基于LabVIEW虚拟同步积分器的设计

罗 茂，陈晶田，裴晨阳

(华中科技大学 光学与电子信息学院， 武汉 430074 )

基于LabVIEW虚拟同步积分器的设计

罗 茂，陈晶田，裴晨阳

(华中科技大学 光学与电子信息学院， 武汉 430074 )

LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。它采用的数据流的思想和图形化的编程语言，极大地提高了编程的效率，从而能够方便快捷地设计虚拟仪器。设计了一种基于LabVIEW的虚拟同步积分器，利用LabVIEW软件提供的控件和函数，设计了两种虚拟同步积分器的信号处理方法，即直接法和间接法。虚拟同步积分器可用于以同步积分器及微弱信号检测为核心内容的实验教学，不仅能在一定程度上缓解实验教学的仪器压力，同时能够加深学生对理论知识的理解。随着虚拟实验技术的成熟，以虚拟仪器为基础构建的新型实验室将有助于实现开放的实验教学。

微弱信号检测；同步积分器；LabVIEW软件；虚拟仪器

虚拟仪器(virtual instruments,VI)是以计算机为核心的，根据用户对仪器的设计定义，用软件实现模拟控制面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统。它具有性能高、扩展性高、开发时间少、界面友好、兼容性好等特点[1]。

华中科技大学光学与电子信息试点学院，在实验教学中采用多种教学模式，其中开放的实验教学模式被广泛采用，但是在开放的过程中经常会受到人员、课程开放时间、空间等条件的限制。同步积分器实验是全院近500名学生必修的实验项目，面临仪器不够用等问题，严重影响了实验效果。因此，虚拟仪器可以作为实验教学模式新的尝试。

1 虚拟同步积分器的相关理论

1.1 同步积分器原理

同步积分器是一种采用多次累积平均的方法，将已知频率的信号从噪声中提取出来的电路，由于信号仅仅具有已知频率的正弦或方波两种状态，因此，同步积分器对于处理已知频率的正弦波和方波具有一定的优势[2]。

1)输入信号是与参考信号同频的正弦波

同步积分器输出的方波幅值,当t≫2RC为：

(1)

参考电路图如图1所示。

输出方波电压Vo相对于Vi的响应为：

(2)

2)输入正弦信号是参考信号的偶次谐波

当输入正弦信号是参考信号的偶次谐波时，则积分器在进行积分运算时，被积信号是整数个周期信号，电容上的正负信号就会相互抵消。因此，输出电压为零。

图1 同步积分器电路

3)输入正弦信号是参考信号的奇次谐波

当输入正弦信号是参考信号的奇次谐波,t≫2RC时，可得相应的输出电压为

(3)

由此可知，输入信号的频率是参考信号的k倍时，则输出方波电压幅度是基波幅度的1/k。

4)输入信号是与参考信号同频的方波

则相应的输出方波的幅值为：

(4)

由式(4)可知，输出方波的电压幅值不仅与输入信号电压幅值成正比，同时，与输入信号和参考信号的相位差成正比。

1.2 FFT频谱分析

FFT计算机实现的公式为：

(5)

(6)

则正弦信号的幅值、相位为：

(7)

(8)

则方波信号的幅值、相位为：

(9)

(10)

上述公式是计算机处理信号的公式[3]。

2 虚拟同步积分器的设计

基于LabVIEW设计的虚拟同步积分器，不仅仅包括同步积分器，还包括信号源、噪声、参考信号、示波器等部分，其中信号处理的方法为：间接法和直接法。

信号生成部分产生的输入信号是正弦信号和方波信号，主要作LabVIEW的信号输入，通过一个条件结构调用不同的波形。噪声信号生成部分产生的噪声信号是均匀白噪声和高斯白噪声，通过条件结构调用不同的噪声信号，如图2所示。

图2 信号和噪声生成

最终的输入信号是通过加法器把正弦信号或方波信号与噪声信号叠加产生的，这部分是虚拟同步积分器的基础部分，对于不同的信号处理方法，这部分基本相同。

间接法是采用FFT频谱分析法，分别计算输入信号的电压和相位，根据同步积分器的理论输出公式计算相应的输出值。

对于 FFT频谱分析法，采用对数组操作，实现FFT从而计算相应的幅值、相位差。根据离散傅里叶变换的公式，获得输入波形的幅值序列，输入For循环中利用索引数组函数获取每一个元素，按照幅值、相位计算公式编写对应的程序，得到对应的值。程序框图如图3所示。

图3 间接法程序框图

同步积分器输出主要利用一个方波信号生成函

数，由于输出方波的频率、相位都与参考信号相同，则输出方波的幅值是关键参数。对于直接法，则相应信号积分后的值可以作为输出信号的幅值；对于间接法，通过算法得到的幅值、相位信息，按照不同输入所对应公式进行处理，得到的数据作为输出信号的幅值。

直接法中,计算机信号处理的过程模拟真实的同步积分器。

通过一个波形属性获取函数后，获得波形的幅值序列。进入一个For循环，将采样的点进行分组，获得两个数组序列，在输出的数组后又加一个For循环,确保选取最新的数据，然后是一个对信号积分的函数，得到输出值。整个程序的关键就是把对应点提取出来，并重新恢复出对应的波形，利用了拆分一维数组、索引数组、创建数组、创建波形(模拟)等函数。程序框图如图4所示。

图4 直接法程序框图

3 虚拟同步积分器输出结果及分析

3.1 波形输出与分析

由式(1)可知，同步积分器的输出与输入信号间相位差成余弦关系。经过验证，虚拟同步积分器输出波形满足上述关系。

当输入信号的频率是参考信号频率的偶数倍时，同步积分器的输出为零，即偶谐波抑制。当输入信号的频率是参考信号的k倍(k为奇数)时，由式(3)可知，同步积分器的输出是基波输出的1/k，即奇谐波输出。经过验证，虚拟同步积分器输出波形满足上述关系。

3.2 测试结果与数据分析

对于直接法，当输入噪声的幅值不断增加，输入信号的参数不变时。同步积分器的输出如表1所示。

表1 直接法实现同步积分器测量数据 V

由表1可知，当采样率为100 000，采样数为100 000时，随着噪声输入幅值的增加，同步积分器输出基本不变。说明虚拟同步积分器有一定的抑制噪声的能力。

对于间接法，随着噪声幅值的增加，输入信号是幅值为1 V，频率为1 kHz，信号间的相位差为160°的正弦信号，同步积分器的输出如表2所示。

表2 间接法实现同步积分器测量数据

表2反映了输入信号的相关参量一定且当采样率为100 000，采样数为100 000时，随着信号中噪声的幅值增加，测量的幅值、相位差的变化情况。

从表格中数据可以看出，幅值的测量精度较高。但是相位差的测量值，明显随着噪声的增加而相对误差增加，尤其当信号的采样率、采样数降低时，数据的稳定性降低，有明显的浮动。直接法和间接法均存在着一定的测量误差，前者误差主要是来自于采样率和采样数，后者误差既受采样率和采样数的影响，同时，FFT频谱分析对于非正弦周期信号在有限项下展开存在着固定的误差。

4 结束语

本文设计了一种基于LabVIEW的虚拟同步积分器。虚拟同步积分器的实现采用了直接法和间接法两种方法。直接法模拟同步积分器的实际信号处理过程，间接法是利用FFT频谱分析，测量被噪声淹没的信号幅值及其与参考信号的相位差。设计的虚拟同步积分器也存在着一些问题，它并不能较理想地处理输入的高频信号。

[1]郑对元.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计[M].北京：清华大学出版社,2012.

[2]常大定，曾延安，张南洋生.光电信息技术基础实验[M].武汉：华中科技大学出版社，2008:68-74.

[3]高晋占.微弱信号检测[M].2版.北京：清华大学出版社,2011：9-23.

[4]赵树杰，赵建勋.信号检测与估计理论[M].北京：清华大学出版社,2005：46-49.

[5]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社,2007 .

[6]唐洪宾.同步积分器——噪声中提取微弱信号的一种方法[J].南京大学学报:自然科学版，1979(1)：81-98.

[7]唐鸿宾.新型锁定放大器[J].南京大学学报:自然科学版，1980(4)：47-58.

[8]刘俊，张斌珍.微弱信号检测技术[M].北京：电子工业出版社,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

华中科技大学专业实验室开放实验课程基金资助项目。

罗 茂(1989-)，男，本科在读，专业方向：光信息科学技术。

陈晶田(1970-)，女，工程师，研究方向：光电技术及应用。

TN29

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.010