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基于LABVIEW的振动噪声测试和分析系统开发
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[转]基于LabVIEW的锁相放大器及其应用
    [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。
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
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。
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。
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
性能高；扩展性强；开发时间少；集成度高；
1.1.3 虚拟仪器技术的三大组成部分
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。
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。
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，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。
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。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。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：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。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。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
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位得到输出最大值，此时两信号相位相同，即可得出输入信号的相位。利用两路有固定相位差参考信号与输入信号的关系还可以直接测得所测信号的幅值并显示出来。
3.2前面板和程序框图
仪器前面板的设计尽量符合真实仪器的效果，有直接数值输入、转盘、垂直滑动杆开关、按钮等多种形式的输入控件，也有仪表盘、直接数值输出和波形图等多种显示方式，使得仪器的使用方式尽量直观，操作尽量方便。锁相放大器前面板如下图：
图6：锁相放大器前面板
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：
图7：锁相放大器程序框图
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：
图8：正弦信号做参考的程序框图
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。
参考信号的获得也可选用外部参考，使外部参考信号通过数据采集卡采集到系统中来。此处系统采用的是内部的方波波形生成来得到参考信号，因为内部生成的参考信号参数比较稳定，参数的调节和控制方便，移相时直接改变生成信号的相位即可。参考信号的调节由前面板上的“参考信号”一栏完成，可调节方波的幅值，频率，相位，占空比等，其中参考信号的相位可精确调节（精确到0.1度），以获得被测信号的相位信息。采样信息包括每秒采样率（Fs）和每次采样波形的采样数，参考信号的采样信息应与对被测信号的采样向协调。
系统中设置了两路参考信号，相位相差π/2，此外参数完全一样。
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：
测量量值：该处显示的量是与被测信号和参考信号之间的相位差φ和被测信号振动幅值U相关的量Ucosφ，单位V。随着对参考信号相位的调节，该处显示的值应随之呈正（余）弦信号起伏变化。当调节φ至0度或180度时，测量量达到正负最大。通过“输出方式选择”控件可对输出峰值还是有效值进行选择。当选择峰值时正负最大的绝对值即被测信号幅值（半峰值），选择有效值时输出最大为被测信号的有效值。指针式表头：显示的也是测量量值。信号幅值：利用两路参考信号可算出被测信号的幅值，计算出的幅值通过这个输出控件输出。
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
利用“模拟波形”对仪器进行了初步测试，让仪器测量被高斯白噪声淹没的0.1V正弦信号，获得了信号的幅值和测量量关于相位差Φ变化的曲线。
仪器前面板的测量数值：
图9：工作时的锁相放大器前面板
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。
图10：随相位变化的测量值曲线
4?基于Labview的锁相放大器的应用
锁相放大器在科学研究、医疗卫生、国防科技、精细加工检测等领域均有着非常广泛的应用，服务于物理、化工、生物、电子等诸多学科。而基于虚拟仪器的锁相放大器无疑使这种应用更为方便和高效。下面列举三种使用锁相放大器实现的设计或物理实验。
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。
图11：声音定位原理图?????? ???????????图12：驻极体话筒电路图
4.1.2测量的实现
（1）硬件部分
使用驻极体话筒极其配套电路作为声音的接收器，驻极体话筒两端加直流电压。声波使得驻极体话筒的电阻发生变化从而产生一个叠加在直流电压上的交流波动信号。该信号经一个三极管放大电路放大后，由电容C2滤去直流成分而输出放大了的交流信号。三个话筒分别固定在直角框架的A,B,O点。利用DAQ将放大后的信号送入计算机。
（2）程序和算法
程序分为声音信号采集，锁相放大获取相位和数据计算三个部分。声音信号的采集可以使用LabVIEW自带的DAQ助手分配测量的输入和输出通道，从而通过数据采集卡接受话筒发出的信号（此信号宜经过外部的放大和滤波处理）。数据采集进计算机之后利用锁相放大器可确定三路信号与参考信号的相位差，进而确定三路信号两两之间的相位差。利用得到的相位差可进行计算，得到声源的X、Y坐标。
计算方法如下：
首先由相位差计算得出到达测量点A与O，B与O的时间差T1和T2，波速和a的大小为常量， 列方程组：
求解得：????????
由r和θ进行坐标变换，
可以求得S的坐标（x,y）。
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：
图13：位置程序VI框图
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：
图14：坐标显示图
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
PN结外加电压时，势垒区的空间电荷数量将随外加电压变化，这种由势垒区的点和变化引起的电容是势垒电容CT。PN结的电容是随外加电压的变化而变化的，利用这一特性可制作一只变容二极管，在二极管上面加大小可调的反向直流偏压V0，同时加正弦震荡的交流电压，并使其与一个大电容共同分担这个交流电压。将分压V输入锁相放大器，可测得这一微小信号的振幅等信息。改变直流电压值，可得到V- V0曲线。再利用已知电容替换PN结，保持V不变的情况下可对曲线进行定标，从而得到不同电压下的势垒电容CT。
4.3 光速测量
以CG-Ⅱ型光速测量仪为例，利用光拍频法测量光速。仪器用一个超高频功率信号源产生频率为F的信号输入声光移频器，在声光介质中产生驻波声场。通过介质光栅发生衍射，其零级衍射光中含有拍频为Δf=2F的成分。利用半反射镜将这束光分为近程和远程两路，并利用斩波器使每一时刻只有一路中有光经过。传播一段距离后让两束光光路重合，利用光电二极管收集其光强信号，可利用锁相放大器测量此信号。调节两束光的光程差，当光程差等于一个拍频波长Λ??? 时，两正弦波的相位差为2π，可由锁相放大器测得。而c=Δf×Λ=2F×Λ，由此可得到光速。
通过设计和制作基于LabVIEW 的锁相放大器，达到了计划的效果，锁相放大器的功能在虚拟平台上得以实现，并利用该仪器进行了部分应用的尝试。但是由于是初级的探索，对于各方面参数的设置和数据处理的方法还不够完善，产生的数据仍然不够稳定，需要在已有基础上对程序做进一步的改进。
参考文献：
LabVIEW大学实用教程：第三版/（美）特拉维斯（Jeffrey Travis），（美）克林（Jim Kring）著. 北京：电子工业出版社，2008.6.近代物理实验讲义/ 夏海瑞 主编，胡连军，李茂奎，孙尚倩 编著. 山东：山东大学物理学院，2009.2.物理实时测量技术讲义/ 山东：山东大学杨维初，谢海明，葛斌，周颖. 基于LabVIEW的锁相放大技术在OCT中的应用. 仪表技术，2007 (5)，21-23.杨苏辉，蒋奇军，张海洋，关俊娜，赵长明. 基于LabVIEW的固体相干激光雷达多普勒测速的信号处理. 北京理工大学学报，).刘倩，王玉柱，沈晓东，董瑞玉，司良群. 基于LabVIEW的虚拟相位差计的研制. 微计算机信息，).朱云辉，江曼松. 基于虚拟仪器技术和互相关原理的流体流速测量仪. 仪器仪表用户，).NI官方网站（），电子电路图、电子技术资料网站
怕是找不到了，所以转来，以后好好学习一下
(作者：侠客 编辑：刘平仲)
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