[转]基于LabVIEW的锁相放大器及其应用
基于LabVIEW的锁相放大器及其应用 物理学院? 07级 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。 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.
1.1 虚拟仪器技术 1.1.1 概? 述
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。
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。 1.1.2 虚拟仪器技术有四大优势
1.1.3 虚拟仪器技术的三大组成部分
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。
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。
如NI生产的PXI平台等。 1.1.4 虚拟仪器与传统仪器的区别 1.1.5 虚拟仪器的硬件性能 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。
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: 2.2 基于LabVIEW的锁相放大器的实现。 2.2.1 此项设计的意义 2.2.2 仪器原理 (2)用方波做为参考信号的锁相放大器 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: 3? 仪器介绍 3.2 前面板和程序框图 仪器的程序框图使用了循环结构使其持续运行,直至按停止键或系统出错为止。整个程序自左至右依次实现的功能大致是:波形采集和处理(左下),参考信号发生(左上),数据运算和处理,显示输出。仪器的程序框图如下: 用正弦波做为参考信号的锁相放大器实现方法与上类似,此处只付其数据处理部分的程序框图。其程序框图如下: 下面对仪器各部分的介绍与以上的前面板和程序框图互为参照。 3.3 各部分设计及功能介绍 3.3.1 信号获得 本仪器上输入信号(待测信号)由Express选板中的“仿真信号”获得,实际应用中使用DAQ助手从数据采集卡获得。“仿真信号”控件可以产生已知频率,振幅和相位的正弦波等波形,并可以在波形上叠加各种强度可调的模拟噪声信号(如高斯白噪声,周期性随机噪声,二项分布噪声,泊松噪声等),以达到真实输入信号的效果。输入信号通过前面板左下角的“参考信号”部分进行调节,可改变其幅值,频率,相位和直流偏移(在原波形上叠加直流信号)。噪声的幅值和类型也可控制。 3.3.2 信号前级处理 由于锁相放大器常用以检测微弱信号和处于较大噪声环境下甚至被噪声淹没的信号,前级应对信号上叠加的噪声做初步处理。此处不讨论信号输入系统之前借助硬件的放大和滤波。系统中在前级对信号处理包括滤波和放大。滤波使用的是Labview提供的带通滤波器,可通过前面板的数值输入控件调节滤波的高截止频率和低截止频率,还可在程序框图中调节滤波器的类型和阶数。系统中使用的是7阶巴特沃兹滤波器。放大用来使输入的小信号与参考信号的幅值相当。前面板的四个显示控件分别显示出输入信号的波形和频谱(功率谱)和信号经滤波放大后的波形和频谱。然而滤波器的引入使得测量信号幅值有一定程度的衰减,并且引进了一定的相位偏移,即使得通过滤波器后的信号相位与最初输入时不同,所以参考信号的相位只能表征相对的相位差,不代表输入信号的绝对相位。 3.3.3 数据处理和计算 信号经转换由动态模式转换为双精度数组格式。对数据的计算基于原理部分的推导,此处不再进行讨论。 3.3.4 测量值显示部分: 经处理和计算的数据通过显示部分进行显示。显示的内容包括:
3.3.5后级滤波: 传统锁相放大器需在后级进行带宽极小的低通滤波。本仪器中使用的是对测量量取平均,获得的效果与进行低通滤波相类似。前面板左上角的“后级滤波(平均)”控件既是控制其求平均所需的量的个数,其数值只能是整数。当其中输入的数值较大时,反应时间较长,但是得到的值较为准确;而当其中输入的数值较小时,反应时间相对短,但是得到的值有较大波动。这点与时间常数对低通滤波器的影响也类似。 3.4 实际测试 参考相位从0度到360度每5度取样测得的测量值变化曲线。横轴为角度,纵轴为幅值。可见得到一条带有相位偏移的正弦曲线,与理论计算相符。若采用更长的平均次数,即更长的后级滤波时间系数,可以使数据的抖动起伏更小。被测信号相位偏移由前级的带通滤波电路造成,所以当调整输入信号和参考信号相位都为0时两路信号相交汇时相对相位差并不是0。 4? 基于Labview的锁相放大器的应用 4.1 声音定位系统 4.1.1由相位差测量声源位置的原理 如下图所示,测量仪是由三个位于等腰直角三角形的声音接受器组成,测量范围为以OA为Y轴,OB为X轴的直角坐标系的第一象限区域(三角形的右上方)。设S点为声源,由于声源到三个接收器的距离不同,其发出的声波到达三个接收器的时间不同,所测得的相位差也不同,据此计算出声源的位置。如果使声源S发出的声音为一已知固定频率,便可利用锁相放大器有效克服噪声,检测到三个信号,并较为精确地求出其两两之间的相位差。 4.1.2测量的实现 (1)硬件部分 求解得:???????? 由r和θ进行坐标变换, 利用LabVIEW中的公式节点可以较为方便地实现这种计算。计算部分的子VI框图如下: 前面板可用数值显示,亦可将数值写入XY图中进行显示,从而更加直观和方便。其效果如下图: 如此便可得到声源的XY坐标,并可以通过坐标计算出声源到原点的距离,声源移动的大致速度和趋势等多项数据。 4.2 PN结电容的测量 4.3 光速测量 5 总 结 参考文献:
怕是找不到了,所以转来,以后好好学习一下
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