基于LabVIEW的虚拟数字万用表设计毕业论文.pdf

【标题】基于 LabVIEW 的虚拟数字万用表设计 【作者】吴 洪 林 【关键词】LabVIEW 数字万用表 设计 【指导老师】李 金 田 【专业】物理学 【正文】 1 绪论 1.1 国内外数字万用表研究现状 我国数字万用表工业起步于 20 世纪 70 年代中期 历经引进、 发展、 创新 3 个阶段。 目前我国数字万用表产量居世界首位每年生产近 1000 万台中、低档的数字万用 表。 其中以胜利高电子科技有限公司为代表。 深圳华谊仪表有限公司最近开发出具 有较高水平的智能数字万用表新产品。而目前我国的高档数字万用表以进口为主。 国外生产厂家主要有美国的安捷伦公司 Agilent 美国的福禄克Fluke 公司 英国的舒力强Solartron公司等。 目前数字万用表的设计与应用主要在硬件台式领域 由于虚拟仪器技术的发展 数 字万用表在朝着虚拟仪器领域发展 现在市场已有开发出来的虚拟数字万用表成品 出售但是价格昂贵还未普及。 1.1.1 数字万用表的分类 数字万用表从结构上分为三大种类普通数字万用表、单片数字万用表、智能数字 万用表。 1普通数字万用表 普通数字万用表的核心是单片 A/D 转换器 属于低档数字万用表。 从功能和结构上 看与传统的模拟万用表是相同的 只是加入了 A/D 转换器和部分数字电路 其结果 显示方式不同 与传统的模拟万用表相比就具有了新的优点 显示位数 准确度高 分辨率高测试功能强测量范围宽测试速率快输入阻抗高集成度高微功 耗保护功能完善抗干扰能力强。但是和指针式万用表一样依旧采用繁杂的电 路设计其电路结构庞大。其功能结构框图如图 1.1 所示。 2单片数字万用表 单片数字万用表加入新的单片集成技术1属于中档数字万用表。采用大规模集 成电路技术实现了数字万用表的单片集成比能以最简单的方式构成性能优良、 功能较完善、具有基本量程的手持式数字万用表。单片主要包括输入电路(多路模 拟开关)、积分器、比较器、控制逻辑、锁存器、LCD 驱动器、基准电压源、时钟 振荡器、 时基振荡器、 量程功能选择器。 此外 在电源电路中还包括电压比较器、 电压调节器和电池寿命检测电路。 此类万用表在普通万用表基础上进行部分电路单 片集成化使其结构简单化在结构上大有改进。其基本功能结构框图如图 1.2 所示。 3智能数字万用表2 智能数字万用表加入了微处理器或单片机UC于高档数字万用表。此类数字万 用表准确度很高功能强具有自动校准字段数据处理功能但是成本高价格 昂贵。其基本功能结构框图如图 1.3 所示。 1.1.2 数字万用表的设计方式 目前数字万用表分为两大设计方式硬件设计方式和软件开发方式。 1硬件设计方式 应用模拟电路和数字电路结合集成技术和单片 机 技术设计 其过程复杂、 繁琐 由于是硬件 有些因数实际情况中达不到。 但是目前万用表硬件设计技术已经相当 成熟。现在日常生活、教学、工业测试多用手持式数字万用表价格便宜且便于携 带。 2软件开发方式 利用虚拟仪器技术在某种软件开发环境中实现数字万用表的功能。目前途最广 应用最成功的虚拟仪器开发软件是 LabVIEW3、4现在人们已经应用 LabVIEW 成功开发出多种产品如数字滤波器、示波器、信号发生器所以用此软件开发虚 拟数字万用表是在必行。在 LabVIE 开发环境中能够模拟实际达不到的条件能 够运用程序实现数字万用表的实际功能。 比如要完成信号发生器 只需知道其功能、 原理把他们转换成算法就可以应用 LabVIE 中现成的模块来组合并不需要知道 其具体电路结构。 这样就可以避免繁琐和复杂的电路计算工作。 这相当于使用虚拟 的集成化硬件或单片机来进行设计而且在虚拟环境下可以根据用户需要修 改参数而不用担心损坏器件。 而 LabVIE 本身是图形化语言 基本上不写程序代码 取而代之的是流程图或框图不用写繁琐的文本语言。 1.2 国内外数字万用表研究的局限 传统的硬件设计方式设计出的数字万用表通常是手持式的 在结果显示方面比模拟 指针式万用表更进了一步便于随身携带价格便宜功能比较齐全。但是随着科 技的发展数字万用表也有了局限性。它的电路设计方面繁琐复杂硬件参数也有 很多限制 如万用表的数字显示精度就受到硬件的限制 实验环境也难达到理想化。 一旦产品做出来 不能按照用户自定义修改 所以在维护方面和扩展方面受到很大 限制。而基于虚拟仪器技术设计出来的数字万用表能利用计算机系统的强大功能 结合相应的硬件能够大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送和存储以及系统 维护和扩展等方面的限制。 1.3 国内外数字万用表研究的发展趋势 现代电子测量技术随着时代进步而发展得很快 硬件方面朝着高档智能发展 并朝 着与软件开发结合方向发展。 万用表从模拟式发展到数字式 其设计方法从模拟电 路发展到数字电路从硬件开发发展到软件开发从硬件实体发展到虚拟软件。随 着越来越多的设计方式和技术的更新 万用表的设计会越来越简单 功能会越来越 强大。 传统的数字万用表用于生活中的简单测量还是非常方便有实用的。 而用于精 密的实验测量和工业测量 传统的数字万用表就远远不够了 而利用现代虚拟技术 开发出来的数字万用表就显示出了其强大之处。 它能够结合强大的计算机技术 完 成简单和复杂的测量任务 并能作出精确的分析与处理。 但是现在开发出来的产品 要结合计算机和相应的软件开发平台携带不便价格昂贵。总之两者应该朝着折 中方向发展。 目前虚拟仪器的技术越来越完善功能越来越强大利用 LabVIEW 软件平台来设 计数字万用表还是空白所以是很不错的。 2 虚拟仪器技术与 LabVIEW 软件开发平台 2.1 虚拟仪器 2.1.1 仪器的发展 仪器技术5经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器以及单台仪器、叠架式仪器 系统、 虚拟仪器系统两条发展主线。 对于一台传统仪器来说 它是一个独立的装置。 剖析传统仪器的功能构成时可以发现任何一台仪器无非由以下三大功能块组成信 号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。这些功能块全部都是以 硬件或固化的软件的形式存在。 这种框架式的结构决定了传统仪器只能由仪器厂家 来定义制造用户无法改变的现实。计算机技术的发展给传统仪器技术注入了强 大的力。首先是微电子技术大规模集成电路技术的发展促进了数字化器、智能 仪器的快速发展。仪器的精度越来越高功能越来越强性能越来越好。但是传 统仪器基本上没有摆脱独立使用的模式。 对于较为复杂的应用场合 测试参数较多 的场合使用起来就很不方便其局限性非常明显。 2.1.2 虚拟仪器技术的概念 虚拟仪器 6(virtua1Instruments 简称 VI)实质上就是利用最新的计算机技术来 实现和扩展传统仪器的功能真正实现由用户自己设计、自己定义满足自己的特 殊要求的仪器。虚拟仪器既具有传统仪器所具备的一切功能又超越了传统仪器 原因就在于虚拟仪器是将数据采集硬件搭载到计算机平台上 加上应用软件而构成 的 用计算机实现全数字化的采集测试分析 因此有着传统仪器无法比拟的优越性 虚拟仪器的发展完全跟计算机的发展同步 所以显示出虚拟仪器的灵活性和强大的 生命力。所谓虚拟仪器就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能 使用者操作这台计算机 就像是在使用一台专门为自己设计的电子仪器。 在虚拟仪 器中硬件仅仅是为解决信号的输入输出软件才是整个仪器系统的关键。任何使 用者都可通过修改软件程序的方法 很方便地改变、 增减仪器的功能与规模 即“软 件就是仪器”。 虚拟仪器的崛起是测试仪器技术的一次革命 是仪器领域的一个新 的里程碑7、8。 2.1.3 虚拟仪器技术的概况与前景 由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技 术与仪器上的应用新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出 现 在许多方面已经突破传统仪器的概念 电子测量仪器的功能和作用已经发生了 质的变化。在这种背景下八十年代末美国率先研制成功虚拟仪器。虚拟仪器就是 利用现有的计算机 加上特殊设计的仪器硬件和专用软件 形成既有普通仪器的基 本功能又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。虚拟仪器的出 现是仪器发展史上的一场革命 代表着仪器发展的最新方向和潮流 对科学技术的 发展和工业生产的进步产生不可估量的影响。 虚拟仪器利用个人计算机强大的图形 环境和在线帮助功能建立虚拟仪器面板完成对仪器的控制、数据分析和显示 代替传统仪器改变传统仪器的使用方式提高仪器的功能和使用效率大幅度降 低仪器价格 使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。 虚拟仪器广泛应用于电 子测量、化学工业、电力工程、矿物勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断 及教学科研等诸多领域9。 美国是虚拟仪器的诞生地 也是全球最大的虚拟仪器制造国 生产虚拟仪器的主要 厂家有 HP 公司、Tektronix 公司此外还有 NI 公司、Keithely 公司、Iotech 公 司等。目前虚拟仪器在那些发达国家中设计、 生产、 使用已经十分普及。在美国 虚拟仪器系统及其图形编程语言 已成为各大学理工科学生的一门必修课程 而在 我国虚拟仪器的设计、生产、使用正在起步。国内专家预测未来的几年内我国 将有 50的仪器为虚拟仪器。届时国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产 设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展各种有关软件不断诞生 虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 2.1.4 虚拟仪器与传统仪器相比所具有的优越性 传统台式仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构 它有固定的输入 输出接口和仪器操作面板 每种仪器实现一类特定的测量功能 并以确定的方式提 供给用户。从一般的仪器设计模型看一种仪器无非是由数据采集、分析处理、人 机交互和显示等几部分功能模块组成的整体。 因此 我们可以设想在必要的数据采 集硬件和通用计算机支持下 通过软件设计实现仪器的全部功能 这就是虚拟仪器 设计的核心“软件就是仪器”。 这样我们可以在数据采集卡的基础上添加少量 的硬件设备或者直接在原有数据采集卡的基础上开发虚拟仪器。与传统仪器相比 虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外在工程应用 和社会经济效益方面也具有突出优势。 一方面 目前我国高档台式仪器如数字示波 器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口这些仪器加工工艺复杂、对制造 水平要求高 生产突破有困难 采用虚拟仪器技术可以通过只采购必要的通用数据 采集硬件来设计自己的仪器系统10 另一方面 用户可以将一些先进的数字信号 处理算法应用于虚拟仪器设计 提供传统台式仪器不具备的功能 而且可以通过软 件配置实现多功能集成的仪器设计。另外在传统的计算机控制系统中一块数据 采集卡的作用通常是固定不变的例如 AID 转换器、DA 转换器11。如果把计 算机控制系统运用于虚拟仪器中 则可以实现一卡多用 甚至用户可以根据自身的 特殊需要构建特定的虚拟仪器 且无需增加任何硬件设备。 传统仪器与虚拟仪器的 比较如表 2.1 所示。 表 2.1 传统仪器与虚拟仪器的比较 传统仪器与虚拟仪器的比较 传统仪器 厂商定义 硬件是关键 仪器功能、 规模固定 封闭的系统、 与其它设备连 接受限 价格昂贵 技术更新慢周期 5-10 年 开发和维护费用高 虚拟仪器 用户自定义 软件是核心 系统功能通过软件可增可减 基于计算机开放 的系统可扩展 价格低可重复利用 技术更新快周期 1-2 年 软件结构大大 节省开发和维护费用 2.2 LabVIEW 的发展及其特点 2.2.1 LabVIEW 程序语言的特点 LabVIEWLaboratory Virtual instrument Engineering是一种程序开发环境 由美国国家仪器NI公司研制开发的创新软件产品也是目前应用最广、发展最 快、功能最强的图形化软件开发集成环境。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12。 它是图形化的程序语言 又称为“G”语言13。使用这种语言编程时基本上不写程序代码取而代之的 是流程图或框图。LabVIEW 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图像化编程语 言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺序而 LabVIEW 则采用数据流编程方式 程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执 行顺序。它用图标表示函数用连线表示数据流向。它尽可能利用了技术人员、科 学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念因此LabVIEW 是一个面向最终用户的 工具。 它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力 提供了实现仪器编程和 数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时 可以大大提高工作效率。 LabVIEW 提供很多外观与传统仪器如示波器、滤波器类似的控件可用来方便 地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线可以通 过编程对前面板上的对象进行控制。 这就是图形化源代码 又称 G(Graphics)代码。 LabVIEW 的图形源代码在某种程度上类似于数据流流程图 因此又被称作程序框图 代码。 前面板上的每一个控件对应于程序框图中的一个对象 当数据“流向”该控 件时控件就会根据自己的特性以一定的方式显示数据。 LabVIEW 程序被称为 VIVirtual Instrument即虚拟仪器这是因为它的很多 界面控件与操作都模拟了现实世界中的仪器。LabVIEW 的核心概念就是“软件既是 仪器”即虚拟仪器的概念。LabVIEW 还包含了大量的工具与函数用于数据采集、 分析、显示与存储等。这些工具都是向导式的工具用户只需要一步步按照提示就 可以实现与仪器的连线和参数的设置。 而程序员也不用去记忆这些大量的函数 因 为这些函数都以图标与名称的形式存在于一个小小的函数面板上 当需要用到某个 函数时把它从函数面板上拖放到程序框图中就可以了。 2.2.2 LabVIEW 软件的工具和特点 LabVIEW 程序包括前面板用户界面和后面板14程序框图 3 种选板控件选板为前面板添加控件 函数选板在程序框图中添加函数或数据等 工具选板选择各种编辑工具前面板和后面板都要用到 1直观的界面功能-前面板 LabVIEW 的用户界面工具可以帮助用户迅速地生成直观的图形显示包括趋势图、 按钮、LED 告警灯和图像而无需用户从头来筹画控制(drawcontrol )只需根 据你的需要制定人机界面。 使用 LabVIEW 的图像控制工具箱生成的图形 或引入使 用其他绘图工具绘制的图形都可以用来表示仪表符号和系统框图(diagram)。如 图 2.1 所示。 2图形化的程序框图14 是实现 VI 逻辑功能的图形化源代码框图中的编程元素除了包括与前面板上的控 件对应的连线端子(Terminal)外还有函数、子 VI、常量、结构和连线等。如果 把 VI 和传统仪器先比前面板相当于仪器面板而框图相当于仪器内部的功能部 件。缩写 VI构造方框图不必考虑传统编程中的许多句法细节。从 LabVIEW 的 Functions 菜单中选择对象(图标)块和下一块间用线连接来传递数据。这些块 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 I/O 操作15。 如图 2.2 所示。 图 2.2 程序框图 3控件选板Controls Palette 控件选板在前面板显示 它包含创建前面板时可用的全部对象。 控件选板中的基本 常用控件可以以现代modern、经典classic和系统system三种风格显 示。选择主菜单 View-Controls Palette 选项或右击前面板空白处就可以显示控 件选板。如图 2.3 所示。 图 2.3 控件选板 4函数选板Functions P 函数选板只能在编辑程序框图时使用 与控件选板的工作方式大体相同。 创建框图 程序常用的 VI 和函数对象都包含在该选板中。择 View-Functions Palette 或右 击框图面板空白处就可以显示函数选板。如图 2.4 所示 图 2.4 函数选板 2.2.3 LabVIEW 程序的优点 1数据流编程 LabVIEW 使用获得专利的数据流编程15方法 从而使你从基于文本语言的行式结 构编程中解脱出来。 因为 LabVIEW 中的执行顺序是由块间的数据的流向决定的 而 不是由文本的序列行决定的 你可以生成具有同步操作的图(diagram )。 合乎自然 地Lab-VIEW 是个多任务系统可以同时运行多个执行线程和多个 Vi。 2图形化的编程 来生成 VI 画出程序在 LabVIEW 中 一个 VI 即是一个应用程序 其表现形式就是一 个由代表各种控制、显示等功能或对象的图标或图形模块及其间的连接线组成的 图。使用 LabVIEW可以生成 VI而不需再编写程序。用户可以迅速地创建前面板 用户界面 来为软件系统提供交互式控制。 用户可以非常直观地把方框图汇集到一 起。创建前面板就是 LabVIEW 中应用程序的人机界面。在 VI 的前面板中用户可 以用鼠标选 Controls 菜单中的对象(Object) 来为你的系统设置控制和数据显示 包括数值的显示、量程表图、饼图、条状图、图像等。 当 VI 完成后用户可以使 用前面板来控制系统-当 VI 运行时一通过选择开关、 移动滚动条、 放大和缩小图像 或从键盘输入数值。 3数据采集和控制 DAQ VI 库包含所有 NI 插入式和远程 DAQ 产品的采集和输出数据的函数。插入式对 高速和直接控制的应用是非常理想的。因为价格低它大大降低了每通道的费用。 Lab-VIEW 也包含有工业 I/O 设备如 PLC、数据记录器和单回路控制器的驱动程序。 所有的关于信号调理、 远程数据采集的 SCXI 高速模件都可以和 LabVIEW 一起工作。 为帮助用户的系统选择适当的 DAQ 硬件NI 提供了一个被称为 DAQ Designer 的免 费软件配置工具用户可以从 NI 的任何办事处获得。 4I/O 的多种选择 LabVIEW 通过提供对插入式 DAQ(数据采集)板、串口仪器、GPIB 和 VXI 硬件的驱动 程序提供了范围极广的仪器 I/O 选择。驱动程序还支持可编程逻辑控制器 (PLC ) 汽车控制器及其他工业上使用的 DAQ 设备。使用 LabVIEW你可以容易 地在一个系统中混合和匹配各种仪器最大限度地适应工业 I/O 的需要。 5VI 设计模块化 任何 VI 可以自己运行或作为其他 VI 的一部分。用户甚至可以为自己的 VI 创建图 标所以可以设计一个 VI 和 subVI 的层次图( hierarchy )可以用其他 VI 修改、 互换和混合作用来满足修改应用程序的需要。 3 基于 LabVIEW 的虚拟数字万用表设计技术 3.1 数字万用表的基本原理 数字万用表从功能和结构上看其测量原理16-18与传统的模拟万用表是相同的 只是加入了核心的 A/D 转换器和部分数字电路其结果显示方式与指针式万用表不同。在此基础上进 行功能扩展和性能增强。 如在处理数据上加入单片或者微处理器智能技术。 其基本 原理框图如图 3.1 所示。 3.2 基于 LabVIEW 的虚拟数字万用表的设计原理 3.2.1 基于 LabVIEW 的虚拟数字万用表的设计思路 基于 LabVIEW 的虚拟数字万用表的设计思路 利用数据采集卡和 LabVIEW 软件结合 的方式完成 虚拟数字万用表的设计。首先用现成的数据采集卡获取实际测量信号结合 DAQ 助手 设置好 DAQ 助手要采入信号的通道及测量的信号类型和范围 来采集实际电 路的电信号利用 LabVIEW 前面板做一个显示界面将获取的信号显示出来在程 序框图加入一些分析处理程序。 在流程上是与数字万用表一样的 先要获取被测信 号再分析处理得出数值。如图 3.2 所示。 3.2.2 基于 LabVIEW 的虚拟数字万用表的设计指标 该虚拟数据万用表具有电阻、电压、电流 3 类信号测试功能电压分为直流电 压和交流电压电流分为直流电电流和交流电流。电流范围在 30mA 内电压范围 在 10V 内电阻在 5000 欧内。 3.2.3 数据采集卡 3.2.3.1 数据采集卡的概念 数据采集(DAQ)是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非 电量或者电量信号送到上位机中进行分析处理。数据采集卡19即实现数据 采集(DAQ)功能的计算机扩展卡 可以通过 USB、 PXI、 PCI、 PCI Express、 火线(1394)、 PCMCIA、ISA、Compact Flash 等总线接入个人计算机。数据采集系统是结合基于 计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、 用户自定义的测量 系统。通常必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号包括对其进行增益或 衰减和隔离放大滤波等.对待某些传感器还需要提供激励信号。 3.2.3.2 数据采集卡的组成结构 数据采集(DAQ)其组成结构如图 3.3 所示。 1模拟输入通道数据采集卡的模拟输入通道也叫多路转换器(MUX)它是由一 类受控制而将模拟信号接通或断开的模拟开关构成的。 一般采用的是半导体器件构 成的无触点式电子模拟开关。通过模拟开关的控制电路可以来选择任意通道的开 合。从而实现多路或单路采集的功能。 2信号调理器通常数据采集卡自身就带了信号调理电路其主要包括增益、 偏移和滤波。传感器输入时提供激励电压输入的模拟信号通过信号调理器经过 放大、滤波之后变成了标准信号进入采样/保持和 A/D 转换器。 3采样/保持和 A/D 转换这是数据采集卡的核心电路是数据采集系统的关键 组成单元。采样/保持电路将输入的连续标准模拟信号变换成时间上离散的采样信 号。A/D 转换则是将经过了采样/保持后将幅值仍然在采样时间内是连续的模拟 信号转换成数字信号将采样信号的幅值用二进制代码来表示。 4FIFO(先进先出缓冲器)经过 A/D 转换后数字值首先通过 FIFO。FIFO 保证 了数据的完整性有效的减小了在完成了 A/D 变换后数据丢失的可能性。 5总线接口和控制器总线接口是各种采集卡与 PC 相连接的方式目前数据采 集卡的接口方式有PCI、PXI、SCXI、PCMCIA 以及 USB 等。控制器是采样/保持、 A/D 转换器和 D/A 转换器等电路的核心。 它完成采样/保持、 A/D 转换器和 D/A 转换 器的控制功能。 根据对采样速率的要求 其控制方式分为 无条件采样、 中断方式、 查询方式和直接存储器存取(DMA)方式。在高速率数据采集卡中一般都采用 DMA 控制方式。 6D/A 转换器将 A/D 转换后的数字信号转换成电压或电流等模拟信号可将 转换后的模拟信号送入执行机构进行控制或调节。 3.2.3.3 数据采集卡的基本性能指标 由于不同的数据采集卡具有不同的性能指标20 在科学实验或工程测量中如何选 择数据采集卡就成了测量的首要任务。 数据采集卡的选择要考虑的因素很多 所以 必须从信号处理的原理和电路原理上来考虑 本文根据应用经验 总结得出主要的 数据采集卡的性能指标有模拟信号输入部分A/D 转换和采样/保持部分D/A 转换部分。 1模拟信号输入部分 模拟信号输入部分有五个性能参数模拟输入通道数、信号输入方式、模拟信号的 输入范围(量程)、放大器增益、模拟输入阻抗。 模拟输入通道数表明了数据采集卡所能采集的最多的信号路数。 信号输入方式则一般可分为 单端输入(信号的其中一个端子接地);差动输入(信 号两端均浮地);单极性(信号幅值范围为0AA 为信号最大幅值);双极性(信号 幅值范围为-AA)。 模拟信号的输入范围一般根据信号输入极性而定。如单极性输入典型值为 0 10V;双极性输入典型值为-55V。 增益放大器则用来增大或减小输入模拟信号 并且能够减小所有不同输入范围模 拟信号的稳定时间从而保证 A/D 转换器的分辨率得到最大的利用。 模拟输入阻抗是数据采集卡固有参数一般不能自行设定。 2A/D 转换和采样/保持部分 采样速率 它是指在单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数 是数据采集卡的重要技术 指标。 为了使采样后输出的离散时间序列信号能无失真地复现原输入信号 由采样 定理可知采样频率 fs 至少应为输入信号最高有效频率 fmax 的 2 倍 否则会出现频 率混淆误差。实际系统为了保证数据采样精度一般有下列关系fs =(710) fmaxN 式中N 为多通道数采集系统的通道数。 分辨率与位数 n 分辨率是指 A/D 转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。 设 A/D 转换器的位数 n满量程电压为 FSR则 A/D 转换器的分辨率定义为 分辨率=1LSB= 式中 1LSB 即为量化单位可以看出 A/D 转换器分辨率的高低取决于位数的多少。 3D/A 模数转换部分 分辨率当输入数字发生单位数码变化即 1LSB 时所对应输出模拟量的变化 量通常也是用 D/A 转换位数 n 表示。 标称满量程指相当于数字量标称值 2n 的模拟输出量。 响应时间 数字量变化后 输出模拟量稳定到相应数值范围内(1/2LSB)所经历的 时间。 3.2.3.4 数据采集卡的主要功能 作为虚拟仪器的核心硬件设备其主要功能有三 1由衰减器和增益可控放大器进行量程自动变换。 2由多路转换器(MUX)完成对多点多通道信号的分时采样。 3将信号的采样值由 A/D 转换器转换为幅值离散化的数字量或由 V/F 转换器 转换为脉冲频率以适应计算机工作或者由 D/A 转换器输出控制信号。与数据采 集系统相对应数据采集卡本身将模拟输入通道、信号调理电路、采样/保持、A/D 转换以及控制逻辑单元的时钟、 总线接口和控制器集为一体 从而实现了一个完整 测量系统的硬件电路。 3.2.3.5 NI PCI 6036E 多功能数据采集卡(DAQ) NI PCI6036E 多功能数据采集卡(DAQ)通过使用 NI 的 SCC 和 SCXI 信号调理功能 可为 E 系列设备提供传感器和高压测量能力。 National instruments PCI-6036E 是使用 E 系列技术的低价位数据采集卡 可在大多数应用中实现可靠的高性能数据 传输。 NI PCI-6036E 具有 16 路 16 位模拟输入和 2 路 16 位模拟输出。 并且该板 卡有8条数字I/O线和2个24位、 20 MHz计数器/定时器。 根据硬盘类型 PCI-6034E 读写硬盘的速度最高可达 200KS/s。 选用 NI 的硬件和软件产品能灵活实现各种 操作系统、 应用程序开发环境和应用软件。 采用 NI 信号调理对任何类型的传感器 和电压进行虚拟测量使 DAQ 系统更为完善。 3.3 基于 LabVIEW 的虚拟数字万用表的程序设计 3.3.1 虚拟数字万用表的前面板图 如图 3.4 所示虚拟数字万用表的前面板分为四个区量程刻度表区可观察正负 方向数值显示区可以获得数据大小波形显示区可以观察信号波形功能选 择区可以选择信号测试类型。 图 3.4 虚拟数字万用表的前面板图 3.3.2 基于 LabVIEW 的虚拟数字万用表设计程序框图 如图4.5所示 基于LabVIEW的虚拟数字万用表程序采用三个DAQ助手来设置电压、 电流、电阻不同类型的信号。使用条件语句来单独选择任意一种每一种信号通过 DAQ 采集过来后又分别使用条件语句对交直流分流单独显示其数值波形。其中 交流电压需要加入数学公式算出其有效值。在量程方面在数据采集卡设置范围内 根据用户自己需要修改。 图 3.5 虚拟数字万用表设计程序框图 4 基于 LabVIEW 的虚拟数字万用表实际电路的测量 4.1 实际电路测量实验前的准备 4.1.1 测量实验的设备 模拟实验箱一台、导线、电阻若干、台式数字万用表一台、装有 labview 软件和 PCI 6036E DAQ 的计算机一台、已经设计好的虚拟数字万用表一台。 4.1.2 测量电路 1直流测量电路如图 4.1 所示 2交流测量电路如图 4.2 所示 3使用台式数字万用表测试 R1 所得数据 交流电压2.01V 交流电流4mA 直流电压1.46V 直流电流2.92 mA 4.2 虚拟数字万用表实际电路的测量 4.2.1 测量步骤 先在实验箱上连接好被测电路 将 DAQ 的数据采集端子按照对应的连接方式连入电 路再打开计 图 4.3 电压测量 DAQ 助手设置 算机运行 labview 软件打开虚拟数字万用表设置好 DAQ 助手的信号类型采 集通道和采集信号参数最后运行程序在程序前面板控制信号类型进行测量、 观察并验证结果。电压测量 DAQ 助手设置如图