法的误差来源。(3) 分析在有噪声干扰的情况下过零法FFT频谱分析法相关法的优劣。,图915 过零法,9.4.4.3 实验原理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, 然后转换为相应相位差。 这一过程可用图915表示。,在软件实现时, 信号被采样离散化而用一组数表示, t即为
36、数组元素的序号之差。假设信号1过零点对应数组的第i个元素, 信号2的过零点对应其数组第j个元素, 则有,2FFT频谱分析法原理FFT法求相位差，即对信号进行频谱分析, 获得信号的相频特性, 两信号的相差即主频率处相位的差值，所以这一方法是针对单一频率信号的相差测量的。在有限区间(t，t+T)内，绝对可积的任一周期函数x(t),它的傅里叶级数展开式为,同时x(t)可以表示为,比较上两式可得,由此可得，两信号的相位差为,此方法基于连续信号离散化处理的离散傅立叶变换(DFT)。FFT是DFT的一种快速算法，它要求所处理的数据总数为2m ，因而对采集的数据总数有要求。另外，要求采样必须满足“采样定理”
37、，否则，会发生频谱混叠。,3相关法原理设有两同频信号x(t)、y(t)： x(t)=A sin(t+)+Nx(t), y(t)=B sin(t+)+Ny(t)其中：Nx(t)、Ny(t)为噪声信号；为两信号相差。两信号的互相关函数为,由于噪声与信号不相关，而且两噪声之间也不相关, 故可推得:,所以,再由信号幅值与其自相关函数零点之间的关系, 可得,最后可得,实际算法中, 相关函数的离散时间表达式如下:,9.4.4.4 实验流程框图过零法计算相位差的流程框图如图916所示。基于FFT谱分析法的虚拟相位差计软件流程框图如图917所示。,图916 过零计数式虚拟相位差计软件 流程框图,图917 基于
38、FFT谱分析法的虚拟相位差计 软件流程框图,基于相关原理的相位差测量法软件流程框图如图918所示。,图918 相关法虚拟相位差计主程序流程图,9.4.4.5 实验仪器清单(见表98),表 98,9.4.4.6 仪器描述1仪器主面板(见图919)面板上的按键分别用来调用不同的仪器。例如，我们要使用仿真仪，只需击下“仿真”按键即可调出相应仪器面板。,图919 仪器主面板示意图,2相位差测量演示仪面板介绍 相位差测量演示仪面板如图920所示。,图920 相差测量演示仪面板图,“每周期采样点数”控件用于输入一周期信号的采样点数；“分析方法选择”控件(滑动开关)用于选择分析方法(过零法/相关法/FFT法
39、)；“生成数据”控件用于数据分析处理；“显示结果”控件可以在各种方法(过零法/相关法/FFT法)的回显窗中查看仿真结果。“波形1”控件和“波形2”控件分别用于在信号1和信号2上叠加噪声；“噪声1”是个开关控件，当在On处表示有噪声存在，在Off处则表示没有噪声；“相位1”控件和“噪声1幅值”控件分别为波形1的初相位和幅值。波形2的参数情况与波形1相同。,3过零法相位差计使用简介采集卡参数设置部分包括设置“通道号”、“信号频率”和“采样频率”。“通道号”控件是两信号通过转接板0通道和1通道进入计算机的；信号频率控件用来输入从信号发生器得到的信号频率；在“采样频率”控件处输入对两信号的采样频率。图
40、921所示为过零法虚拟相位差计的仪器面板。,图 921 过零法虚拟相位差计的仪器面板,“相位差”控件和“实际采样速率”控件用来回显两信号的相位差和实际采样频率；“采集”控件用于进行数据采集；“显示结果”控件用来分析计算两信号的相位差，在“相位差”控件中显示出来。使用时先进行采样参数设置，然后启动“采集”控件，再进行“显示结果”(数据处理过程)。,4频谱分析法相位差计使用简介面板结构与过零法基本相同，使用过程也类似，只是在“每周期采样点数”处输入信号的每周期采样点数N1，当N2=实际采样频率/信号频率时，那么N1值就为最接近N2的2n。图922为仪器面板图。,图 922 频谱分析法虚拟相位差计的
41、仪器面板,5相关法相位差计使用简介与前两者基本相同，这里只给出仪器面板图，如图923所示。,图923 相关法虚拟相位差计的仪器面板,9.4.4.7 实验内容(1) 仿真。 改变两信号的相位差、观察过零法、FFT频谱分析法、相关法的测量结果。固定信号1初相位为30，改变信号2的初相位，由30至120(必做)，每次增加10, 也可测相差在360范围内变化的情况(选做)，将数据填入表99中。,表 99, 改变每周期取值点数，分析它对过零法FFT频谱分析法相关法等方法分析精度的影响。在相差为30、45、60、90时, 取每周期采样点数分别为50、500、1000(过零法和相关法), 取每周期采样点数为
42、64、512、1024 (FFT法)，将数据填入表910中。,表 910, 给信号叠加噪声, 改变噪声幅值, 观察分析结果有什么变化，哪一种方法受噪声干扰小。先固定信号1叠加噪声的幅值， 改变信号2叠加噪声的幅值(由0.1至2，步长变化为0.2), 观察噪声幅值变化对相差结果的影响并记录，再使两噪声幅值同步增大, 观察结果变化。,图924 电路接线图,(2) 实测。 按图924连接电路, 观察示波器显示, 调整信号发生器的输出，使UAB、UAC的峰值不超过5 V。 实测相位差(三种相位差计选做其一)。取待测量的信号频率为50 Hz，R为100 ，分别取变阻箱阻值为0 、50 、100 、200
43、 、400 、600 、800 、1000 、2000 、5000 (必做)和9000 (选做), 反复测四组，将数据添入表911中。,表911 实验数据及处理,9.4.4.8 回答问题(1) 过零法、FFT频谱分析法、相关法哪一种方法的精度最高, 请根据实际数据说明其原因。(2) 根据实际测得的数据比较过零法、FFT频谱分析法、相关法的抗噪能力，并说明原因。(3) 比较过零法、FFT频谱分析法、相关法对每周期所取数据点数的要求有什么不同。(4) 思考采集卡分辨率对小幅值信号相差测量的影响。(5) 分析实验误差主要来源。,9.4.5 信号的频谱分析及虚拟频谱仪 9.4.5.1 实验目的 (1)
44、 掌握周期信号和非周期信号的频域分析方法。 (2) 掌握虚拟频谱仪的使用方法。 (3) 学习周期采样点数及谱线数的正确选取。 (4) 理解如何保证频谱分析的精度。,9.4.5.2 预习要求(1) 了解傅立叶变换的性质。(2) 了解周期性信号（方波和正弦波信号）及非周期信号(指数衰减信号)的频谱特点。(3) 了解采样定理的内容及如何避免频率混叠现象的发生。(4) 了解栅栏效应与泄漏现象产生的原因和改善的方法。,(2) 叠加谐波的周期信号的频谱。根据傅立叶变换的线性叠加性，将时域内的n个信号进行合成，合成后的频谱函数为各个信号频谱函数之和。例如，在一个正弦信号中叠加谐波分量，其频谱函数等于正弦信号
45、的频谱函数与谐波分量频谱函数之和。(3) 非周期信号的频谱是连续频谱。本实验中待分析的典型非周期信号为一个指数衰减信号。 指数衰减信号g(t)为,(910),图925 指数衰减号g (t)的频谱,(911),(912),(913), 指数衰减信号的产生。通过电容放电产生指数衰减信号。图926 (a)为理论放电曲线，而实际测量的放电曲线如图926 (b)所示。故在对实际测量的放电曲线进行FFT频谱分析之前，要确定放电曲线的放电起始点，去掉该点之前(即放电之前测到)的电压值，得到与理论放电曲线一致的曲线。,图926 放电曲线 (a) 理论放电曲线；(b) 实测放电曲线,3采样间隔T的给定及实验测定
46、方法 (1) 采样间隔T的给定。通过改变相邻两个采样点之间的延时获得不同的采样间隔。例如，采样延时为1000(次)时，即在相邻两个采样点之间进行加数循环1000次，就有某个采样间隔与之对应。(2) 采样间隔T的实验测定。用过零法测量一已知频率fi的标准周期信号，测得一周期的采样点数nt，则采样间隔T为,采样频率f为,f = nt fi,9.4.5.4 实验流程框图虚拟频谱仪的软件流程框图如图927所示。,图927 实验流程框图,9.4.5.5 仪器介绍 实际用虚拟频谱分析仪仪器面板如图928所示。,图928 虚拟频谱分析仪仪器面板,“实测/仿真”开关：该开关掷于下方“仿真”位置时可对由软件生成
47、的信号进行FFT频谱分析，掷于上方“实测”位置时可对一实际信号采样后进行FFT频谱分析。“关闭仪器”键：具有关机功能。“采样点数”输入窗：输入被测信号的采样点数，范围为012 288。,“谱线数”输入窗：输入被测信号的截取长度，必须是2n，不超过“采样点数”中的数值。虑拟频谱分析仪的机内软件提供了三种信号供用户进行FFT频谱分析练习，这三种信号分别为周期信号、非周 期信号和谐波合成信号。“波形选择”开关：用来选择待分析机内周期信号的波形。该开关掷于上方时由软件自动生成正弦波，掷于下方时机内软件自动生成方波。,“信号周期”输入窗：输入信号在“采样点数”中给定点数内的周期数。 “信号幅值”输入窗：
48、输入周期信号和非周期信号的幅值。 “仿真显示”键：按下此键后, 在图形显示窗上显示所生成的待分析的周期信号的波形。 “AutoRun”状态栏：当该栏状态为“”时，切换“周期信号选择”开关时将自动显示周期信号波形，不需再按“仿真显示”键。,“指数衰减信号”键：在图形显示窗上显示所生成的指数衰减信号的波形。 “时间常数”输入窗：由用户设置指数衰减信号的时间常数。 “采样间隔Ts(s)”输入窗：输入根据公式(914)算出的采样间隔。 “谐波合成”开关：该开关掷于上方(On)时将进行有限个(仅一个)谐波与周期信号的叠加，掷于下方(Off)时基波信号将不叠加谐波。,“谐波幅值”输入窗：输入谐波信号的幅值。 “谐波周期”输入窗：输入谐波信号在“采样点数”中确定点数内的周期数。 “采样延时”输入窗：输入数据采集时相邻两个采样点之间的延时(非负整数)。 “显示点数”输入窗：输入图形显示窗上欲显示的采样点个数，不应超过“采样点数”中的数值。 “采样点数/周期”回显窗：回显值表示被测周期信号一个周期内的采样点数。,
