虚拟仪器技术在测试领域中的应用

虚拟仪器技术在测试领域中的应用

随着计算机技术的快速发展，虚拟仪器技术在测试领域得到了广泛应用。与传统仪器不同，虚拟仪器(VirtualInstruments,VI)则是由用户定义功能，它是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。虚拟仪器是应用于通用计算机上的一种软件与硬件的组合，它以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器(GPIB,RS-232,VXI等)为基础，直接利用计算机丰富的硬件（如：微处理器，存储器，显示器）和软件（如：软面板，图形界面，数据处理，信息交换等）资源，将计算机和测量组件等硬件资源与计算机软件资源有机地结合起来，用显示及文件管理等智能化功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是美国国家仪器公司（NI）的创新产品，是目前国际上进行虚拟仪器开发的一个最佳平台，是新一代测试系统的核心。相关函数可以用相关测量仪进行测量，但价格较高。所以，基于LabVIEW平台提出新的软件算法，将成熟的软件算法的应用到测试领域中就具有非常重要的意义。（一）移前后之间的相关关系在测试技术领域，相关是个非常重要的概念。相关是指两个变量之间的线性关系。相关分析是分析两个信号或一个信号在一定时移前后之间关系的重要工具。两个随机变量x和y之间的相关程度常用相关系数ρxy来描述:式中σxy是随机变量x、y的协方差,μx、μy是随机变量x、y的均值,σx、σy是随机变量x、y的标准差.当ρ|xy|<1时,两变量x、y之间的相关程度取决于ρxy的大小;当ρxy=±1时,两变量是理想的线性相关;当ρxy=0时,两变量完全无关。1.进行自相关函数生成的问题x(t)的自相关函数Rx(τ)定义为信号x(t)与做τ时移后的信号x(t+τ)乘积后再作积分平均运算,即:E[x(t)x(t+τ)]为乘积的数学期望并且有：Rx(τ=)0=ψ2=σ2+m2=Rx(0)即τ=0时的自相关值为自相关函数的最大值，且等于均方值。设已知一个正弦函数信号x(t)=Asin(ωt+ϕ)，该正弦波的周期为T=2πω，则运用式（2）可得x(t)的自相关函数：式(5)表明，正弦函数波的自相关函数是与初相位无关的余弦函数。余弦函数的周期与正弦函数波的周期相同。周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保留原信号的相位信息。2.个不同时段的相关程度两个信号x(t)和y(t)的互相关函数定义式为它描述了两个不同的随机信号在间隔τ的两个不同时刻的相关程度。时移为τ的两信号x(t)和y(t)的互相关系数为：由式(6)可得x(t)和y(t)的互相关函数，式中T为信号周期。τ=0时，由三角函数的正交性可知，式(8)表明，两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，且保留原了信号的相位信息。（二）信号分析系统设计根据自相关、互相关函数的特性的分析,它们不仅可以用于信号分析处理，而且可以作为基于虚拟仪器的软件算法在相位差测量等方面取得很好的应用。为进行信号的相关分析，需要产生被检测信号。本系统利用虚拟仪器本身提供的仿真信号进行分析。相关分析的功能由LabVIEW中的时域分析模板提供。时域分析模板位于Functions>Analyze>SignalProcessing>TimeDomain>中，分别调用AutoCorrelation和CrossCorrelation函数进行离散序列的自相关和互相关函数计算。1.电子线路连接在实际测量中，只能得到信号x(t)的N个采样值，所以将连续时间信号x(t)用等时间间隔△t采样取值，则时间t=n△t，时延τ=m△t(m=0,1,2,…N-1)，得信号x(t)的离散时间序列x(n△t)。当τ=0时，有自相关函数估计值的离散时间表达式如下：通过调用LabVIEW中Functions>SignalProcessing>TimeDomain>AutoCorrelation.vi子模板来实现式(9)的算法。正弦信号自相关分析框图程序如图1所示。由于信号分析要求循环进行,而整个过程都希望是人机交互的,因此,在后面板的程序设计中采用While循环结构。主程序框图里采用一个正弦信号源(functions>allfunctions>analyze>signalgeneration>sinewaveform.vi)来产生正弦电压,用到了Cluster子模板上的Bundle图标,目的是把图形横轴的起点、横轴分度值以及自相关函数值组合成一个整体。“Bundle”>C>C>C>C`EC`EC`EC`ECÀ<C>C`CCCCCECECECEC5CÀ<C4C`ECÀ<C4C>CCECECECECCCÀNCEC@WC@WC5C4C4CÀNCÀNCECECEC>CÀNCEC>C>CCECEC>C>C>C>CECECECC`ECEC`EC`ECECEC图标有三个输入量:其一是横轴起点;其二是横轴的分度值,它由采样频率的倒数,即采样间隔来决定;其三是要显示的自相关函数值,即纵坐标值。经过这样的设置之后,Graph图标的属性就由Bundle图标的输入参数来设定,并且横坐标单位由原来的采样点数变为时间。正弦信号自相关分析前面板如图2所示。用户可以通过前面板很方便地进行参数设置：被测正弦信号的幅度、频率以及采样点数和采样频率。系统相关参数设置如下：幅度设为1,频率为5Hz采样频率设定为40Hz，采样点数设定为400。由于在LabVIEW中用自相关函数子模板在求自相关函数时，将其所截取的那一段信号之外的部分认为是零值，因此，用AutoCorrelation.vi子模版求得的自相关函数曲线是一条等周期振幅衰减的曲线。由图2可以很明显观察到正弦函数的自相关函数是与初相位无关的余弦函数。余弦函数的周期与正弦函数波的周期相同。周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保留原信号的相位信息，并且在τ=0时的自相关值为自相关函数的最大值。2.信号分析框图程序将连续时间信号x(t)和y(t)用等时间间隔采样，得到离散时间序列x(i△t)和y(i△t)，简写为x(i)和y(i)，其中i=0,1,2,…N-1;k=0,1,2,…n-1；τ=k△t;当n<<N时，有互相关函数的离散时间表达式：通过调用LabVIEW中Functions>SignalProcessing>TimeDomain>CrossCorrelation.vi子模板来实现式（10）的算法。两个正弦信号互相关分析框图程序如图3所示。由于信号分析要求循环进行，所以在后面板的程序设计中采用While循环结构。主程序框图里采用两个正弦信号源（functions>allfunctions>analyze>signalgeneration>sinewaveform.vi），由于sinewaveform.vi使用的是数字频率，因此必须将模拟信号频率转化为数字频率，转化过程遵循奈奎斯特频率即可。波形数据以簇的形式给出，包括起始时间t0、采样时间间隔dt和一个由采样数据构成的数组。两个正弦信号互相关分析框图程序如图4所示。用户可以通过前面板很方便地进行参数设置：被测正弦信号1的幅度、频率10Hz和初始相位为45，正弦信号2频率10Hz和初始相位为0，两正弦信号的幅度均设为常数1，以及采样点数100和采样频率200。通过时标控件可以方便调整原信号的横轴范围。由图4可以明显看出，两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，且保留原了信号的相位信息。如果改变两个正弦信号的频率为不同频率，会观测到两个非同频率的周期信号互不相关。（三）周期信号检测由式（2）可知，如果信号中有周期成分，则其自相关函数在τ很大时都不衰减，并具有明显的周期性。而不含周期成分的随机信号在τ稍大时自相关函数就趋近为零。设信号由一个正弦波和均匀白噪声叠加而成,幅度均为1，正弦波频率为2Hz。周期信号检测后面板框图程序如框图5所示。根据运行周期信号检测前面板（如框图6所示）的所示结果，可以明显地看出，自相关函数在τ很大时都