羅 茂，陳晶田，裴晨陽(yáng)

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院， 武漢 430074 )

基于LabVIEW虛擬同步積分器的設(shè)計(jì)

羅 茂，陳晶田，裴晨陽(yáng)

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院， 武漢 430074 )

LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。它采用的數(shù)據(jù)流的思想和圖形化的編程語(yǔ)言，極大地提高了編程的效率，從而能夠方便快捷地設(shè)計(jì)虛擬儀器。設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的虛擬同步積分器，利用LabVIEW軟件提供的控件和函數(shù)，設(shè)計(jì)了兩種虛擬同步積分器的信號(hào)處理方法，即直接法和間接法。虛擬同步積分器可用于以同步積分器及微弱信號(hào)檢測(cè)為核心內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能在一定程度上緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的儀器壓力，同時(shí)能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，以虛擬儀器為基礎(chǔ)構(gòu)建的新型實(shí)驗(yàn)室將有助于實(shí)現(xiàn)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

微弱信號(hào)檢測(cè)；同步積分器；LabVIEW軟件；虛擬儀器

虛擬儀器(virtual instruments,VI)是以計(jì)算機(jī)為核心的，根據(jù)用戶(hù)對(duì)儀器的設(shè)計(jì)定義，用軟件實(shí)現(xiàn)模擬控制面板設(shè)計(jì)和測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。它具有性能高、擴(kuò)展性高、開(kāi)發(fā)時(shí)間少、界面友好、兼容性好等特點(diǎn)[1]。

華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息試點(diǎn)學(xué)院，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用多種教學(xué)模式，其中開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式被廣泛采用，但是在開(kāi)放的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到人員、課程開(kāi)放時(shí)間、空間等條件的限制。同步積分器實(shí)驗(yàn)是全院近500名學(xué)生必修的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，面臨儀器不夠用等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)效果。因此，虛擬儀器可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式新的嘗試。

1 虛擬同步積分器的相關(guān)理論

1.1 同步積分器原理

同步積分器是一種采用多次累積平均的方法，將已知頻率的信號(hào)從噪聲中提取出來(lái)的電路，由于信號(hào)僅僅具有已知頻率的正弦或方波兩種狀態(tài)，因此，同步積分器對(duì)于處理已知頻率的正弦波和方波具有一定的優(yōu)勢(shì)[2]。

1)輸入信號(hào)是與參考信號(hào)同頻的正弦波

同步積分器輸出的方波幅值,當(dāng)t?2RC為：

(1)

參考電路圖如圖1所示。

輸出方波電壓Vo相對(duì)于Vi的響應(yīng)為：

(2)

2)輸入正弦信號(hào)是參考信號(hào)的偶次諧波

當(dāng)輸入正弦信號(hào)是參考信號(hào)的偶次諧波時(shí)，則積分器在進(jìn)行積分運(yùn)算時(shí)，被積信號(hào)是整數(shù)個(gè)周期信號(hào)，電容上的正負(fù)信號(hào)就會(huì)相互抵消。因此，輸出電壓為零。

圖1 同步積分器電路

3)輸入正弦信號(hào)是參考信號(hào)的奇次諧波

當(dāng)輸入正弦信號(hào)是參考信號(hào)的奇次諧波,t?2RC時(shí)，可得相應(yīng)的輸出電壓為

(3)

由此可知，輸入信號(hào)的頻率是參考信號(hào)的k倍時(shí)，則輸出方波電壓幅度是基波幅度的1/k。

4)輸入信號(hào)是與參考信號(hào)同頻的方波

則相應(yīng)的輸出方波的幅值為：

(4)

由式(4)可知，輸出方波的電壓幅值不僅與輸入信號(hào)電壓幅值成正比，同時(shí)，與輸入信號(hào)和參考信號(hào)的相位差成正比。

1.2 FFT頻譜分析

FFT計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的公式為：

(5)

(6)

則正弦信號(hào)的幅值、相位為：

(7)

(8)

則方波信號(hào)的幅值、相位為：

(9)

(10)

上述公式是計(jì)算機(jī)處理信號(hào)的公式[3]。

2 虛擬同步積分器的設(shè)計(jì)

基于LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬同步積分器，不僅僅包括同步積分器，還包括信號(hào)源、噪聲、參考信號(hào)、示波器等部分，其中信號(hào)處理的方法為：間接法和直接法。

信號(hào)生成部分產(chǎn)生的輸入信號(hào)是正弦信號(hào)和方波信號(hào)，主要作LabVIEW的信號(hào)輸入，通過(guò)一個(gè)條件結(jié)構(gòu)調(diào)用不同的波形。噪聲信號(hào)生成部分產(chǎn)生的噪聲信號(hào)是均勻白噪聲和高斯白噪聲，通過(guò)條件結(jié)構(gòu)調(diào)用不同的噪聲信號(hào)，如圖2所示。

圖2 信號(hào)和噪聲生成

最終的輸入信號(hào)是通過(guò)加法器把正弦信號(hào)或方波信號(hào)與噪聲信號(hào)疊加產(chǎn)生的，這部分是虛擬同步積分器的基礎(chǔ)部分，對(duì)于不同的信號(hào)處理方法，這部分基本相同。

間接法是采用FFT頻譜分析法，分別計(jì)算輸入信號(hào)的電壓和相位，根據(jù)同步積分器的理論輸出公式計(jì)算相應(yīng)的輸出值。

對(duì)于 FFT頻譜分析法，采用對(duì)數(shù)組操作，實(shí)現(xiàn)FFT從而計(jì)算相應(yīng)的幅值、相位差。根據(jù)離散傅里葉變換的公式，獲得輸入波形的幅值序列，輸入For循環(huán)中利用索引數(shù)組函數(shù)獲取每一個(gè)元素，按照幅值、相位計(jì)算公式編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的程序，得到對(duì)應(yīng)的值。程序框圖如圖3所示。

圖3 間接法程序框圖

同步積分器輸出主要利用一個(gè)方波信號(hào)生成函

數(shù)，由于輸出方波的頻率、相位都與參考信號(hào)相同，則輸出方波的幅值是關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于直接法，則相應(yīng)信號(hào)積分后的值可以作為輸出信號(hào)的幅值；對(duì)于間接法，通過(guò)算法得到的幅值、相位信息，按照不同輸入所對(duì)應(yīng)公式進(jìn)行處理，得到的數(shù)據(jù)作為輸出信號(hào)的幅值。

直接法中,計(jì)算機(jī)信號(hào)處理的過(guò)程模擬真實(shí)的同步積分器。

通過(guò)一個(gè)波形屬性獲取函數(shù)后，獲得波形的幅值序列。進(jìn)入一個(gè)For循環(huán)，將采樣的點(diǎn)進(jìn)行分組，獲得兩個(gè)數(shù)組序列，在輸出的數(shù)組后又加一個(gè)For循環(huán),確保選取最新的數(shù)據(jù)，然后是一個(gè)對(duì)信號(hào)積分的函數(shù)，得到輸出值。整個(gè)程序的關(guān)鍵就是把對(duì)應(yīng)點(diǎn)提取出來(lái)，并重新恢復(fù)出對(duì)應(yīng)的波形，利用了拆分一維數(shù)組、索引數(shù)組、創(chuàng)建數(shù)組、創(chuàng)建波形(模擬)等函數(shù)。程序框圖如圖4所示。

圖4 直接法程序框圖

3 虛擬同步積分器輸出結(jié)果及分析

3.1 波形輸出與分析

由式(1)可知，同步積分器的輸出與輸入信號(hào)間相位差成余弦關(guān)系。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，虛擬同步積分器輸出波形滿(mǎn)足上述關(guān)系。

當(dāng)輸入信號(hào)的頻率是參考信號(hào)頻率的偶數(shù)倍時(shí)，同步積分器的輸出為零，即偶諧波抑制。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率是參考信號(hào)的k倍(k為奇數(shù))時(shí)，由式(3)可知，同步積分器的輸出是基波輸出的1/k，即奇諧波輸出。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，虛擬同步積分器輸出波形滿(mǎn)足上述關(guān)系。

3.2 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

對(duì)于直接法，當(dāng)輸入噪聲的幅值不斷增加，輸入信號(hào)的參數(shù)不變時(shí)。同步積分器的輸出如表1所示。

表1 直接法實(shí)現(xiàn)同步積分器測(cè)量數(shù)據(jù) V

由表1可知，當(dāng)采樣率為100 000，采樣數(shù)為100 000時(shí)，隨著噪聲輸入幅值的增加，同步積分器輸出基本不變。說(shuō)明虛擬同步積分器有一定的抑制噪聲的能力。

對(duì)于間接法，隨著噪聲幅值的增加，輸入信號(hào)是幅值為1 V，頻率為1 kHz，信號(hào)間的相位差為160°的正弦信號(hào)，同步積分器的輸出如表2所示。

表2 間接法實(shí)現(xiàn)同步積分器測(cè)量數(shù)據(jù)

表2反映了輸入信號(hào)的相關(guān)參量一定且當(dāng)采樣率為100 000，采樣數(shù)為100 000時(shí)，隨著信號(hào)中噪聲的幅值增加，測(cè)量的幅值、相位差的變化情況。

從表格中數(shù)據(jù)可以看出，幅值的測(cè)量精度較高。但是相位差的測(cè)量值，明顯隨著噪聲的增加而相對(duì)誤差增加，尤其當(dāng)信號(hào)的采樣率、采樣數(shù)降低時(shí)，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性降低，有明顯的浮動(dòng)。直接法和間接法均存在著一定的測(cè)量誤差，前者誤差主要是來(lái)自于采樣率和采樣數(shù)，后者誤差既受采樣率和采樣數(shù)的影響，同時(shí)，F(xiàn)FT頻譜分析對(duì)于非正弦周期信號(hào)在有限項(xiàng)下展開(kāi)存在著固定的誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的虛擬同步積分器。虛擬同步積分器的實(shí)現(xiàn)采用了直接法和間接法兩種方法。直接法模擬同步積分器的實(shí)際信號(hào)處理過(guò)程，間接法是利用FFT頻譜分析，測(cè)量被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)幅值及其與參考信號(hào)的相位差。設(shè)計(jì)的虛擬同步積分器也存在著一些問(wèn)題，它并不能較理想地處理輸入的高頻信號(hào)。

[1]鄭對(duì)元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2012.

[2]常大定，曾延安，張南洋生.光電信息技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008:68-74.

[3]高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè)[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社,2011：9-23.

[4]趙樹(shù)杰，趙建勛.信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)理論[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005：46-49.

[5]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007 .

[6]唐洪賓.同步積分器——噪聲中提取微弱信號(hào)的一種方法[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1979(1)：81-98.

[7]唐鴻賓.新型鎖定放大器[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1980(4)：47-58.

[8]劉俊，張斌珍.微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005：75-94.

Design of Synchronous Integrator Based on LabVIEW Virtual Experiment Instrument

LUO Mao, CHEN Jingtian, PEI Chenyang

(School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

LabVIEW is a graphical programming language, which uses icons instead of lines of text to create applications. It uses data stream of thought and graphical programming language, which greatly improves the efficiency of programming, enables quick and easy design of virtual instrument. Based on the use of LabVIEW software providing controls and functions, two virtual synchronous integrator signal processing methods, namely, direct and indirect methods, are designed. Virtual synchronization integrator can be used to the synchronize integrator and the weak signal detection as the core content of the experimental teaching, not only to a certain extent, to ease the pressure on experimental teaching instrument, but to deepen students’ understanding of theoretical knowledge. As the technology of virtual experimental instrument to build virtual instrument based on new laboratory matures, it will help to achieve an open experimental teaching.

weak signal detection; synchronous integrator; LabVIEW soft ware; virtual instrument

2013-11-12；修改日期: 2014-10-29

華中科技大學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放實(shí)驗(yàn)課程基金資助項(xiàng)目。

羅 茂(1989-)，男，本科在讀，專(zhuān)業(yè)方向：光信息科學(xué)技術(shù)。

陳晶田(1970-)，女，工程師，研究方向：光電技術(shù)及應(yīng)用。

TN29

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.010