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基于LabVIEW的锁相放大器及其应用.doc

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.45M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    基于 LabVIEW 的锁相放大器及其应用 物理学院? 07 级 崔? 龙? 20071001013 韩恩道? 20071001028 摘? 要：研究了基于 LabVIEW 的锁相放大器的实现方法，利用测量信号与两路参 考信号的互相关将所需频率的微小信号锁定并进行测量。两路有恒定相位差的参 考信号的设计使得可通过计算直接输出被测信号的幅值。制作了基于 LabVIEW 的锁相放大器原型并进行了初步测试。将制作的锁相放大器应用在了利用声波的 相位差定位的系统中。 关键词：LabVIEW，虚拟仪器，锁相放大器 Abstract: Having a research on the Lock-in Amplifier (LIA) based on NI-LabVIEW, making use of the cross-correlation of the measured signal and the reference signal so that the tiny signal which is in the certain frequency can be locked and tested. The setting of two channels of reference signals make it possible to get the amplitude of the signal directly. A prototype of LIA based on LavVIEW is made. Then the LIA is used in a system which finds out the location of a sound source. Keywords: LabVIEW, VI, Lock-in Amplifier 1. 虚拟仪器和 LabVIEW 1.1 虚拟仪器技术 1.1.1 概? 述 虚拟仪器(Virtual instrument 简称 VI)，就是在以通用计算机为核心的硬件平 台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算 机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬 件，即“软件就是仪器”。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬 件接口模块等。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包括一下两方面的含义。 1. 虚拟仪器的面板是虚拟的： 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功 能是相同的;由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”; 被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，及测量结果的“数值显 示”、“波形显示”等。 1. 虚拟仪器测量功能是通过对图形软件流程的编程来实现的：
    虚拟仪器是在以 PC 为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的 功能的。因为可以通过不通测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以， 在硬件平台确定后，就有软件就是仪器的说法。这也体现了测试技术与计算机深 层次的结合。 虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的产物，是对传统仪器概念的 重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器——模拟式仪表、 第二代仪器——分立元件式仪表、第三代仪器——数字式仪器、第四代仪器—— 智能化仪器之后的新一代仪器，代表了当前测试仪器发展的方向之一。 1.1.2 虚拟仪器技术有四大优势 1. 性能高； 2. 扩展性强； 3. 开发时间少； 4. 集成度高； 1.1.3 虚拟仪器技术的三大组成部分 1. 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过调用特定的程 序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界 面。 1. 模块化的 I/O 硬件 用户可根据所使用的总线（PCI, PXI, PCMCIA, USB 或 IEEE 1394）选择相应的 模块化硬件产品，包括数据采集及信号调理、模块化仪器、机器视觉、运动控制、 仪器控制、分布式 I/O 和 CAN 接口等工业通讯等。 1. 用于集成的软硬件平台 如 NI 生产的 PXI 平台等。 1.1.4 虚拟仪器与传统仪器的区别 与传统仪器相比，虚拟仪器最大的特点是其功能由软件定义，可以由用户根据应 用需要进行调整， 用户选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器。而传 统仪器的功能是由厂商事先定义好的，其功能用户无法变更。当虚拟仪器用户需 要改变仪器功能或需要构造新的仪器时，可以由用户自己改变应用软件来实现， 而不必重新购买新的仪器。
    每一个虚拟仪器系统都由两部分组成：软件和硬件。对于当前的测量任务，虚拟 仪器系统的价格与具有相似功能的传统仪器相差无几，甚至比它低很多倍。而且， 由于虚拟仪器在测量任务需要改变时具有更大的灵活性，随着时间的推移，节省 的成本也不断累计。 不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件，工程师和科学家获得了最大的用户 定义的灵活性。传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起，并利用仪器前面板 为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制任务所 需的所有软件和硬件设备，功能完全由用户自定义。此外，利用虚拟仪器计数， 工程师和科学家们还可以使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、 共享和显示功能。可以接不同的设备而许多应用程序也可以用在同一个设备上， 这都是体现虚拟仪器灵活性的例子。 1.1.5 虚拟仪器的硬件性能 图 3：虚拟仪器硬件与传统仪器的比较
    基本上，虚拟仪器系统是基于软件的，所以只要是可以数字化的东西，就可以对 它进行测量。因此，测量硬件可以通过两根坐标轴进行评估，即分辨率（位）和 频率。图 4 是虚拟仪器硬件测量性能与传统仪器的比较。 1.2 NI-LabVIEW 介绍 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种图 形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标 准的数据采集和仪器控制软件。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计 者必须写出执行的语句；而 LabVIEW 是基于数据流的工作方式，同时是基于图形 化的编程，这使得设计者不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚 拟仪器系统。 一个 LabVIEW 程序由一个或多个虚拟仪器（VI）组成，之所以称之为虚拟仪器是 因为他们的外观和操作通常是模拟了事迹的物理仪器。每一个 VI 由三个主要部 分组成：前面板、框图和图标。 1. 前面板：前面板是 VI 的交互式用户界面，也就是 VI 的虚拟仪器面板，这 一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形 以及其他控制和显示对象。与现实仪器所不同的是，真实的仪器面板由实 物组成，而虚拟仪器则是利用计算机强大的图形环境在计算机上建立图形 化的软面板来代替常规的仪器控制面板。 2. 框图：框图是 VI 的图形化源代码。用户在框图中对 VI 编程，以控制和操 纵定义在前面板上的输入和输出功能。框图中包括前面板上的控件连线端 子，和函数、结构和连线等。框图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬 件电路，用连线将合适的对象连接起来定义它们之间的数据流，以完成仪 器的功能。 3. 图标：图标的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。设计者可 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。 被另一个 VI 使用的 VI 称为子 VI，类似于子程序。这样设计的优点体现 在如下几方面： 4. 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者 调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。 5. 一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功 能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发 周期，提高系统设计的可靠性。 6. 便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的 灵活性提供了前提。 同时，LabVIEW 提供了丰富的 VI 库和仪器面板素材库，近 600 种设备的驱动程 序(可扩充)如 GPIB 设备控制、VXI 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、 显示和存储;并且 LabVIEW 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够 设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过 程，更加便于程序的调试。 2 锁相放大器原理及其实现
    2.1 锁相放大器的基本原理 锁相放大器(Lock-in Amplifier 简称 LIA)是以相关检测技术为基础，利用互相 关的原理设计的一种同步相干检测仪。它是一种对检测信号和参考信号进行相关 运算的电子设备，利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关， 从而从噪声中提取有用信号。它不同于一般的带通放大器，它所输出的信号并不 是输入信号的简单放大，而是把交流分量放大并变成相应的直流信号输出。使用 锁相放大器是从强噪声中提取弱信号的重要手段。可理解为:把待测信号中与参 考信号同步的信号放大并检测出来。 一般锁相放大器的组成分为三部分:信号通道、参考通道和相关器（相敏检波器）。 其核心部分是相敏检波器（phase-sensitive detector 简称 PSD），它实际上 是一个乘法器。输入信号和参考信号分别加在相敏检波器的两个输入端。锁相放 大器的结构框图如下： ? 图 4：锁相放大器结构框图 锁相放大器的最基本原理是相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函 数 f1(t)和 f2 (t)的相关函数表示为： 其中 f2 (t)为参考信号， 为测量信号，S（t）为需要检 测出来的信号，f2（t）与 S(t)频率相同。下面详细讨论这一原理是怎么具体应 用在锁相放大器的设计上，锁相放大器又是如何通过直接计算相关函数来实现从 噪声中检测淹没信号的。 2.2 基于 LabVIEW 的锁相放大器的实现。 2.2.1 此项设计的意义 锁相放大器有着强大的功能和极为广泛的应用，但是由于是精密仪器，体积较为 巨大，价格十分昂贵，数据处理较为不便，而且不便于多用户的共同使用。而采 用 LabVIEW 制作的锁相放大器参数配置更加方便灵活，用户可以根据自身需要修 改配置；成本低廉，只有软件、标准化硬件的成本和开发成本，而且标准化硬件 的通用性使得其相对成本较低；操作方便，在计算机上进行操作即可，而对前面 板的操作与在实际仪器上的操作相一致，操作者不需要对仪器内部的设计完全了 解也可以根据说明进行操作和应用；数据处理方便而且数据利于共享，可以通过 LabVIEW 提供的工具将数据写入文本文档或电子表格文档中，直接保存在计算机
    的硬盘上，为实验数据的处理带来了极大地方便，还可以直接通过打印机等设备 将数据、波形等打印出来；而且可利用互联网实现远程仪器共享，方便更多的用 户进行使用。可见，这项制作有着较为明显的现实意义。 2.2.2 仪器原理 根据参考信号的不同有两种锁相放大器的制作方案，分别以方波和正弦波为参考 信号。 （1）用正弦波做为参考信号的锁相放大器 用 Vs ( t) = x ( t) + n ( t)表示系统实际的测量信号,其中 x ( t) = A sin (ωt +φ)是需要检测出来的样品信号, n ( t)则表示背景噪声。Vr ( t) = B sin(ωt)与 V ′r ( t) =B sin ωt +π/2 分别是与 x ( t)同频的参考信号 1 和参考信号 2,它们相位相差π/2。由相关函数的性质可以推出,在延时τ= 0 的 情况下, Vs ( t)与 Vr ( t) 、V ′r ( t)的互相关函数值为: 经过数据采集卡后得到的信号是离散时间信号,其互相关函数值和自相关函数值 可以由下式表示,其中 N 表示采样点数。 由于噪声 n ( t)与参考信号 Vr ( t) 、V ′r ( t)不相关,可以推出: 则样品信号 x ( t)与参考信号 Vr ( t)的幅值 A 和 B 及这两个信号的相位差φ 可表示为:
    经过数据采集卡后得到的信号是离散时间信号,其互相关函数值和自相关函数值 可以由下式表示,其中 N 表示采样点数。 （2）用方波做为参考信号的锁相放大器 这种设计将参考信号设定为方波并输入相敏检波器的参考端,所测信号作为它的 另一个输入。设加在 PSD 上的被测信号为 Ui，方波参考信号 Ur，幅值为 1。用 傅里叶级数展开，方波信号表达式为： 于是 PSD 输出信号为： ??? 从上式可以看出，PSD 输出包含多个频率分量。因为 ，所以 PSD 的输 出信号中含有直流成分 ，经低通滤波后，则只有此成分输出。 无干扰的标准正弦信号作为输入信号和不同相位的方波相乘后得到的波形 （ 的波形）：
    图 5：信号相乘所得波形 另一种设计可使用对时间积分的方法。设信号 为被检测信号 和噪声信 号 的叠加， 为与被检测信号同步的参考信号 ，二者的相关函数为： 由于噪声信号与参考信号不相关，故 。而利用三角函数族（傅里叶级 数项）的正交性，高次谐波项与被测信号相乘并对整数周期的时间积分后为 0。 故最后结果与前面叙述的三角函数的情形想类似，得到直流信号的测量量 。当输入信号与参考信号的相位差为 0 时，输出最大为 。 因为方波的傅里叶展开式中 项的存在，以方波作为参考信号的设计 会使系统对输入信号中 的奇次倍项谐波也发生响应，即系统对奇次谐波的抑 制能力有一定限度。故使用方波为参考信号的系统尤其需要在信号通道中设置带 通滤波器或高通、低通两个滤波器以及调谐放大器，以便对混杂在被测信号中的 干扰和噪声先进行一定程度的抑制，加强整个锁相放大器对噪声和干扰的抑制能 力。 3? 仪器介绍 3.1 概 述 根据上述原理可在 LabVIEW 下制作锁相放大器，共分为输入信号（包括微弱信号 和噪声）及其滤波，参考信号（两路参考信号相位差固定，参考相位精密可调）， 数据处理和计算，测量值显示以及后级滤波等部分构成，通过调节参考信号的相
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