虚拟仪器技术实验报告.doc

成都理工大学工程技术学院 虚拟仪器技术实验报告 专 业: 学 号: 姓 名: 2015年11月30日1 正弦信号的发生及频率、相位的测量实验内容：l 设计一个双路正弦波发生器，其相位差可调。l 设计一个频率计l 设计一个相位计分两种情况测量频率和相位：l 不经过数据采集的仿真l 经过数据采集数据采集卡为pci9112频率和相位的测量至少有两种方法l fft及其他信号处理方法l 直接方法实验过程：1、 正弦波发生器，相位差可调双路正弦波发生器设计程序：相位差的设计方法：可以令正弦2的相位为0，正弦1的相位可调，这样调节正弦1的相位，即为两正弦波的相位差。 2设计频率计、相位计方法一：直接读取从调节旋钮处直接读取数值，再显示出来。方法二：直接测量使用单频测量模块进行频率、相位的测量。方法为将模块直接接到输出信号的端子，即可读取测量值。方法三：利用fft进行频率和相位的测量在频率谱和相位谱上可以直接读取正弦信号的主频和相位。也可通过fft求得两正弦波的相位差。即对信号进行频谱分析，获得信号的想频特性，两信号的相位差即主频率处的相位差值，所以这一方法是针对单一频率信号的相位差。前面板如下：程序框图：2幅频特性的扫频测量一、实验目的 1、掌握bt3 d扫频仪的使用方法。 2、学会用扫频法测量放大电路的幅频特性、增益及带宽。 二、工作原理 放大电路的幅频特性，一般在中频段中最大，而且基本上不随频率而变化。在中频段以外随着频率的升高或降低，放大倍数都将随之下降。一般规定放大电路的频率响应指标为3db，即放大倍数下降到中频放大倍数的70.7%，相应的频率分别叫作下限频率和上限频率。上下限频率之间的频率范围称为放大电路的通频带，它是表征放大电路频率特性的主要指标之一。如果放大电路的性能很差，在放大电路工作频带内的放大倍数变化很大，则会产生严重的频率失真，相应的频率响应指标用不均匀度表示。 放大电路幅频特性的测量方法有许多种：点频法、多频法和扫频测量法等。这里仅介绍扫频测量法。 扫频法测量幅频特性的基本测量电路如下图所示。图中的扫描信号发生器产生锯齿波信号，一方面输入到示波器的输入端实现示波器电子束水平扫描的控制，另一方面控制扫频信号发生器（实质上是一个调频振荡器）的振荡频率，随着锯齿波电压从低到高作线性和周期性的变化。由于扫频信号的频率和扫描信号的电压自动地保持线性同步关系，故荧光屏上的水平扫描线变成了频率坐标线。扫频信号加到放大电路的输入端，由于放大电路对不同频率的信号增益不同，故输出电压幅度便随频率的变化而变化。由“峰值检波器”检出的输出信号的包络曲线与幅频特性曲线的形状相同。这个包络信号送至示波器的轴输入端，在水平锯齿波扫描电压的作用下，可以在荧光屏上观察到被测电路的幅频特性曲线。 在幅频特性曲线的实际测量中，需要对示波器荧光屏上幅频特性曲线的频率坐标进行“定标”，以便确定曲线各点对应的频率。为此，测量电路中还配备有“频标发生器”，它产生频率为已知的频率标记信号，测量时叠加在频率特性曲线上。为了使用的方便，将扫频信号发生器、频标信号发生器、放大、检波和示波显示组合在一起，成为专门用于测量电路幅频特性的专用设备，称之为频率特性测试仪。本实验将对vhf高频调谐器（俗称高频头）作幅频特性方面的测试。 三、实验仪器 bt3d rf宽带扫频仪，稳压电源，高频信号发生器，vhf高频调谐器 四、实验步骤 （一）、扫频仪电气性能的检查(填附表一) 1、扫频范围（中心频率1-300兆，扫频宽度1-40兆连续可调） “全扫”方式下从零频数得的50兆频率标记数应大于6个，“窄扫”方式下，旋转“中心频率”旋钮，从零频数得的50兆频率标记数应大于6个，“扫频宽度”旋钮顺时针到最大，数得的10兆频率标记数应大于4个。 2、寄生调幅系数 将“射频输出”端电缆与“y输入”端检波探头对接。输出衰减0db, y轴衰减x1，调y增益使屏上显示适当高度（6-7格）的矩形方框，测出方框的最大高度a和最小高度b，计算寄生调幅系数m 。 3、扫频线性 连接方法同上，“中心频率”处于任意位置，调“扫频宽度” 约40兆， 查屏幕显示任一相邻10兆范围间隔a和b，计算扫频非线性系数r 。 （二）、对vhf高频调谐器的测试(填附表二) 1、测绘某频道下的总幅频特性曲线 按要求进行电路连接，“外频标输入”送入选定频道的图像载频频率，调整扫频仪的相关旋钮，使屏幕上显示出符合要求的总幅频特性曲线并测绘之。（vhf 112 频道频率表参见表三） 2、测绘某频道下高频调谐器的增益 电路不变，记下屏幕上曲线的高度及扫频仪的输出衰减量（设为n1）。将检波探头与扫频输出直接相连，调节输出衰减量，使屏幕上两根水平亮线距离与原来曲线的高度相同，记下此时的输出衰减量（设为n2），则高频调谐器的增益为n1-n2(db)（测试过程中y增益旋钮不能再动）。 4、测绘某频道下高频调谐器的通道带宽 电路不变，测量时按带宽的定义在曲线规定的范围内数出频标个数，再乘以频标所代表的频率值，则可求得带宽b（一般将输出衰减量变化3 db）。 3 数据记录仪的设计实验内容：l 连续、定时采集和存储一个电压信号l 可回放记录数据的图形，回放速度可调。实验过程：一个数据记录仪应用程序包括数据采集、数据分析、数据存储以及数据调用（用来分析和展示）。本实验中把“录制波形”及“回放波形”两大过程分别用两个程序图实现。通过写入程序记录波形后，可通过回放程序对记录的波形进行回放。电压记录仪中设计了信号选择及参数调节部分来模拟电压的变化。通过信号选择可以实现电压种类的变化，如正弦、方波、直流，通过参数调节可以实现信号幅值频率的变化。通过调节记录时间可以实现记录电压波形的按需求记录，如当电压变化不剧烈时可以将间隔设的大一些，而当电压变化剧烈时将记录时间设的短一些。收集的电压信号存入一个波形数组，然后可以通过波形图表显示出来。在显示的同时，将波形存入指定路径的文件中。电压回放的程序中主要实现了将电压记录仪记录的波形数组读入，然后显示出来。在程序中使用一个for循环实现了对波形数组的索引，并通过调节for循环的延时实现了回放时间间隔的可调。电压记录仪前面板：电压记录仪程序框图：电压回放前面板：电压回放程序框图：4功率表的设计实验内容：l 一个周期（或若干个整周期）的平均功率、有功功率l 同时计算视在功率、无功功率、功率因数、相位差等首先，应当在环境下（不经过数据采集,使用仿真信号源）检查算法的效果。实验过程：在交流电中，电压电流都随时间而变，因此电压与电流的乘机所表示的功率也随时间而不断变化。但是在交流功率中，还有许多具体的内容。如有有功功率，功率因数，视在功率，无功功率，瞬时功率等在现实功率占有很高的地位。电阻元件的瞬时功率p=ui=ui(1-cos2t)。瞬时功率是t趋近于0时的功率p=lim(t0)w/t=lim(t0) f*s*cos/t = f*v*cos。其中v是瞬时速度，w是功，s是位移，是力与位移或速度的夹角。在正弦稳态电路中我们知道p(t)=u(t)*i(t)。在这里都是瞬时值,其中u(t)和i(t)是用正弦表示的函数。功率因数是在在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号cos表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cos=p/s。在一般的单相交流电路（频率为50hz）中，电压与电流之间总存在一定的相位差，可以把电压和电流分别表示为u(t) =u0 cosw t,和i(t) = i0cos(w t-) .电源输给该交流电路的瞬时功率可以表示为 (1)可见，瞬时功率是由两项组成，一项是与时间无关的常数项，另一项是以二倍频率随时间变化的周期性函数。通常是用电流在一个周期内所完成功率的平均值, 即平均功率来表示交流电的功率，而不是用瞬时功率。交流电的平均功率也称有功功率，是由下式定义的 (2)将式(1)代入式(2)，得 (3)式中cos称为功率因数，表示有功功率在ui中所占比率。上式表示，交流电的有功功率等于电压和电流的有效值与功率因数三者的乘积。在纯电阻电路中，= 0，cos=1，表示电源提供给电路的有功功率为最大。在纯电感或纯电容电路中，=p/2，cos= 0，。从式(1)看，在这种电路中功率的瞬时值并不总为零，只是正值功率的时间与负值功率的时间相等。瞬时值为正值，表示电源向电路提供能量；瞬时值为负值，表示电路将能量回授给电源。平均功率为零，说明电源向电路提供的能量与电路回授给电源的能量相等。在一般情况下，+p/2 -p/ 2，1 cos 0，。这时，正值功率的时间长于负值功率的时间，即电源对电路提供的能量大于电路回授给电源的能量。所以，在下述实验中，我们以一般单相交流电路为基础，其中有功功率p=uicos，功率因数=cos，无功功率q=uisin，视在功率（s）、有功功率（p）和无功功率（q）构成一个直角三角形，我们称为功率三角形。得s*s=p*p+q*q，且cos= p/q。结构框图如下：电压波形电流波形采样有效值检测有效值检测视在功率功率因数cos有功功率无功功率瞬时功率相位差功率分析的结构框图在界面设计中，界面分为操作界面和显示界面，如下图所示，图的左边为用户操作区，而右边为结果显示区。在用户操作区中，上面为波形设计，用于生成频率50hz的电压波形和电流波形，通过旋钮等器件可控制电压和电流波形的大小和相位等参数。下面则为通过计算所得的有功功率，功率因数，视在功率，无功功率，瞬时功率和电压电流有效值。另外，还有一个波形选择的按钮，也算一个总的控制选择开关，用户通过按钮可以旋转电压波形，电流波形，电压/电流波形，功率波形。在显示界面区，在四个显示屏中显示电压波形，电流波形，电压/电流波形，功率波形。前面板：内部结构设计如下：1）电压波形的产生与显示如下图所示，使用sine wave.vi产生电压波形。改变sine wave.vi中的采样，幅值，频率，相位输入的大小即可使电压波形发生变化，等到用户所需要的电压波形，并显示在graph中。电压波形内部结构2）电流波形的产生与显示如下图所示，和电压的产生一样，使用sine wave.vi产生电流波形。改变sine wave.vi中的采样，幅值，频率，相位输入的大小即可使电流波形发生变化，等到用户所需要的电压波形，并显示在graph中。电流波形内部结构3）电压和电流波形产生与显示如下图所示，此结构的功能就是将电压和电流共同显示在一个屏中的，便于用户观察和对比。将电压波形和电流波形（采样后）作为数组的元素通过build array组成数组一起显示在graph中build array电压和电流波形内部结构4）功率波形的产生与显示如下图所示，功率波形的产生与显示是虚拟功率的分析与设计非常重要的一个模块，即核心模块。 首先，先用cycle average and rms.vi检测出电压和电流周期波形的均方根，即电压和电流的有效值，分别记为u和i。根据在单相交流电中，视在功率s=电压有效值u*电流有效值i，求出视在功率。cycle average and rms.vi其次，由于考虑的是交流电，采集后的电压和电流波形会产生一定的相位差，根据功率因数等于相位差的余弦，这样就能等到功率因数。因此也就能计算出有功功率，无功功率。 最后，采样后的电压