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7、测试参数15
8、系统功能16
9、设计总结17
10、致谢19
11、参考文献20
1、前言
当代科学技术的迅猛发展，极大的推动了测量技术的发展，同样测量技术的发展，也有效的促进了现代科学技术的发展。
目前，由于传感器技术的发展，电子测量技术几乎渗透到科学技术与国名经济的所有部门。
虚拟仪器在电子测量中的应用是一项有关电子测量领域的新技术，其中体现在电子测量仪器的转变上。
随着计算机技术、电子技术、通信技术、计算机信息处理技术的迅猛发展,传统的仪器正向软件化、数字化和虚拟化方向发展,这标志着21世纪电子仪器领域发展的一个重要方向。
而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。
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，有硬件电路完成。
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。
2Labview和相位差测量仪简介
LABVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的简称，是美国国家仪器公司（NATIONALINSTRUMENTS,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和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机的出现，工程师和科学家找到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。
2.1LABVIEW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。
2.1.1LABVIEW应用于测试与测量
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。
2.1.2LABVIEW应用于过程控制和工业自动化
LABVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程的控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。
对于更为复杂、更专业的工业自动化领域，在LABVIEW基础上发展起来的BridgeVIEW是更好的选择。
2.1.3LABVIEW应用于实验室研究与自动化
LABVIEW为科学家和工程师提供功能强大的高级数学分析库，包括统
计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算机和分析需要。
即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设备等高级或特殊分析场合，LABVIEW也为此提供专门的附加软件包。
2.1.4LABVIEW编程环境
LABVIEW模板
与一般的程序相比，LABVIEW提供了三个浮动的图形化工具模板，分别是工具模板、控制模板和功能模板。
这三个模板功能强大，使用方便，表示直观，是用户编程的主要工具。
工具模板包括操作工具，定位工具，标注工具，连线工具，弹出菜单工具，滚动工具断点工具探针工具，颜色工具和颜色拷贝工具。
通过这样的工具，就用于VI的创建、修改和调试。
控件模板按功能分类，每个工具图标双包含一系列子模板。
控件模板功能强大，通过这些子模板可以找到创建程序所需的所有对象工具。
使用控制模板可以给前面板增加输入控件和输出指示器。
子模板包括数值子模板、布尔子模板、字符串子模板、列表和环子模板、数组和簇子模板、路径和参考名子模板、图形子模板、装饰子模板、用户控制子模板、控制子模板和AxtiveX子模板。
使用功能模板可创建框图程序模板上每一个顶层图标都表示一个子模板。
LABVIEW框图编程的所有函数按照功能分类都分布在功能模板的子模板里。
每个子模板的内容及操作是LABVIEW编程最基本、最重要的内容。
功能模
板包括下列子模板：
结构子模板、数值运算子模板、布尔逻辑子模板、字符串子模板、数组子模板、簇子模板、比较子模板、时间和对话框子模板、文件输入/输出子模板、仪器输入/输出子模板、通信子模板、数据采集子模板、分析功能子模板、示教课程子模板、高级功能子模板、选择VI子程序子模板、用户库子模板、应用控制子模板和仪器驱动子模板。
通过这些功能子模板，可实现所有LABVIEW的应用功能。
2.2相位差测量仪的概述
2.2.1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。
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，那么交流电压和电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，交流电压变到最大值的时候，交流电流也变到最大值。
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的相位差一般是不等于零的，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。
2.2.2相位差检测仪的应用
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。
3、总体方案的设计
对于虚拟相关法测量相位差仿真仪的设计方案，这里选取了两种方案进行对比。
3.1方案的比较
3.1.1方案一
通过直接调用labview中的互相关子程序，对两同频正弦信号进行相关处理，然后通过计算得出两波形的相位差。
其程序流程框图如图4.2所示。
图3.1
3.1.2方案二
通过调用计算
，
的子程序来实现对Φ的计算。
其程序流程框图如图3-1所示。
图3.2
3.2方案的比较论证和选择
两个方案都是通过相关法测量两个同频正弦信号的相位差，整体的思路大方向上是一致的。
但是相比之下，方案二实现过程比较复杂，方案一的思路更为清晰明了，实现过程也更加直观。
所以我们选取了方案一作为本次设计的最终方案。
4、虚拟相关法测量相位差仿真仪的设计原理
相关法利用两同频率正弦信号的延时_=0时的互相关函数值与其相位差的余弦值成正比的原理获得相位差。
由于噪声信号通常与有效信号相关性很小，因而利用该方法测量相位差能很好的抑制噪声的干扰。
假设有两个同频信号，其描述如下：
…………..…………………
（1）
显然两信号的相位差为：
但实际中是无法知道
和
的。
用相关法求相位差的原理如下，周期信号互相关函数的表达式为：
………..………………………
（2）
其中：
T为信号周期，将式
（1）代入式
（2）当
=0时,可得：
理想情况下，噪声和信号之间，噪声之间并不相关，积分后得：
所以有：
另外：
信号的幅值和在延时
=0时的自相关函数值又有下述关系：
这样，通过两信号的自相关、互相关就可以求得它们的相位差。
5、软件设计
5.1前面板设计
前面板是程序与用户交流的窗口，一个设计良好前面板可以给用户一种友好的感觉，甚至是一种享受。
前面板主要由控件构成，程序前面板用于设置输入量和观察输出量。
它模拟真实仪器的前面板。
其中，输入量被称为Controls（控件），用户可以通过控件向VIA中设置输入参数等；
输出量被称为Indicators（指示器），VI通过指示器向用户提示状态获输出数据等。
用户还可以用以使用各种图标，如旋钮、开关、按钮、图表及图形等，使前面板易看懂。
本设计放置控件:
一个输出显示型数字空间,显示相位差测量结果,单位为度;
一个输出波形显示器,用于观察两个信号的信号波形;
放一个开关型控件,用于运行或关闭仪器;
放三个数字控件,用于设置采样点数、采样频率、信号频率三个参量;
放四个数字控件,分别用于设置两个正弦波的幅值和相位。
前面板如图5.1所示。
图5.1虚拟法测相位差前面板
5.2前面板中常用的控件简介
5.2.1波形显示控件
LABVIEW是以模拟真实仪器操作面板提供了强在的交互式界面设计功能。
传统的仪器仪表中，除了最简单的数码显示外，能够显示测量信号波形和仪器工作状态的CRT荧光屏正在广泛应用，包括数字示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪等，这些高级的仪器都必需具备实时图形显示能力。
一幅精心设计的画面为用户提供的信息量，远远超过完全由数字或文字组成的报告。
因此能够将大量测量数据转换为意义明确的显示曲线或三维图形的控件是设计虚拟仪器所必需的。
按照处理测量数据的方式和显示过程的不同，LABVIEW波形显示控件主要分为两大类，一类为事后记录呼（Graph）,另一类为实时趋势图（Chart），这两类控件都是用来对波形或图形进行显示的，它们的区别在于两面三刀者的数据组织方式及波形刷新方式不，同。
结于事后记录图Graph方式来说，它的基本数据结构为数组，也就是就Graph显示是将构成数组的全部测量数据一次显示完成；
而实时趋势图Chart方式是实时显示一个或几个测量数据，而且新接收数据点要接在原有波形的后面连续显示。
它的基本数据结构是数据标量，也可以是数组。
显示控件包括事后记录波形控件（WaveFormGraph）、实时趋势图控件（WaveFormChart）、XY波形记录控件（XYGraph）、密度图形显示控件（IntensityGraph）、密度趋势控件（IntensityChart）等
XY波形记录控制器（XYGraph）是一次完成波形显示刷新，XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的变化，所以它的输入数据结构是由两个数组打包构成的簇，簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X、Y坐标。
波形显示控件如图5.2所示。
图5.2波形显示控件
5.2.2其他控件
其他控件主要有数值显示控件、数值输入控件、按钮控件。
主要作用在于相关参数的设定、输入和运行结果的显示和系统的停止运行。
如图5.3所示。
图5.3旋钮、数值输入、按钮控件
5.3程序设计
5.3.1系统的程序设计流程框图
5.3.2相关法相位测量仪流程图的设计
6、系统调试
系统调试过程中首先运行虚拟相位差测量仪，然后设定信号频率、采样频率、采样点数、两波形的相位和幅值。
然后面板显示效果如图所示。
改变波形相位，相位差跟随改变，并在波形显示窗口直观的显示波形情况。
调试过程前面板显示情况如下图所示。
图6.1调试过程前面板显示情况
图6.2调试过程前面板显示情况
图6.3调试过程前面板显示情况
图6.4调试过程前面板显示情况
7、测试参数
本系统实现了通过虚拟相关法测量两信号相位差的功能要求。
由于资金与实验条件所限，本设计模拟了两个同频率的正弦波代替实际采集的波形，都够比较准确的测量两信号的相位差。
数据记录如下列表格所示：
表7.1
参数设置
信号频率f=36HZ
采样频率f=40HZ
采样点数n=90
信号1相位（度）
64.188
55.090
信号2相位（度）
45.307
28.088
29.167
27.429
22.340
相位差（度）
10.905
14.908
13.253
15.871
22.603
表7.2
采样频率f=35HZ
采样点数n=80
48.480
56.062
72.960
75.833
23.340
26.969
34.016
50.229
53.020
33.100
表7.2
8、系统功能
本系统利用LabVIEW7.0图形编程语言，设计了一种方便实用的相位差仿真仪。
其充分利用了计算机的强大功能，该仪器的主要特点如下：
（1）采用了LabVIEW作为开发平台,软件编程方便、简洁,效率高；
（2）利用数据采集卡采集数据可测量两个同频正弦波信号的相位差；
（3）在现有的基础上，通过改变软件的设计，可以实现别的仪器功能。
如虚拟函数发生器,虚拟示波器等。
9、设计总结
此次课程设计用到了在虚拟仪器中较为简单直观的图形化编程工具LABVIEW，经过一段时间的学习，已经基本掌握其各个板块的基本功能并最终根据相关法和频谱分析法的基本原理，将LABVIEW中可能用到得板块结合起来产生了基于这两种方法的相位差测量仪的程序框图。
在设计过程中分别用三种方法原理结合LABVIEW强大的图形化显示界面在LABVIEW平台上实现了相位差计的测量，对虚拟仪器的认识有了进一步的加深，就虚拟测量仪器来讲，传统的检测仪器的关键是硬件，功能由厂商定义，因此其扩展性能较低，而虚拟仪器由于它是面向应用的系统结构，所以功能可由用户定义，其关键是软件。
由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机和CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，可实现自动化、智能化、多任务测量。
并可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式丰富多样。
虚拟仪器在较高性价比的条件下，降低了系统开发和维护的费用，缩短技术更新周期。
我个人认为将这这两种方法的基本原理在LABVIEW平台上仿真实现，连接出程序框图和前面板正是此次毕业设计的创新之处。
除此之外，随着计算机技术、电子技术、通信技术、计算机信息处理技术的迅猛发展，传统的仪器正向软件化、数字化、虚拟化方向发展。
在虚拟仪器中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，借助于一台通用的数字化仪表（数据采集卡），用户可以通过软件构造出几乎具有任何功能的仪器，与传统的仪器相比，这又是另一创新点。
但是本次设计只是一个仿真实现的课程设计，所以未能采用数据采集卡这一数字化仪表。
如果采用，那么设计中输入的采集点越多，采集频率越大那么两信号之间的相位差就越精确，这也是本次设计的一个缺陷。
这个设计的一个难点就是对其中的程序框图的编写，既是重点又是难点，在前期准备工作做好后，如查看相关控件使用方法的资料，对编程软
件LABVIEW的学习，进入实质性的调试阶段以后，每种方法都要经过反复的检验和修改，这就很好地锻炼了本人的耐心，培养了本人具体问题具体对待的科学态度。
在本次设计中，我们按照要求完成了虚拟法测相位差题目所要求的基本功能。
在设计开始前我们对各个模块进行了详尽的分析和设计准备工作，设计过程中，我们及时与同学交流，遇到不懂得问题也及时请教老师。
实现了基本的测量功能。
通过本次设计，我们的设计能力有了很大的提高，这使我们经历了一个设计从方案提出到确定，到最后的调试出实物，看到效果。
我基本熟悉了虚拟法测相位差的基本步骤。
在设计过程中，对Labview这门课程有了更进一步的了解，也从实践的例子中区去感受到了Labview技术给我们的设计带来的改变。
在设计过程中，我了解了更多在实际应用中需要考虑的问题，也明白了将理论知识用于实践的不易。
在设计过程中，我了解了软件设计的流程，并在实际操作中熟悉了软件Labview软件的操作和使用，也学会了软件的调试方法，以及学会了分析相应的错误，以便对设计进行改进。
在这个过程中，我们提高了自学能力以及团队协作能力，并进一步提高了对本专业的兴趣。
本次课程设计对自己的信心也有很大提高，在以后的学习中，我们会再接再厉。
设计开始，我对整个设计概念不清，不知道从何处入手，经过广泛的查阅资料，我找到了很多有用的信息，同时在老师的讲解下，我明白了自己该做什么。
通过这个设计我看到了自己的不足，以及自己在动手能力方面的欠缺。
我们自知本次设计还存在很多不足之处，希望老师予以批评指正。
10、致谢
在整个设计过程中，在夏凌老师的精心指导下，大胆创新，严肃认真，以精益求精的态度不断地提高设计质量，但是每一个设计不可能达到至善至美，由于时间有限，其中有些方面还是不够完美，切望老师指教，提出批评和建议，使得这个课题能够更好地进行下去，不断完善，由衷地欢迎和感激。
本次课程设计在我们小组成员相互协作，共同研讨下，最终顺利地完成了任务。
这也使本人感受到了在任何的工作环节中团队合作精神的重要性，为即将走向社会工作做好了技术上和精神上的双重准备。
这次毕业设计的整个设计研制工作都是在夏凌老师的指导和督察下完成的，在设计相位差的检测仪器的过程中得到了一位师兄的大力支持和指导，特别是老师的精心指导和帮助，感谢所有帮助过我的人，在此对他们表示衷心的感谢！
另外，我还要感谢学校能安排这次课程设计，为我们熟悉我们的专业相关提供了平台。
当然，这次课程设计能取得成功，还少不了我们组几个同学的通力合作，大家在设计中献言献策，不积极发挥着个人的聪明与才智。
11、参考文献
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清华大学出版社,2003
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