基于LabVIEW的数字电压表设计毕业论文.pdf

【标题】基于 LabVIEW 的数字电压表设计 【作者】李俊杰 【关键词】LabVIEW 虚拟仪器 电压表 数字电压表 【指导老师】朱清友 【专业】应用电子技术 【正文】 1 引言 1.1 课题的提出和研究意义 1.1.1 课题的提出 实验过程往往比较简单需要的仪器却比较复杂利用率却不高各门实验课程往 往因为某些参数上的差异不得不购置同类实验设备例如数据选择器。此外为了 保证学生有较好的实验效果要求人手一套实验设备需要购置大量的仪器仪表 在全国高等教育大幅度扩招的今天以有限的经费是很难满足这一要求的。因此 研究开发灵活性高、 物美价廉的实验教学设备成为非常有意义的课题 而虚拟仪器 技术的发展为其指明了研究方向。 本问所提到的基于 LABVIEW 的数字电压表的设计 就是在当今社会发展的必然趋势。 现在越来越多的人开始了对虚拟技术的关注1。 1.1.2 研究的意义 本课题是基于 LabVIEW 的数字电压表的设计 采用了一种在虚拟技术的设计实现对 数字电压表的设计突出 LabVIEW 在编程特性、图形界面、扩展功能、虚拟仪器技 术等各方面作为设计软件的优势并将编好的程序生成可执行文件LabVIEW 在这 方面比以前常用的仿真软件有了一个突破2。 “软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单 也是最本质的表述。 虚拟仪器是基于计 算机技术的数字化仪器 利用了计算机强大的运算和处理数据能力 简化了传统仪 器的大部分硬件;也正因为如此打破了传统仪器僵硬、固化的一面取而代之的 是操作灵活、 参数设置简单方便的虚拟仪器。 研究虚拟仪器的意义主要见于以下几 点: 替代传统仪器实现实验教学中的仿真。 虚拟仪器技术的仿真跟常规意义下的计算机仿真有本质的区别 它可以对实际物理 信号进行采集、测控和处理、显示也可以将虚拟信号输出成为实际的物理信号 因此可以非常灵活地进行教学中的原理设计实验并进行直观的演示。 实现传统仪器所不能具备的多功能。 在同一台 PC 机上配合简单的功能硬件和图形界面的软件就可以完成对数据的 采集、处理、传送、显示等操作可以具备不同仪器的功能。例如可以将数据选 择器集成在同一个仪器系统界面上轻点鼠标即可实现不同功能的控制;学生得到 的实验结果会更直观更利于学习和掌握。 研制周期短成本降低易扩展和改进仪器功能简化实验系统。 随着微处理器的发展计算机资源不断地向着提高性能、降低成本的方向发展。在 修改软件的同时就可以对己有的虚拟仪器进行功能扩展和改进 既可以在保证教学 效果也节约了仪器设各的资金投入。 用于开发设计性实验的潜力非常大。 在当今高等教育中 越来越强调提高学生的实际能力 体现在工科专业上就是要求 学生能够理论联系实际既具备较强的动手操作能力更具备设计、开发实际系统 的整体思路。在各院校使用虚拟仪器可以开阔学生们的眼界和思路培养学生的 动手开发程序的能力进一步了解实际系统与技术的需要。 与迅猛发展的 Intenret 技术结合在远程教育上的应用前景十分广阔2。 远程教育如今已成为教育系统中不容忽视的组成部分 实验教学也随之有了新的要 求将虚拟仪器应用于网络技术可以为远程教学和远程实验提供强大的功能学 生甚至可以足不出户的进行网上实验、 提交实验数据等等 进一步提高实验室设备 的利用率并为异地实验数据及更广泛的学术交流提供了高效的平台3。 1.2 数字电压表的研究现状 相对于指针表而言读数直观,准确电压表的数字化是将连续的模拟量。如直 流电压 转换成不连续的离散的数字形式并加以显示。 这有别于传统的以指针与刻 度盘进行读数的方法 避免了读数的视差和视觉疲劳。 目前市场上出现的电压表主 要有斜坡式数字电压表、 双积分式数字电压表、 比较式数字电压表和复合式数字电 压表。后面将有详细介绍。它的主要优点是显示范围宽、分辨力高、集成度高 功耗小抗干扰能力强、可扩展能力强5。 1.3 本文研究的目的和研究的内容 1.3.1 本文研究的目的 本文以虚拟技术作为设计的基础 掌握数字电压表的设计方法 并将数字电压表的 算法运用 LabVIEW 软件来实现 突出此软件在数字电路设计方面的优势 让设计出 的电压表更加“可视化”让设计的整个程序更加明确。 1.3.2 本文研究的内容 本文主要是根据数字电路中的数字电压表的电路结构和工作原理首先设计电压 表 作为整个设计的一个主要子程序 整个框图通过一个函数发生器来显示被测信 号的峰值、直流、平均值和有效值。通过单频测量来得出信号频率和相位。 本文主要研究了以下几方面的内容: 对被测信号进行分析直接显示被测电压的峰值、平均值和有效值。 基本数字电压表的原理分析分别用正弦波、三角波、方波来显示结果。 用虚拟仪器代替实际仪器。根据实际教学的需要应用 LabVIEW 软件平台对各 种电压表进行设计并包括各功能模块的设计。 对设计的数字电压表进行测试分析。 基于虚拟技术知识 学生不需搭建实际模拟电路 只需简单更换自动控制系统的传 递函数各参数就可以直观地观察实验结果。 该仿真实验系列也可用于教学演示 为 学生提供迅捷有效的直观效果。 通过对 LabVIEW 描述数字电压表的设计的研究掌握数字电压表的原理和使用 LabVIEW 描述数字电压表的内涵熟悉数字电压表在 LabVIEW 使用下的条件掌握 LabVIEW 编程使用数字电压表的方法 提高同学自觉学习知识和查阅书籍的兴趣和 积极意义5。 2 电压表 2.1 数字电压表的定义 数字电压表Digital Voltmeter简称 DVM它是采用数字化测量技术把连续 的模拟量直流或交流输入电压转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪 表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、 测量速度快等特点而倍受青睐4。 2.2 数字电压表的原理 电压表的工作原理首先我们要知道在电压表内有一个磁铁和一个导线线圈 通过电流后会使线圈产生磁场这样线圈通电后在磁铁的作用下会旋转这就是 电流表、电压表的表头部分。这个表头所能通过的电流很小两端所能承受的电压 也很小 为了能测量我们实际电路中的电压 我们需要给这个电压表串联一个比较 大的电阻做成电压表。这样即使两端加上比较大的电压可是大部分电压都作 用在我们加的那个大电阻上了表头上的电压就会很小了。可见电压表是一种内 部电阻很大的仪器一般应该大于几千欧6。 2.3 数字电压表的分类 目前数字电压表的品种很多按其模/数转换器原理来区分可分为斜坡式、双积 分式、比较式和复合式四类。 1斜坡式数字电压表 利用积分器产生的线性斜坡电压与被测电压进行比较 吧被测电压转换成与其瞬时 值成比例的时间间隔 T即采用的是 V-T 变换式并在 T 时间内用时钟脉冲进行 计数计数的结果即为被测电压值。斜坡式 DVM 的优点是电路简单、准确度较高 但抗干扰能力差故多用在早期的 DVM 中。 2双积分式数字电压表 利用积分器对被测电压进行正向和反向两次积分 得到与输入电压平均值成正比的 时间间隔 T 并在 T 的时间间隔对时钟脉冲进行计数 最后用数字显示被测电压值。 其实质也是 V-T 变换式。这种积分器的主要优点是抗干扰能力强、灵敏度高因此 是应用最广的数字电压表。 3比较式数字电压表 比较式数字电压表是利用输入的模拟电压与基准电压进行比较 把模拟量直接转换 成数字量的电压表。 按其工作原理又分为反馈比较式和无反馈比较式两种。 反馈比 较式采用闭环比较系统将输入的被测电压与内部 D/A 转换器的输出电压进行比 较比较的结果再反馈到 D/A 转换器不断调整 D/A 转换器的输出直至两者相等 为止。在这一类型中目前广泛应用的是逐次逼近比较式数字电压表因其只需要 经过有限次的比较即可以完成一次测量测量速度快每秒可达上千次、上万次 甚至更高故被广泛用于多点快速检测系统中。 4复合式数字电压表 复合式数字电压表是将积分式与比较式结合起来取长补短发展起来的一种测速 快、抗干扰能力强的高精度 DVM它又分为 V-T 和 V-F电压-频率两种但由于 结构复杂价格也高目前一般仅用于实验计量方面5。 2.4 数字电压表的结构 开始程序执行如果启动/停止为真“T”开始测量仿真信号如果为假“F” 则停止。在测量时先输入仿真信号并对信号的各个参数进行设置通过相关的 一些控件进行测量数据测量中如果按下“停止”按钮则结束程序的执行若 没有按下则继续执行信号的测量过程。 2.5 数字电压表的应用 电压表的发展传统电压表一般由阻抗变换器、放大器、检波器、表头和电源五大 部分组成。按对波形响应的输出量分为峰值电压表、均值电压表和有效值电压表。 它们的工作原理类似,只是检波电路参数有所不同:峰值电压表采用二极管峰值检 波器,表头偏转正比于被测电压(任意波形)的峰值;均值电压表一般都采用二极管 全波或桥式整流电5。 3 基于 LabVIEW 的数字电压表程序设计 3.1 虚拟仪器的简介 孤立的计算机硬件和 I/O 口设备均无法完成测试任务 软件技术在自动测试系统的 研制与开发中正在起着越来越重要的作用。LabVIEW 编程语言是美国最大的虚拟仪 器制造商 NI 公司推出的一种基于 G 语言(Graphics Language图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具。LabVIEW 是“实验室虚拟仪器工程平台(Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench)”的缩写用 LabVIEW 设计的虚拟仪 器可脱离 LabVIEW 开发环境用户最终看见的是和实际硬件仪器相似的操作面板 1。 LabVIEW 是一个工程软件包。1986 年美国国家仪器公司(NationalIn struments) 开发研制出它基于苹果公司的 Macintosh 微机的最早版本.之后该公司不断推出 基于各种操作系统的 LabVIEW 版本。到现在为止已经推出 LabVIEW LabVIEW8.2。 它们的出现开创了虚拟仪器的仪器研究新方法。 3.1.1 LabVIEW 的主要特点 图形化编程方式。 数据流模式。 数据结构、分析函数非常丰富。 提供与其他编程语言的接口来完成更复杂的数值分析任务5。 3.1.2 LabVIEW 程序的开发步骤 LabVIEW 环境下开发的程序外型与操作方式可以模拟实际的仪器 因此被称作虚拟 仪器 VI。实际上VIS 类似于传统编程语言的函数或子程序若干 VIs 可以组成一 个主 VI。一个 VI 由前面板、框图程序和接口板组成前面板接受来自框图程序的 指令。开发一个 vi 程序的基本步骤如下: 创建前面板 前面板类似于仪器的面板也是用户界面。在 VI 的前面板中控件(Control)如旋 钮、按钮等模拟了仪器的输入装置可用鼠标、键盘向程序输入数据提供给 VI 的框图程序而指示器(Indicator)如图形窗口等则模拟了仪器的输出装置用于 显示由框图程序产生的数据结果并从计算机显示器上观察结果。 构造图形化的框图程序 每个程序的前面板都对应着一段框图程序即图标代码也是 iv 的源代码可以理 解成传统程序。VI 用图标代码和连线来完成算术和逻辑运算包括普通数学函数 到高级的采集分析子程序 以及网络和文件 1/O 操作函数 是对具体编程问题的图 形解决方案。框图程序由函数、端口、节点、图框和连线等构成。其中端口被用 来实现程序前面板的控制和显示传递数据 节点被用来实现函数和功能调用 图框 被用来实现结构化程序控制命令 而连线代表程序执行过程中的数据流 定义框图 内的数据流动方向。编制框图程序时无须拘于传统程序设计语法细节的限制。首 先从函数面板中选择需要的函数(FunctionNode)将之置于框图上适当位置;然 后用连线(Wires)连接各函数节点在框图程序中的端口(Port)用来在函数节点之 间传输数据。 程序的调试和运行 LabVIEW 提供了专门用于程序调试的工具箱使得用户能够很方便的设置断点、单 步执行 还可以动画方式执行程序来非常直观形象地观察数据的传输过程 以及进 行方便的调试。 模块化和层次化 LabVIEW 的 VI 可设计成为模块化所以任何 VI 可以作为顶层程序也可以作为其 他程序的子程序甚至可以为自己的 VI 创建图标。VI 代码内含的 VI 叫子程序 subVI.VI 程序使用接口板来替代文本编程的函数参数表每个输入和输出的参数 都有自己的连接端口其他的 VIs 可以由此向 subVI 传递数据。由于这些特色 LabVIEW 符合模块化的程序设计概念并对这种概念起到了推进作用 可以把一个复 杂的应用程序逐步划分为一系列简单的子任务为每一个子任务创建一个 VI再 把它们装配到另一个图标代码中完成一个复杂的任务。最终项层的 VI 包含着一 系列 VIs它们分别代表着应用程序的功能。 LabVIEW 开发环境分为前面板和程序流程图。 如输入信号可由各种按纽和开关控件 控制,输出信号可由 LED 和图形显示表格或图形控件显示。电路设计中的模拟量可 以用各种数值型控件加以控制和显示。 这些控件丰富多样,直观生动,非常适合数字 电路的仿真和设计。实际上,可以用 LabVIEW 提供的逻辑量真值(Ture)和假值 (False)来表示这两种逻辑状态。而且,由于 LabVIEW 又提供了很多逻辑运算操作, 这样就可以很方便地对数字逻辑电路进行仿真。这里输入信号一般用开关量 (Switch)来表示,输出信号一般用发光二极管(LED)来表示,也可以通过类型转换接 到示波器上输出5。 3.2 前面板的设计 用 File 菜单的 New 选项打开一个新的前面板窗口。把所需指示部件放入前面板窗 口。在前面板窗口的空白处点击鼠标右键,然后从弹出的子模板中选取所需器件。 重新设定器件的属性,使用标签工具 A,可输入相应的文字说明。 3.2.1 波形显示 传统的波形测试方案中 为了检测输入波形变化或失真情况 常常需要接上示波器 在虚拟数字电压表的设计也设置了波形监测功能。 波形图表是一种实时趋势图实时显示一个或几个测量数据新接收的数据在 原有波形的后面连续显示它的基本数据结构是数据标量或数组。 波形图是一种事后记录图将数组的全部测量数据一次显示完成。 XY 图描述 Y 值随 X 变化的曲线。XY 波形记录控件在波形显示的同时还反映测 量点 X、Y 值的变化它的输入数据结构是由两组数据包打包构成的簇。 ExXY 图描述 Y 值随 X 变化的多路曲线。 强度图表intensity chart:用一个二维强度图表达一个三维图的数据结构。 强度图intensity graph也是用一个二维强度图表达一个三维的数据结构。 与强度图线的区别在于图象的刷新方式不同5。 下图用正弦波、三角波、方波和锯齿波来显示出的波形 在设计中选择波形图作为输入波形显示或监控。打开 LabVIEW8.0 的前面板编辑 窗口单击鼠标右键显示控制模板选择图形波形图作为虚拟数字电压表的显 示器。在显示器模板上单击鼠标右键对其进行属性设置如根据示波器的频率与 幅度值的变化 利用工具模板中的文字工具 对显示器的横坐标和纵坐标的刻度进 行设置如横坐标时间单位取秒纵坐标的幅度可以取代伏或毫伏8。 3.2.2 数据显示 数据输入控件主要用于输入被测信号的采样频率、 采样点数 数据输出控件用于输 出被测信号经过系统测量处理后得到的信号频率、幅度、相位、峰值、平均值和有 效值及标准频率。 利用控制模板 分别在设计面板上放入代表实际数字电压表控件 的数据输入控件和数据输出控件。 选择新式数值数值输入控件作为采样参数设置的输入。 选择新式数值数值输出控件,作为测试结果的数据显示。 前面板用于设置输入数值和观察输出量 模拟真实电压表的前面板。 在功能设置时 我们考虑虚拟数字电压表功能与传统电压表功能的一致性 主要可以对正弦波、 方 波、三角波等各种常见波形进行测量并能确定响应值因此虚拟电压表具有电源 开关控制、波形显示、峰值、有效值和平均值三种结果数值显示考虑测试精度和 速度应能调节输入信号的采样频率。虚拟面板直接面向用户是虚拟数字电压表 控制软件的核心。设计这部分时还要考虑界面美观、操作方便7。 3.3 程序框图的设计 从窗菜单下选择显示程序框图功能打开框图程序窗口。点击框图程序窗口的空白 处,弹出功能模板,从弹出的菜单中选择所需的对象。 注意:(数值常数:用连线工具, 点击你希望连接一个数值常数的对象,并选择创建常数功能。 若要修改常数值,用标 签工具双击数值功能,再写入新的数值。字符串常量:用连线工具,点击你所希望连 接字符串常量的对象,再选择创建常数功能)。使用移位工具(PositioningTool), 把图标移至图示的位置,再用连线工具连接起来。 选择前面板窗口,使之变成当前窗 口,并运行 VI 程序。点击连续运行按钮,使程序运行于连续运行模式。再点击连续 运行按钮,关闭连续运行模式11。 3.3.1 波形显示 对于波形显示设计中可以采用两个方案。一是在不使用采集卡的情况下利用 LabVIEW 的信号产生功能创建仿真信号发生器。二是在使用采集卡的情况下接 受实际的输入信号。 在仿真状态下模拟信号频率是用赫兹或者周期数/秒为单位数字系统通常使用 定义为信号频率和采样频率的比值的标准频率单位是周期数/采样率。所以应 当在仿真信号产生框图程序中的信号频率和采样频率之间加载一个除法器12。 3.3.2 数据处理和结果处理 数据显示与结果显示的任务就是将被测信号的频率、峰值、平均值和有效值等波 形参数值显示出来。 1平均值显示对于一个纯粹的交流电压正半周期信号和负半周期信号对称 平均值 U 等于零所以一般我们不直接测量平均值而是取交流电压的绝对值然 后求平均值即全波平均值。 2峰值显示交流电压中的最大值即为峰值。可以把数据进行比较求出最大 值需要使用到波形最大值、最小值子程序来处理。框图符号如图。其中最大时间 和最小时间为周期的比较Y 最大和 Y 最小为电压值的比较。 3有效值显示在编程波形模拟波形波形测量中选择基本平均直流如图 3-4。其中直流值测量直流分量均方根值是测量有效值重置用于重启过去记 录的时间信号、平均测量的参数平均值测量是测量中的平均类型在单个模块 VI 中可依据输入记录长度自动设置平均时间窗是在直流/均方根计算之前用 于记录时间错误输入是在该 VI 运行之前描述错误环境默认值为无错误如果 错误已经发生该 VI 在错误输出端返回错误代码子 VI 在无错误时才正常运行。 4信号、频率和相位的输出在函数express信号分析中选择单频测量通 过属性设置来测量波形的信号幅度、信号频率和相位13。 3.3.3 仪器的启动和停止 用一个 while loop 条件语句控制仪器的启动。当电源开关为“1”时虚拟数字 电压表开始工作条件语句中的程序开始运行当开关为“0”时条件语句中的 程序停止运行虚拟数字电压表不工作。 通过基本信号函数发生器 改变仿真信号类型从而得到相应的波形显示 然后通过 改变输入幅值以及输入频率改变相应波形的参数。 然后利用一个波形图表显示该信 号利用基本平均直流均方根、波形最大最小值、均值趋势得到对应的直流、有 效值、峰值、平均值14。 下图 3-6 是对数字电压表的流程图的设计 我们可以根据这个流程图很直观的得出 我们测量的结果。 3.4 数字电压表的测量 每一个程序前面板都对应着一个流程图程序。 前面板的设计完成后 可进行流程图 程序的设计。选择 LabVIEW8.2 计环境中的窗口显示程序框图进入流程图编辑 窗口与前面板各控件对应的端口图表自动出现在流程图编辑窗口中8。 电子电路中的直流电压一般分为两大类 一类为直流电源电压 他具有一定的直流 电动势 E 和等效内阻 R 另一类是直流电路中某元器件两端之间的电压差或各点对 地的电位。 直流电压的测量一般可采用直流测量法和间接测量法两种。 直接测量法测量时 将 虚拟数字电压表直接并联在被测支路的两端如果虚拟数字电压表的内阻为无限 大 则虚拟数字电压表的示值即是被测支路两点间的电压值 间接测量法则是采用 虚拟数字电压表先分别测量两端点的对地电位 然后求两点的电位差 差值即为测 量的电压值9。 测量电压时由于被测对象不同它们的波形、频率、幅度和等效内阻通常也不相 同对不同特点的电压应采用不同的测量方法。 下面是用正弦波来显示被测电压 用方波显示被测电压 用三角波显示 下图是经过仿真后的测量结果 表 3-1 仿真信号测试结果 信号类型 输入量 测量值 幅值 频率 直流 频率 相位 峰值 平均值 有效值 正弦波 1 5 4.340 5 6.913 1 0.637 0.707 方波 1 5 0 5 0.9 1 1 1 三角波 1 5 -7.890 5 -1.279 1 0.5 0.577 3.5 本章小结 本文通过对电压表的研究 系统说明了电压表的原理及应用