基于LabWindows的濾波分析儀的設(shè)計(jì)

0 引言

　　虛擬儀器一般主要包括計(jì)算機(jī)、軟件平臺(tái)和儀器硬件等三部分。虛擬儀器的硬件形式雖有區(qū)別，但基本構(gòu)成是一樣的。即將儀器硬件搭載到計(jì)算機(jī)上，利用相應(yīng)的軟件完成控制、測(cè)試及數(shù)據(jù)處理和顯示任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字化采集測(cè)試分析系統(tǒng)。

　　1 虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成

　　圖1所示是一個(gè)虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由圖可見(jiàn)，整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，其中硬件部分主要由計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡以及電壓電流傳感器組成，數(shù)據(jù)采集卡采用研華USB4711數(shù)據(jù)采集卡，具有12位AI分辨率，采樣速率高達(dá)150 kS/s，同時(shí)具有16路模擬量輸入、2路模擬量輸出、8路數(shù)字量輸入、8路數(shù)字量輸出以及1路32位計(jì)數(shù)器;軟件部分采用LabWindows虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、錄波、波形顯示等功能，并可分析信號(hào)的有效值、功率、諧波分量、相位角、對(duì)稱(chēng)分量等信息。電壓電流信號(hào)通過(guò)傳感器可轉(zhuǎn)換成0～10 V，4～20 mA信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后傳給電腦，并在LahWindows平臺(tái)下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以記錄并顯示數(shù)據(jù)波形。

　　2 測(cè)量原理

　　本系統(tǒng)可用于測(cè)量三相電壓電流的有效值、功率、頻譜、諧波、相位角、對(duì)稱(chēng)分量，下面介紹各個(gè)參數(shù)的計(jì)算及實(shí)現(xiàn)原理和方法。

　　2.1 有效值計(jì)算

　　對(duì)于連續(xù)信號(hào)，假設(shè)電壓信號(hào)瞬時(shí)表達(dá)式為u(t)，則有

　　然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化采樣，以得到序列{u[k]}，則電壓有效值為：

　　2.2 頻譜與諧波分析

　　采用FFT變換可將采樣得到的數(shù)字信號(hào)中各次諧波在頻域中進(jìn)行分離，以求出各次諧波頻率，并得到各次諧波下電壓電流的幅值和相角頻譜;然后，再將采樣得到的數(shù)字信號(hào)利用對(duì)稱(chēng)分量法進(jìn)行計(jì)算，即可求出基波的正序和負(fù)序分量。

　　離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform)的實(shí)質(zhì)是有限長(zhǎng)序列傅立葉變換的有限點(diǎn)離散采樣，因此，該變換開(kāi)辟了頻域離散化的道路，它可使數(shù)字信號(hào)的處理在頻域采用數(shù)字運(yùn)算的方法進(jìn)行，從而大大增加了數(shù)字信號(hào)處理的靈活性。將信號(hào)經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后變成離散時(shí)間信號(hào)，一般可采用離散傅立葉(DFT)變換法。其長(zhǎng)度為M的有限長(zhǎng)序列x(n)的傅立葉變換公式為：

　　通常快速傅立葉變換(FFT)不是一種新的變換，而是離散傅立葉變換(DFT)的一種快速算法。它通過(guò)對(duì)DFT變換式進(jìn)行一次次的分解，以使其成為若干項(xiàng)DFT的組合，從而減小運(yùn)算量。本文采用的FFT以2為基數(shù)，它具有運(yùn)算效率高，程序簡(jiǎn)單，使用方便等特點(diǎn)。