基于LabVIEW虛擬同步積分器的設(shè)計

羅 茂，陳晶田，裴晨陽

(華中科技大學 光學與電子信息學院， 武漢 430074 )

基于LabVIEW虛擬同步積分器的設(shè)計

羅 茂，陳晶田，裴晨陽

(華中科技大學 光學與電子信息學院， 武漢 430074 )

LabVIEW是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。它采用的數(shù)據(jù)流的思想和圖形化的編程語言，極大地提高了編程的效率，從而能夠方便快捷地設(shè)計虛擬儀器。設(shè)計了一種基于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)計了兩種虛擬同步積分器的信號處理方法，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檢測為核心內(nèi)容的實驗教學，不僅能在一定程度上緩解實驗教學的儀器壓力，同時能夠加深學生對理論知識的理解。隨著虛擬實驗技術(shù)的成熟，以虛擬儀器為基礎(chǔ)構(gòu)建的新型實驗室將有助于實現(xiàn)開放的實驗教學。

微弱信號檢測；同步積分器；LabVIEW軟件；虛擬儀器

虛擬儀器(virtual instruments,VI)是以計算機為核心的，根據(jù)用戶對儀器的設(shè)計定義，用軟件實現(xiàn)模擬控制面板設(shè)計和測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。它具有性能高、擴展性高、開發(fā)時間少、界面友好、兼容性好等特點[1]。

華中科技大學光學與電子信息試點學院，在實驗教學中采用多種教學模式，其中開放的實驗教學模式被廣泛采用，但是在開放的過程中經(jīng)常會受到人員、課程開放時間、空間等條件的限制。同步積分器實驗是全院近500名學生必修的實驗項目，面臨儀器不夠用等問題，嚴重影響了實驗效果。因此，虛擬儀器可以作為實驗教學模式新的嘗試。

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，將已知頻率的信號從噪聲中提取出來的電路，由于信號僅僅具有已知頻率的正弦或方波兩種狀態(tài)，因此，同步積分器對于處理已知頻率的正弦波和方波具有一定的優(yōu)勢[2]。

1)輸入信號是與參考信號同頻的正弦波

同步積分器輸出的方波幅值,當t?2RC為：

(1)

參考電路圖如圖1所示。

輸出方波電壓Vo相對于Vi的響應為：

(2)

2)輸入正弦信號是參考信號的偶次諧波

當輸入正弦信號是參考信號的偶次諧波時，則積分器在進行積分運算時，被積信號是整數(shù)個周期信號，電容上的正負信號就會相互抵消。因此，輸出電壓為零。

圖1 同步積分器電路

3)輸入正弦信號是參考信號的奇次諧波

當輸入正弦信號是參考信號的奇次諧波,t?2RC時，可得相應的輸出電壓為

(3)

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

4)輸入信號是與參考信號同頻的方波

則相應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電壓幅值成正比，同時，與輸入信號和參考信號的相位差成正比。

1.2 FFT頻譜分析

FFT計算機實現(xiàn)的公式為：

(5)

(6)

則正弦信號的幅值、相位為：

(7)

(8)

則方波信號的幅值、相位為：

(9)

(10)

上述公式是計算機處理信號的公式[3]。

2 虛擬同步積分器的設(shè)計

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

信號生成部分產(chǎn)生的輸入信號是正弦信號和方波信號，主要作LabVIEW的信號輸入，通過一個條件結(jié)構(gòu)調(diào)用不同的波形。噪聲信號生成部分產(chǎn)生的噪聲信號是均勻白噪聲和高斯白噪聲，通過條件結(jié)構(gòu)調(diào)用不同的噪聲信號，如圖2所示。

圖2 信號和噪聲生成

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

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

對于 FFT頻譜分析法，采用對數(shù)組操作，實現(xiàn)FFT從而計算相應的幅值、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)獲取每一個元素，按照幅值、相位計算公式編寫對應的程序，得到對應的值。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方波信號生成函

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

直接法中,計算機信號處理的過程模擬真實的同步積分器。

通過一個波形屬性獲取函數(shù)后，獲得波形的幅值序列。進入一個For循環(huán)，將采樣的點進行分組，獲得兩個數(shù)組序列，在輸出的數(shù)組后又加一個For循環(huán),確保選取最新的數(shù)據(jù)，然后是一個對信號積分的函數(shù)，得到輸出值。整個程序的關(guān)鍵就是把對應點提取出來，并重新恢復出對應的波形，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間相位差成余弦關(guān)系。經(jīng)過驗證，虛擬同步積分器輸出波形滿足上述關(guān)系。

當輸入信號的頻率是參考信號頻率的偶數(shù)倍時，同步積分器的輸出為零，即偶諧波抑制。當輸入信號的頻率是參考信號的k倍(k為奇數(shù))時，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)過驗證，虛擬同步積分器輸出波形滿足上述關(guān)系。

3.2 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

對于直接法，當輸入噪聲的幅值不斷增加，輸入信號的參數(shù)不變時。同步積分器的輸出如表1所示。

表1 直接法實現(xiàn)同步積分器測量數(shù)據(jù) V

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

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

表2 間接法實現(xiàn)同步積分器測量數(shù)據(jù)

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

從表格中數(shù)據(jù)可以看出，幅值的測量精度較高。但是相位差的測量值，明顯隨著噪聲的增加而相對誤差增加，尤其當信號的采樣率、采樣數(shù)降低時，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性降低，有明顯的浮動。直接法和間接法均存在著一定的測量誤差，前者誤差主要是來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，F(xiàn)FT頻譜分析對于非正弦周期信號在有限項下展開存在著固定的誤差。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于LabVIEW的虛擬同步積分器。虛擬同步積分器的實現(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際信號處理過程，間接法是利用FFT頻譜分析，測量被噪聲淹沒的信號幅值及其與參考信號的相位差。設(shè)計的虛擬同步積分器也存在著一些問題，它并不能較理想地處理輸入的高頻信號。

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

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

[3]高晉占.微弱信號檢測[M].2版.北京：清華大學出版社,2011：9-23.

[4]趙樹杰，趙建勛.信號檢測與估計理論[M].北京：清華大學出版社,2005：46-49.

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

[6]唐洪賓.同步積分器——噪聲中提取微弱信號的一種方法[J].南京大學學報:自然科學版，1979(1)：81-98.

[7]唐鴻賓.新型鎖定放大器[J].南京大學學報:自然科學版，1980(4)：47-58.

[8]劉俊，張斌珍.微弱信號檢測技術(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

華中科技大學專業(yè)實驗室開放實驗課程基金資助項目。

羅 茂(1989-)，男，本科在讀，專業(yè)方向：光信息科學技術(shù)。

陳晶田(1970-)，女，工程師，研究方向：光電技術(shù)及應用。

TN29

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.010