电气参数测量的虚拟仪器研制.doc

电气参数测量的虚拟仪器研制摘要 虚拟仪器是基于计算机的测量仪器，它与传统仪器相比有很多优点，近年来发展迅速。为了满足实验教学发展、创新的需要，实现实验教学智能化、网络化的要求，我们研制了电工教学虚拟仪器仪表系统。本系统完成了对电工实验中的常见电气参数如：交流电压、电流；直流电压、电流；电阻、电容、电感的测量，以及包含了数字示波器和函数信号发生器功能模块。 本系统硬件由调理电路、数据采集卡和计算机组成。本文重点阐述了交流调理电路、直流调理电路、RLC调理电路的设计。在硬件设计中，我们通过数据采集卡的DO口输出仪器的控制信号，控制继电器实现测量电路的量程自动转换。我们选用北京双诺公司的AC6111型数据采集卡。 虚拟仪器应用程序用Visual Basic6.0编写。本虚拟仪器以虚拟面板作为人机交互界面，实现了信号的测量计算，波形显示，数据存储等功能。本系统有着重模块化的程序开发设计思路，包含了数据采集、量程转换和控制、数字波形、参数测量、以及线性修正等子程序模块。 本文还给出了作者对各个部分的电路性能的测量。测试结果表明，系统达到了设计的要求。 文章最后提出了本系统有待进一步研究的主要问题。关键词：电气参数；虚拟仪器；数据采集Abstract Virtual Instrument is the measuring instrument based on computers.It has more advantages than traditional measuring instrument and has made great improvement in recent years.We develop the Virtual Instrument system of electrical experiments to satisfy the needs of experimental teaching development,and to realize the demands of intelligent and network experiment.The system can measure most useful parameters in electrical experiments,such as AC voltage,AC current,DC voltage,DC current,resistance,capacitance,inductance,and as well as having contained the function modules of digital oscilloscope and signal generating device. The hardware of system is composed of signal adjustment circuit,data acquisition card and computer.This paper expatiates the designing scheme of AC signal adjustment circuit,DC signal adjustment circuit and RLC signal adjustment circuit.In hardware design,we export the signals which control electrical relays to change measuring ranges of measuring instrument through the DO port of data acquisition card.We select AC6111 data collection card made in W&WLAB to collect measuring data of signal. We design the applicator program in VB6.0.The Virtual Instrument uses virtual panel as the interface of human-computer,and performs the tasks of signal measurement,waveform display and data store.The idea of modularized design is emphasized in this paper,including the data acquisition,range switching & control,digital filter,parameters measuring,linear revision and so on. In this paper,the auther lists the texted data in all the circuits of the instrument.The result shows the instrument adapts the design requirement. At the end of the paper,it proposes the main problems need to improve and the aspects need to research deeper. Key words:Electrical Parameter;Virtual Instrument;Data Acquisition目录 摘要1 Abstract2 第一章 绪论4 1.1 基于PC的测控技术的发展及虚拟仪器4 1.2 虚拟仪器简介5 1.3 本文研究内容6 第二章 系统总体设计7 2.1 系统设计指标7 2.2 系统组成及测量原理8 2.3 PC-DAQ系统11 第三章 硬件平台的构建及硬件抗干扰13 3.1 交流信号的测量13 3.2 直流信号的测量16 3.3 RLC参数测量仪的设计17 3.4 数字接口电路18 3.5 系统的硬件抗干扰措施19 第四章 程序设计20 4.1 应用程序设计20 4.2 软面板设计24 第五章 系统结果测试和误差分析25 5.1 系统测试结果25 5.2 误差分析26 结论27 致谢28 参考文献29 1 绪论1.1 基于PC的测控技术的发展及虚拟仪器 随着微电子技术和计算机技术的发展，基于PC的测试测量与控制技术取得了长足的进步，其主要体现在以下两个方面：一方面为数据采集和控制部件的进步，另一方面是测控系统技术的进步。 从部件技术上，老式的测控系统中各主要部件和信号调理器、模拟开关、A/D及D/A转换器等多由分立元件或小规模集成电路组成。由于其集成度较低，致使系统体积庞大，稳定性及可靠性也较差。90年代以后微电子技术迅猛发展，各种集成电路的集成度越来越高，使得数据采集系统中的某一部分功能得以在一块集成电路中完成，其可靠性及其他技术性能也大大提高。以A/D转换芯片为例，目前的A/D芯片分辨率最高可以达到20-24bits;在转换速度上，8位和12位的ADC转换速度可达每秒上百兆次，16位的ADC目前也可达到每秒1兆次的速度水平。转换速度的提高极大的拓展了测控技术的应用范围，如可以对更高频的数字信号进行计算机处理。此外，由于电路的集成度越来越高，出现了将多个测控单元部件集成于一个芯片的大规模集成电路产品。如将信号调理模块、模拟开关、采样保持器及A/D模块集成在一块板卡上的数据采集卡。这种产品的测量输出已经是数字信号，而模块化的单元即为智能化数字传感器。 测控系统技术的进步，根本来源于计算机技术的进步。作为测控系统基本功能单元的各种测试仪器，其发展经历了模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器直到智能仪器。由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、测量方法及仪器结构不断出现，电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密的结合成一个整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生突破性的变化。在上述背景下，出现了新的仪器概念虚拟仪器。而虚拟仪器的发展，已经超越了狭义上的单纯的功能部件“仪器”，其正作为整体的系统解决方案逐渐成为行业的主流。1.2虚拟仪器简介 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪器”。 同智能仪器相比，虚拟仪器的键盘、CRT、微处理器等都借助于计算机的资源，其硬件大为减少，因此具有结构简单、一机多用等特点。虚拟仪器尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 虚拟仪器可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以完成过去在智能仪器上难以做到的数据分析、统计操作，创造出功能更强的仪器。虚拟仪器是面向应用的系统结构，可以由用户自己定义、修改、增减功能，可方便的与网络、外涉及其他应用连接，轻松实现仪器的网络化。按照L/O接口设备的不同，虚拟仪器主要有5种构成方式。 虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种： （1）基于数据采集的虚拟仪器 系统通过A/D变换将模拟、数字信号采集入计算机进行分析、处理、显示等，并可通过D/A转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。 （2）基于通用接口总线GPIB 接口的仪器系统GPIB(General Purpose Interface Bus)仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用GPIB接口卡将若干GPIB一起连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易。它可高效灵活的完成各种不同规模的测试测量任务。利用GPIB技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可预先编制好测试程序，实现自动测试，因此提高了测试效率。 （3）利用VXI总线仪器实现虚拟仪器系统 VXI(VME bus Extension for Instrumentation)总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。VXI总线是一种高速计算机总线VME(Versa Module Eurocard)总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、结构紧凑、使用方便灵活，已越来越受人们的重视。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。 （4）基于串行口或其他工业标准总线的系统 将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。 无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭裁到笔记本电脑、台式计算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成。因而，虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展步伐完全同步，同时也显示出虚拟仪器的灵活性与强大的生命力，已在电子测量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析、物矿勘探、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中广泛应用。1.3 本文研究内容 （1）虚拟仪器技术改变了实验测试仪器学习使用的旧观念，可由学生随心所欲的根据自己的需要选择仪器系统，实现测量目的，这不仅使实验教学从验证为目的向发挥学生个人的才能、想象力方面发展，而且对提高学生的创新素质起推动作用。 （2）虚拟仪器中，“软件是仪器系统的关键”，通过使用开发软件如VB的编程方法，可以很方便的改变虚拟仪器系统的功能与规模。 （3）由于虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的优越性，例如虚拟仪器系统开放、数据自动记忆和处理、各项数据测量的同时性、通用、服用并且价格低等，因而降低了测量仪器的成本，对实验教学的电子仪器更新换代具有现实意义，也为仪器的维护和管理带来了方便。 我们开发了电工教学虚拟仪器仪表系统，该系统有五个部分组成。交流部分实现了交流电压电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等常见电气参数的测量；直流部分实现了直流电压电流的测量；示波器部分实现了信号波形显示、相位差测量、数据存取等功能；RLC部分实现了电阻、电容和电感的测量；函数信号发生器部分实现了输出幅度频率可调的正弦波、三角波、锯齿波、方波以及脉冲波功能。作者主要完成如下工作： （1）电工教学虚拟仪器仪表的总体方案设计 （2）信号调理电路的设计、安装、调试 （3）数据采集卡I/O驱动程序的熟练调用 （4）基于VB的应用程序编程 （5）测试仪器性能并对误差进行分析2 系统总体设计2.1 系统设计指标 系统由信号调理电路、数据采集卡、计算机及应用软件四部分组成。调理电路分为交流调理电路、直流调理电路、RLC调理电路、示波器调理电路以及函数信号发生器调理电路。其中，直流调理电路和示波器调理电路共用。他们分别用来测量交流电压、电流；直流电压、电流；电阻、电容、电感；适时显示两路波形状态；适时发出各种常用波形。 系统的设计指标如下： （1）交流多功能测量部分 测量对象：交流电压（两路）；测量范围：0-500V；设计精度：0.5级 测量对象：交流电流（两路）；测量范围：0-1A；设计精度：0.5级 测量对象：视在功率（两路）；测量范围：0-500VA；设计精度：1级 测量对象：功率因数（两路）；测量范围：0-0.9999；设计精度：1级 （2）直流测量部分 测量对象：直流电压（两路）；测量范围：0-30V；设计精度：0.5级 测量对象：直流电流；测量范围：0-1000mA；设计精度：0.5级 测量对象：直流电流；测量范围：0-20mA；设计精度：0.5级 测量对象：直流电流；测量范围：0-1000A；设计精度：0.5级 （3）RLC测量部分 测量对象：电阻；测量范围：1-1M；设计精度：1级 测量对象：电容；测量范围：300pF-100F；设计精度：5级 测量对象：电感；测量范围：2mH-100H；设计精度：1级 （4）数字示波器部分 具有两个信道，能够测量波形的峰值、有效值、平均值、频率和周期，且上述测量对象精度达到1级，能根据需要显示信号的YT或XY方式。 （5）函数信号发生器部分 波形：正弦波、三角波、锯齿波、方波和脉冲波，可发出单个周期或持续发出。 峰值范围：1-25Vpp 频率范围：20Hz-1000Hz 偏置范围：0-5V 脉宽调节：0.1-0.92.2 系统组成及测量原理 虚拟仪器的工作过程：先把由传感器变化来的电信号输入仪器的信号调理电路，经信号调理电路处理后，在经数据采集卡存入内存，整个过程由软件控制，对采集到的数据进行分析和处理。通过不同功能模块的设计，实现各种仪器的功能。如：交流电压电流表、直流电压电流表等。 一般很少把传感器或来自被测系统的信号直接插入数据采集板，因为数据采集板可能会对信号产生干扰，从而影响系统操作；同时还需把信号范围控制在数据采集卡的量程之中，并要避免噪声。系统中有很多噪声源，包括传感器、电缆串音及A/D转换等都会严重影响信号质量。总之传感器的电信号必须符合数据采集卡所能接受的格式，否则就必须转换调理，调理方式包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。 交流信号经过信号调理电路后送入数据采集卡，采集卡的AD部分对信号进行采样计算，然后根据测量结果决定要不要转换量程；直流信号先经过量程转换，然后才经过传感器，再送入AD进行采样计算；RCL测量是先产生488.3Hz的标准正弦波，然后标准信号经标准电阻和待测元件分压，两分压信号分别送入AD进行采样计算；对于数字示波器，由信道CH1、CH2引入的信号只是简单的经过传感器就送入采集卡的AD部分采样，然后由软件对数据进行集中处理；对于函数信号发生器，则将采集卡DA转换出来的信号经过功率放大后直接提供给用户使用。2.2.1 交流多功能测量 由电路理论知，电压、电流的有效值为： 式中，N=T/，为采样时间间隔。 若电压和电流信号的相位差已知，则通过功率因数cos有功功率可表示为： 视在功率无功功率 两个相同频率信号之间的相位差有多种测量法，如过零比较法、FFT谱分析法、正弦波参数法及相关函数分析法。后三种方法是基于软件手段的数字化算法，大量应用于以计算机为中心构成的检测系统中。相关函数分析法利用两同须正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差的余弦值成正比的原理获得相位差。由于噪声通常与信号不相关，因而该方法有很好的噪声抑制能力。本系统采用的就是这种方法。2.2.2 直流电量测量 直流信号经传感器后直接送入采集卡采集数据，同时根据需要由4051选取一路信号，信号经调理后送入另一AD通道进行采样。我们对后一采集数据分析，如果原直流信号是一纯直流，那么分析结果是我们找不到它的周期，这样我们把所有采集的数据进行一次平均来确定该直流的平均值；如果原直流信号含有交流分量，那么经调理电路后它变为和原含有的交流信号频率相同的方波，我们可以找到它一个整周期的采样值，根据这个周期我们确定他的平均值。这样，该电路就具有测量含有交流分量的直流信号的能力。 对直流信号v(t)进行连续采样，则连续信号变为离散信号序列v(0)，v(t)，v(N-1)，直流电量的平均值为：2.2.3 RLC参数测量 Zx为被测电阻，Rr为采样电阻，Ux为频率为488.3Hz的标准正弦波信号。由此可知： 另被测阻抗Zx=Rx+jx，则有： 式中为Ux和Ur的相位差。 若已知阻抗Zx为电阻、电容的串联阻抗，即：则有： 被测信号Ux和Ur直接送入数据采集卡的A/D转换部分进行采样测量。为了能精确测量较大范围的电阻、电容和电感，我们把取样电阻Rr分为了8个量级。这样，测量RLC时就有8个量程，基本能满足教学的需要。而要准确测量RLC，我们还得精确的测量出相位差的值。在本设计中，采用交流多功能部分所述的相关函数分析法测量相位差。2.2.4 数字示波器 CH1、CH2信道输入的信号经传感器调理后，一方面直接送入采集卡采集数据，另一方面由4051选取后，经放大、滤波、整形调理后也送入采集卡采集数据。对后一采集数据进行分析，我们可以测试出原信号的频率和周期。对前一采集数据进行分析，我们可以测试出原信号的峰值、均方根值和平均值。2.2.5 函数信号发生器 根据实际信号我们由软件构造出它的函数模型，然后由采集卡的D/A输出相应的模拟信号，再由外部电路予以功率放大，提供给用户使用。本设计可以提供正弦波、三角波、齿波、方波和脉冲波。2.3 PC-DAQ系统 虚拟仪器是由计算机、硬件平台和应用软件组成的。从构成方式上讲，以数据采集卡（或多功能卡）配以信号调理电路为基本功能单元的虚拟仪器系统，称为PC-DAQ系统（DAQ为DATA ACQUISITION的缩写）。对于实验室建设来说，我们可以利用现有的资源，采用PC-DAQ系统来实现电气参数测量的虚拟仪器系统的研究和开发工作。 系统各组成部分功能： （1）传感器 完成信号的获得，它将被测参量转换成相应的可用输出信号，被测参量可以是各种非电气参量，也可以是电气参量。如电力输电线高电压电网，可通过电压互感器将高电压变为100V电压、通过电流互感器将电网大电流变为5A后，仍需采用电压、电流传感器或变送器再将100V电压及5A电流分别转换成5V低电压，然后送入数据采集卡（板）中的A/D转换器。 （2）信号调理 来自传感器的输出信号通常是含有干扰噪声的微弱信号。因此，后面配接的信号调理电路的基本作用有两个：其一是放大，将信号放大到与数据采集卡（板）中的A/D转换器相适配；其二是滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量，将频带压缩以降低采样频率，避免产生混淆。此外，根据需要还可进行信号隔离与变换等。 （3）数据采集卡 主要功能有三：其一是由衰减器和增益可控放大器进行量程自动改换；其二是有多路切换开关完成对多点多通道信号的分时采样；其三是将信号的采样值由A/D转换器转换为幅值离散化的数字量。如时间连续信号x(t)经过采样后变为离散时间序列x(n)，n=0，1,2 （4）计算机 计算机是系统的神经中枢，它是整个测量系统成为一个智能化的有机整体，在软件导引下按规定的程序自动进行信号采集与存贮，自动进行数据的运算分析与处理，以适当形式输出、显示或记录测量结果。本系统选用北京双诺公司的数据采集卡AC6111，它具有16路模拟输入、2路12位D/A输出、16路可编程开关量、一路16位计数器、采集转换支持多种触发形式、AC6111采用大规模可编程门阵列设计，提高了可靠性。其主要特点、功能如下：1 AD部分 a. 16路输入，支持通道扫描及伪同时采样扫描模式（注：伪同步模式：既模拟同步采样模式，采样被定时器或外部时钟启动后，6111以400kHz的最大速度对用户设置的一组通道采样，结束后等待下一次启动，如此循环采样），支持16路单端/8路差分输入。 b. 12位400kHz A/D转换器，A/D内置采样保持器，多通道采集速度可以达到最大采样速度。 c. 模拟输入通道支持自动扫描模式，可以设置任意起始、截止通道。 d. 程控模拟输入范围，双极性输入幅度：5V、10V，单极性输入幅度：5V、10V输入，精度为0.1%，分辨率为1LSB。 e. 输入通道模式：SH/NORMAL，既：伪同步/等时间间距通道扫描模式。 f. AD启动模式：软件、外部硬件触发。触发可以选择上升、下降边沿有效。 g. AD定时器模式：板上16位定时器（基准时钟4MHz）、外部同步时钟（OCLK），OCLK可以选择时钟上升或下降边沿有效。时钟触发在“SH”模式，每个触发转换N个通道：“NORMAL”模式，每个时钟触发转换一个通道。 h. AD与计算机采用FIFO接口，容量：4K字，提供：FIFO空、半满、溢出标志。半满标志支持中断。 i. 采集数据支持：起始通道标志、触发标志。用户可以检测采集数据的连续性及支持预触发功能。 DA部分 二路12位D/A，输出电压10V,每路输出可以分别软件设置。 精度：10V:0.1%，-10V- +10V：0.2%； 输出驱动能力：电流大于5mA，电容驱动能力：100p； 输出建立时间：小于50S（0.1%精度）。 开关量部分： 16位开关量的二个8位可以分别设置为输入、输出。 输出高电压3V，低电压20mA/路，上拉6mA； 输入电流2.5V；低电压0.8V； 最大输入耐压：-0.3V- +7V。 软件支持 Win98、2000、XP、NT驱动。3 硬件平台的构建及硬件抗干扰 本章着重介绍了电工教学虚拟仪器仪表的硬件平台的构建。在设计信号调理电路过程中分析了其关键指标和重要环节，给出了部分电路设计图，并设置了工作参数。3.1 交流信号的测量 在进行交流电气参数测量时，要同时输入电压、电流信号，而输入信号与数据采集卡的隔离是一个优先考虑的问题。传统的方法是采用电压、电流互感器进行信号衰减、隔离，并把经过滤波之后的信号送往A/D口进行模数转换。考虑到互感器的相移特性，对其进行补偿可以得到较好的结果。我们选用北京星格测控技术有限公司的传感器，根据该公司的产品手册，我们具体讲述一下所选用的传感器的使用方法。3.1.1 交流传感器电路 毫安级精密电压互感器SPT204A，输入额定电流为2mA,输出额定电流为2mA,非线性度优于0.1%。使用时需要将电压信号变换成电流信号。F1是限流电阻，不论额定输入电压多大，调整F1的值，使额定输入电流为2mA,就满足使用条件。副边电路是电流/电压变换电路，当需要电压输出时采用。调整反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出。电容C1及可调电阻r是用来补偿相移的。一般R取V/0.002，r取R/10，C1取值约为65/R()，r取200k。电容C2是400至1000pF的小电容，用来防震和滤波。C1起抗干扰作用，但其数值不得大于400pF。两个反接的二极管是起保护运算放大器作用的。运算放大器使用OP07系列，使用性能较好的运算放大器较容易达到较高的精度和较好的稳定性。电阻R和F1要求精度于1%，温度系数优于50PPM，F1的功率要求有2倍的余量。 精密电流互感器SCT254AK，输入额定电流为5A,额定输出电流为2.5mA，非线性度优于0.1%。调整反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出。电容C1及可调电阻r是用来补偿相移的。电容C2是400至1000pF的小电容，用来防震和滤波。C3起抗干扰作用，其数值不得大于400pF。两个反接的二极管是起保护运算放大器作用的。运算放大器使用OP07系列，使用性能较好的运算放大器较容易达到较高的精度和较好的稳定性。电阻R要求精度优于1%，温度系数优于50PPM。 在本设计中，因为是测量交流量，所以A/D转换的最大值对应被测信号的峰值，是其有效值的倍。所以当波形不失真时，峰值5V对应的交流采样信号有效值为5/=3.536V，峰值为4.8V对应的有效值为4.8/=3.394V。为了留有余量，故在量程适当时，交流采样电压有效值应=3.4V。 若用SPT204A设计电路，其额定输入交流电压有效值为500V，输出电压有效值为3.4V。其参数如下： 确定电路参数首先要确定限流电阻F1和反馈电阻R的值。首先选择初级额定电流为2mA，计算限流电阻 F1=500V/2mA=250k，选F1=240k,2W。此时实际初级额定电流约为 I=500V/240.11k=2.082mA(0.11k为SPT204A的初级电阻)，初级额定电流的选择并不要求很精确。 反馈电阻：R=3.4V/2.082mA=1.633k，选R=1.5k，另外串连一个可调电阻（500）进行微调。 用SCT254AK设计一个额定输入电流为1A，输出电压为3.4V的电路。将互感器的输入端绕为5匝，是输入电流与输出电流之比为1A/2.5mA。设计方法与电压传感电路的参数类似。 首先要确定反馈电阻R的值。反馈电阻：R=3.4V/2.5mA=1.36k，选R=1k,另外串连一个可调电阻r(500)进行微调。 此电路经实践验证是一种较理想的信号衰减、取样方案。使用互感器在被测系统与测试系统之间传递信号，避免了直接的电流或物理连接，使系统安全得到了保证。 在设计中还需要注意的问题是，互感器有同名端，同名端的端子相位相同。应用上面的电路时，互感器输出的信号应该从非同名端引入OP07的反相端。这样，经过隔离放大的信号才能与被测信号同相，否则为反相。3.1.2 量程自动切换 量程的自动切换也就是增益的自动选择，要综合考虑被测量的数值范围，以及对测量精度、分辨率的要求诸因素来确定增益档数的设定和确定自动换挡的原则，这些都要根据具体问题而定。就本设计的电压量程切换来说，可以按以下步骤进行： （1）进入A/D转换器电压范围的限定，若A/D转换器的输入电压范围是5V，电压绝对值最大不能等于Vfs，因为大于等于Vfs的电压，A/D的输出均无法区分，都是相同的“1”，因此暂设-4.8V=Vm=4.8V。 （2）增益必须换大一档的原则 这可由要求的相对量化误差0.244V，因此暂设为增益必须换大一档的准则。 （3）根据上述换档原则设定档位 例如，当电压为500V档位时，对应的A/D转换电压值为5V，则100V对应的转换电压值为Vmin1V,故电压小于100V时应该换大一档，以此类推。 同理，电流量程也可设为四个档，即1A、200mA、40mA、10mA。 这个电路实际上是一个进行电压电流表量程选择的电路。运算放大器的型号是OP07，它的1号引脚和8号引脚之间用一个20k的可调电阻相连，这个可调电阻的作用是用来调节零点。当运放的输入为零时，输出不为零，将影响运放的精度，严重时使运放不能正常工作。因此，当输入为零时，调节这个可调电阻，使输出也为零。在该电路中符号J1、J2、J3和J4是表示四个继电器，他们的左端要与一个二四译码器的输出相连接，该二四译码器输入端是与数据采集卡的两个DO端口相连接。这两个DO端口是由VB的档位判断程序来控制的，其具体的控制方式我将在后面的程序设计部分讲述。这两个DO端口经译码后产生四个信号，这四个信号分别对应着J1、J2、J3、J4这四个继电器，当为相应信号的时候选中相应的继电器。一旦选中该继电器，这个继电器的线圈就会通电产生磁场吸附小铁片使开关闭合，使该条电路形成通路达到选择该量程的目的。J1这个继电器对应的是最大量程，J4这个继电器对应的则是最小的量程，其他的继电器分别对应另外两个量程。R04、R05、R06的值由于电表的量程不同而有所不同，现在我们就先以电压表的量程选择为例来计算电阻R04、R05、R06的值。 输出的电压信号范围是0-3.4V，3.4V对应着该量程最大电压500V，输出电压信号为3.4V，那么在最大档的这条电路中运算放大器OP07的放大倍数就是3.4/3.4=1倍。根据运算放大器的虚短虚断原理，且我们设置的接触电阻为1k,在最大输入电压3.4V的时候，接触电阻上的电压也是3.4V，而输出的电压信号是3.4V，因此对于最大量程这一档，我们不需要放大。当选择量程最大电压为100V档时，对应输入的最大电压值就是3.4乘以100/500=0.68V，那么放大器的放大倍数就是3.4/0.68=5倍，接地电阻还是1k，所以R04与电位器W106之和就是4k,我们选择阻值为3.6k的电阻作为R104,可调电阻W105我们选1k。同理，对于电阻R105和R106，我们分别选择了阻值为20k和91k。3.1.3 信号滤波 输入信号时，通常叠加有噪声和不必要的频率分量。在信号采样时，这些分量将会带来误差。输入/输出通道中，通常采用滤波器来滤除叠加在有用信号上的噪声和不必要的频率分量。滤波器分为低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。在仪器仪表中，通常用低通滤波器。 由于电阻的衰减作用，无源滤波器很难获得矩形系数好的通带特性，所以常用在要求不高的场合，如滤除信号中的高频干扰。3.1.4 信号缓冲 我们设定的数据采集卡接受的电压范围是-5V- +5V，如果电压或者电流突变，但是量程还没有来得及改变，那么就会由运算放大器高倍放大产生一个很高的电压信号输出。如果没有这个缓冲电路，那么所产生的电压信号可能将数据采集卡损坏。该电路的前半部分（LF412和510电阻）起到了对电压进行跟随的作用，在此部分之后我们设计了一个对电压起钳位作用的电路，该电路使用了两个5.1V稳压管。这些措施有效的保护了采集卡的安全。3.2 直流信号的测量 在进行直流测量时，输入电压、电流信号首先经传感器隔离衰减，然后送数据采集卡的A/D口进行模数转换。3.2.1 直流电压的测量 传感器我们采用四川维博公司的WBV121E型传感器，该产品采用线性光电隔离原理，对电网或电路中的交直流电压进行实时测量，将其变换为标准的跟踪电压（Vg）输出。它具有交直流电压通用、高精度、高隔离、宽频响、快响应时间、低漂移、低功耗、宽温度范围等特点，适用于各种快速反应波形的电压隔离跟踪测量，特别可用于模拟量的高速数据采集系统、变频调速设备、可控硅控制设备及其他电气设备中用作跟踪电压测量。 该型产品精度为0.2级，线性范围0-120%标称输入，频率响应范围DC-30kHz，温度漂移150ppm/C，供电电源15V。 额定输入电压是25V，输出电压是5V。由于它的线性范围是0-120%，因此自保证精度的情况下，我们测量的电压最大可以到30V。传感器后我们设计了一个对电压起钳位作用的电路，由两个9.1V的稳压管组成，这样就可以防止当输入电压过高对采集卡造成的损坏。 数字示波器调理电路与该电路共用，这样我们简化了硬件电路，节约了成本。3.2.2 直流电流的测量 测量电流我们还是采用该公司的产品，型号WBV121G，100mV/5V。该传感器采用接线式输入方式，通过外接分流R，传感器的量程可扩展至1A。 当量程为1A时，我们需外接的分流电阻R=0.1。我们应选用温度稳定性好的金属膜电阻，同时，分流电阻R的耗散功率应预留充分余量。3.3 RLC参数测量仪的设计 在电工实验中，往往要对RLC的参数进行实时测量，根据测量结果决定系统的工作状态或功能。利用虚拟技术对这些参数进行测量，可以充分利用计算机的运算和控制功能，方便地实现测量方式选择、量程自动转换、自动调零、误差修正与非线性补偿，使测量精度得到提高。同时用软件代替一些硬件测量电路，可在硬件结构不变的情况下，修改软件以增加新的功能，特别是既能完成对RLC参数的测量，又可实现与计算机的连接，以满足现代测控系统的需要。因此，用虚拟技术实现对RLC参数的测量具有一定的意义。3.3.1 正弦波发生器 本设计需要幅度、频率稳定，失真度低的基准正弦信号作为激励信号，用模拟方法（如文氏桥式振荡电路）实现的正弦波，其频率、幅度稳定性差，调节困难，采用EPROM和DAC芯片可实现高性能数字化正弦波，但电路成本价格较高。本设计给出了一种用模拟开关代替EPROM和DAC芯片的正弦波发生电路，产生的正弦信号失真度低，频率、幅度稳定，大小调节方便、价格低廉。 CD4060与电阻R1和晶振Y构成振荡器，经内部分额，在Q6端得到7812.5Hz的正方波，分频输出端Q7、Q8、Q9与异或门CD4070构成地址电路，控制八通道模拟开关CD4051的通道选择。在每个通道串入适当的电阻R1、R2R5，以便在公共输出端M点得到按正弦函数规律变化的阶梯形电压。该电压波形经运放组成的滤波器，变为平滑的488.3Hz正弦波。3.3.2 RLC测量原理 标准正弦波经限流电阻R9引入，为了提高测量精度，我们提供了8个档位。待测元件接在RLCin+和RLCin-之间，标准电阻为R20-R27,每个标准电阻对应一个测试档位。开始测试时，档位打在最小档J17上，我们对采集进来的数据进行分析计算，如果测得待测元件的阻值（或容抗、感抗）小于10倍的标准电阻，那么我们认为该量程合适，由此测得元件的参数；如果待测元件的阻值（或容抗、感抗）在10倍的标准电阻以外，这个时候我们换大一档，在进行测量；以此类推，直到最大档J24为止。每开始一次新的测量必须先将档位复位，以防止输出电压过高，发生危险。3.4 数字接口电路 量程转换信号是由计算机向数据采集卡AC6111发出的，这个信号被AC6111板卡的数字输出口送出用于控制继电器的断开和闭合。交流测量部分的16个量程转换需要16个控制信号，RLC测量部分的8个量程转换需要8个控制信号，片选芯片CD4051需要3个控制信号，而板卡的DO口只有16根数据线，因此需要对数字DO进行译码。3.4.1 译码电路 74LS139是一个二-四译码器，也就是四选一译码器。交流测量部分一个测量通道需要四个量程切换，由真值表可以看出，2根控制线足够，16个量程的控制信号共需要8根数字信号线。当输入使能时，其中一个输出为低电平，其他三个输出为高电平。继电器开关是低电平动作，这样就可以利用74LS139从四个量程中选定一个所需的量程范围。 设计时还需考虑的一个问题是，当电路刚接通时，需要保证系统总是处在最大量程，从而确保系统安全。 74LS138是一个三-八译码器，也就是八选一译码器。RLC测试部分需要八个量程切换，由真值表可以看出，3根控制线足够。当输入使能时，其中一个输出为低电平，其他七个输出为高电平。继电气开关是低电平动作，这样就可以利用74LS138从八个量程中选定一个所需的量程范围。 设计时必须注意，当电路接通时，需要保证系统总是处在最小量程，从而确保系统安全。 CD4051B是一片选芯片。由真值表可以看出，3根控制线就可以控制8个通道的选通，这样可以在各个通道之间实现自由切换。3.4.2 继电器驱动 在本系统中，用到HRS1H-12VDC（汇港）和HRS2H-S-DC12V（汇港）继电器进行量程转换控制，他们的额定线圈功率为200mW。由于整个系统使用了27个继电器，为求工作可靠，最好在集成电路输出端插入适当的功率驱动器件，我们选用SN74HC04和ULN2803A来实现。ULN2803A是一个反向驱动器，为了保持逻辑电平不发生改变，必须在前面使用一个六反相器SN74HC04。 用于驱动外围负载的ULN2803A达林顿晶体管阵列，有8个具有OC输出电路的反相器，输入端可直接与TTL或5V CMOS电路的输出相接，输出的灌电流负载可达500mA。 采集卡的DO口输出控制信号DO00和DO01，经二四译码器74LS139译码后，产生四个控制信号Q0、Q1、Q2和Q3，分别经74HC04反相后送入ULN2803A，对应的输出信号分别控制四个继电器J1、J2、J3和J4。改变控制信号DO00和DO01的输入，就可以控制相应的继电器闭合，从而达到转换量程的目的。3.5 系统的硬件抗干扰措施 设备的电磁兼容和屏蔽是个非常复杂的问题，它对整个系统能否正常工作有着很大的影响。实践证明，即使电路原理图设计正确，但印制电路板设计不当，外界的屏蔽措施不到位，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。因此在产品的整个设计中，应注意采用正确的方法。 （1）布线 采用平行走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构。具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉处用金属孔相连。为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。尽量减少导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于90度，禁止环状走线等。 （2）线宽 尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，他们的关系是：地线电源线信号线，通常信号线宽为0.2-0.3mm,最细宽度可达0.05-0.07mm,电源线为1.2-2.5mm。另外，用大面积铜层作地线用，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。 （3）将数字电路与模拟电路分开 现在有许多PCB不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的，因此在布线时就需要考虑他们之间互相干扰问题。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，因此在既有模拟电路又有数字电路的场合，应将模拟电路与数字电路尽量分开，分别提供电源和地线，这样在数字地上产生的压降不会影响到模拟输入信号。 （4）数字电路与模拟电路的共地处理 对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题。在PCB内部，数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。 （5）去耦电容配置 在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。配置去藕电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法。我们在每个集成电路芯片的电源线（VCC）和地线（GND）间配置一个0.01的陶瓷电容器。 （6）外壳屏蔽 为了防止外部噪声对电路板的影响，我们把整个电路板装入一个近乎密封的金属盒里，在金属盒上我们配置了