电气测量实验报告——实验四

电电 子子 科科 技技 大大 学学 标标 准准 实实 验验 报报 告告 学生姓名：学生姓名： 钟治瑶钟治瑶 学学 号：号： 20140802040262014080204026 指导教师：指导教师： 李晓宁李晓宁 一、实验室名称：一、实验室名称： 工训中心三楼西门子实验室 二、实验项目名称二、实验项目名称： 虚拟频率计设计实验 三、实验原理：三、实验原理： 1过零计数法测频原理 频率是单位时间内的振动次数。振动既包括机械振动，也包括电信号的振动，其数学 表达式为 (1-1) N f t 式中振动频率；振动次数； 产生振动所需要的时间。fNt 不含直流分量的正弦波每个周期内都应有两个过零点。因此，可以根据过零点次数来 判断振动次数。由于采样时间间隔是由数据采集卡决定的，是一个确定值，所以可Nt 以得到正弦波的周期为；从而可以计算出频率 11。确定过零点有不同的方法： Ntf 1）确定正过零点 对被测信号进行数据采集，得到被测信号序列为。我们把该 x t ,1,2,x nnk 信号序列中上次采样为负值、本次采样为正值的点记为正过零点，两个正过零点时间间隔 为：t (1-2)tk t 式中 采样时间隔；两次过零点时间内采样的次数； 两个正过零点之tkt 间的时间间隔，也即 (1-3) 11 f tk t 2）线性插值确定过零点 在相邻两个采样时刻的采样值由负变正或由正变负时，在之间存在信号12,t t12,t t 的过零点，如图 4-1 所示。根据线性插值公式可求得过零点的时间坐标值为： x t1zt1zt (1-4) 1 1121 12 z x tttt xx 式中：为时刻的采样值；为时刻的采样值。1x1t2x2t 同理，可求出第 2 个过零点,第 3 个过零点的计算公式为：2zt3zt (1-5) 3 3343 33 z x tttt xx 式中：为3x 时刻3t的采 样值；为4x 时刻4t的采 样值。 图 4-1 用线性插值法求过零点 于是可得信号的频率计算式为 x t (1-6) 31zz f f tt 将式(1-4)，(1-5)代入式(1-5)整理得 (1-7) 13 1233 sf f xx k xxxx 式中： 为采样频率； 为采样间隔；为在时间内的 1 sf t 4321ttttt k31tt 采样数。 从式(1-7)与(1-2)比较来看，当认为时，式(1-7)与式(1-2)完全 13 1233 xx xxxx 相同。 2采集系统的一般组成及各部分功能描述 DAQ 虚拟仪器又称 PCDAQ 仪器系统，其组成如图 4-2 所示。它由一台 PC 机和基 于标准总线的采集卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件来支持硬件工作。各种 仪器卡按标准化、模块化的要求实现，同样，驱动各种仪器的软件也是按标准化、模块化 的要求设计。DAQ 仪器是一种最基本、最典型的虚拟仪器，它的出现和发展与微型计算机 紧密相连。这种系统以微型计算机为平台，将计算机硬件（包含测试功能的数据采集卡） 与计算机软件（虚拟仪器软件）结合起来，实现特定的仪器测量功能，实质上是一种具有 测试功能的微机应用系统。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中 的缓冲(buffer)是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是是否使用缓冲和是否使 用外触发启动、 停止或者同步一 个操作。 DAQ卡 A/D Buffer (FIFP) 驱 动 程 序 虚拟仪器 软件 显示 Buffer 内存 硬件 信 号 PC机 t ( )x t 1zt2zt3zt 11,t x 22,tx 33,t x 44,tx 1t 2t 3t 4t O 图 4-2 数据采集结构图 2 .USB2832 数据采集卡 USB2832 数据采集卡是一种基于 USB 总线的数据采集卡，可直接和计算机的 USB 接口相连，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统， 也可构成工业生产过程监控系统。基于其完备的功能体系，USB2832 数据采集卡广泛应用 于电子产品质量检测、信号采集、过程控制、伺服控制等场合。USB2832 数据采集卡元件 布局图如图 4-6 所示。USB2832 数据采集卡的 AD 模拟量输入功能主要性能参数如下所述： 转换器类型：AD7321 输入量程：10V、5V、2.5V、010V 转换精度：13 位(Bit)，第 13 位为符号位 采样速率(Frequency)：AD 芯片转换频率最高 500KHz 物理通道数：32 通道（单端 SE） ，16 通道（双端 DI） 模拟量输入方式：单端模拟输入和双端模拟输入 采样通道数：软件可选择，通过设置首通道(First Channel)和末通道(Last Channel) 337 芯 D 端子板 接线端子是为了方便导线的连接而应用的， 37 芯 D 型插 头的定义： 图 4-3 USB2832 数据采集卡 图 4-4 37 芯 D 型插头的定义 表 4-1 37 芯 D 型插头的定义 4 .AD 模拟量输入的信号连接方法 图 4-5 AD 单端输入连接方法 图 4-6 AD 双端输入连接方法 AD 模拟量输入的信号连接方法分为 AD 单端输入方式和 AD 双端输入方式。单端方 式是指使用单个通路实现某个信号的输入，同时多个信号的参考地共用一个接地点。此种 方式主要应用在干扰不大，通道数相对较多的场合。单端方式的实现另外需要借助相关跳 线器的设置。可按图 4-5 所示连接成模拟电压单端输入方式，32 路模拟输入信号连接 AI0AI31 端，其公共地接到 AGND 端。 双端输入方式是指使用正负两个通路实现某个信号的输入，该方式也叫差分输入方式。 此种方式主要应用在干扰较大，通道数较少的场合。USB2832 板可按图 4-6 连接成模拟电 压双端输入方式，可以有效抑制共模干扰信号，提高采集精度。16 路模拟输入信号正端分 别与 AGND 端之间各接一只几十千欧至几百千欧的电阻（当现场信号源内阻小于 100 欧时， 该电阻应为现场信号源内阻的 1000 倍；当现场信号源内阻大于 100 欧时，该电阻应为现场 信号源内阻的 200 倍） ，为仪表放大器输入电路提供偏置。本实验中选择单端输入方式。 4 4、实验目的：实验目的： 1.了解基于 LabVIEW 的测量系统组成； 2.熟悉数据采集卡的使用和 LabVIEW 基本编程指令； 管脚信号名称管脚特性管脚功能定义注释 AI0AI31Input AD 模拟量输入管脚，分别对应于 32 个模拟单端通道， 当为双端时，其 AI0AI15 分别于 AI15AI31 构成信号 输入的正负两端，即 AI0AI15 接正端，AI15AI31 接负 端。 AGNDGND模拟信号地，当输入输出模拟信号时用它作为参考地 信 号 输 入 输 出 连 接 器 被测现场的模拟信号 现场设备 现场设备 AI0 AI1 AI2 . . AI31 AGND 信 号 输 入 输 出 连 接 器 AI0 AI16 AI1 AI17 AGND AI31 AI15 现场设备 现场设备 现场设备 + + + 几十千欧几 百千欧 被测现场的模拟信号 五、实验内容：五、实验内容： 1.熟悉过零计数法测频原理； 2.掌握 LabVIEW 测频方法。 六、实验器材（设备、元器件）：六、实验器材（设备、元器件）： 序号名 称型号与规格数 量备注 1信号发生器1 台 2计算机1 台 3USB2832 数据采集卡1 个 437 芯 D 端子板1 个 5串口通信电缆1 根 七、实验步骤：七、实验步骤： 1.实验前准备实验前准备 （1）用串口通信电缆将多功能接线盒与 USB 数据采集卡的模拟量信号输入输出端 CN1 连接在一起。 （2）用 USB 接线将数据采集卡与电脑连接起来（LED 灯亮表示已正确连接到计算机 上） 。 （3）根据单端方式和通道将传感器调理电路信号接入采集回路。 2.编程设计编程设计 根据实验原理中用线性插值法确定过零点的方法，先要找到采集到的数据中离由正 到负过零点前后两个点。将采集到的数组送到 For 循环中，逐个比较其与零的大小关 系，如果第个数大于零，那么再比较第个数，如果第个数小于或等于零，i1i1i 则满足条件，将 存入新的数组，循环完成时可得到由 组成的一个新数组。用该数ii 组中的数索引采集到的数组，就可以找到数据中由正到负过零点前后两个采样点，根 据式（1-7）编写频率计算程序，得到信号源的频率。确定过由正到负过零点前后f 两个采样点程序流程图如图所示： 开始 i=0 i索引数组 i+1索引数组 i存入新数组 i=2047 执行新程序 i+ T T T F F F 0iY 10iY 图 4-7 确定过由正到负过零点前后两个采样点程序流程图 根据流程图设计程序 （4）运行 LabVIEW 程序，进行频率测量。 （5）在 04000Hz 范围内调节信号源的频率，用虚拟频率计测量 5 次，计算误差。 八、实验数据及结果分析：八、实验数据及结果分析： 运行程序，记录数据如下： 信号源输出频率（Hz）1f212.42580.24788.901229.881732.2 虚拟频率计显示频率 （Hz）2f 212.65571.41813.521314.451655.39 误差（%）0.00120.01520.03120.06880.0443 九、实验结论：九、实验结论： 本次实验通过编写程序，较为成功地构造出虚拟频率计，实验误差较小，结果符合预 期值。 1010、总结及心得体会：总结及心得体会： 通过本次实验，熟练掌握了过零计数法测频原理和 LabVIEW 测频方法，了解了数据 采集卡的使用和 LabVIEW 基本编程指令。 在实验的时候，应该仔细阅读实验步骤，根据步骤的提示，自行编程，才能比较顺畅 的