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电气79 杨逸柳 07041256现代测试技术实验报告书电气79 杨逸柳07041256实验一 LabWindows/CVI集成开发环境的使用一、 实验目的1 学会使用CVI的集成开发环境2 学会修改仪器面板中控键的属性3 学会用仪器界面生成C语言的方法二、实验内容1制作一个简单仪器面板：要求有一个图形控件，用来显示图形；两个命令控件，一个用来运行用户程序，另一个用来退出程序；一个数字控件，用来显示对应函数的最大值。2 利用CVI的代码生成工具生成制作的仪器面板的程序框架。3在运行用户程序中添加正弦函数，在面板上显示正弦函数，同时显示出电压最大值。 三、设计过程简述1 面板文件设计如图所示，按要求添加了四个控件：图1.1 实验一面板文件图对应控件的主要属性设置如下表1.1 实验一控件功能表控件类型常量名称回调函数名控件功能参数的数据类型控制类型GraphGRAPH显示波形RetainIndicatorCommand ButtonBEGINbegin控制运行用户程序HotCommand ButtonQUITquit控制退出用户程序HotNumericVMAX电压最大值doubleHot控件设计好以后，通过CVI软件生成C语言代码。2 C语言程序设计生成的C语言程序是模块化的，分别设计各个控件的子函数，而按键QUIT的退出函数在生成代码时已经产生，所以，产生正弦波并显示的程序块将写在“开始”按键的begin子函数中。主要的程序代码为：double k1000,vmax=0.0;/定义数组变量k作为y轴显示值，vmax存储电压最大值 int i; /定义i作为x轴自变量值，从1到1000变化，乘以0.01即从sin0.01显示到sin10switch (event)case EVENT_COMMIT:for(i=0;i1000;i+) ki=5*sin(i*0.01); /for循环，一次给k数组中赋值，这里设电压最大值为5V if(vmaxki)vmax=ki; /比较大小，将大数存入vmax PlotY (panelHandle, PANEL_GRAPH, k, 1000, VAL_DOUBLE,VAL_THIN_LINE,VAL_EMPTY_SQUARE,VAL_SOLID, 1, VAL_YELLOW);/PlotY绘制图像的库函数，将数组k中的值绘制在GARPH中显示SetCtrlVal (panelHandle, PANEL_VMAX, vmax);/Numeric的赋值库函数，显示电压最大值这样一来，在摁下开始后，将在GRAPH上显示正弦曲线，并显示电压最大值。结果如下图所示：图1.2 实验一程序运行结果四、思考题1简述NUMERIC控件的属性设置过程；答：首先设置常量名称Constant Name，然后是参数默认值、参数数据类型、参数最小值、参数最大值、参数增长间隔、控制类型(Hot),然后是外观的设计，还有标签Label的设计(本实验中为“电压最大值”)等。2简述GRAPH控件的属性设置过程；答：首先设置常量名称Constant Name，然后是回调函数(本实验中无需设置) ，再设置控制类型(Indicator)、数据类型。接着是对坐标轴的设置，有对应的参数类型、参数最小值、参数最大值、参数增长间隔还有外观的设计，坐标轴的标注，还有标签Label的设计等。3简述回调函数名的作用。答：回调函数是跟控件功能紧密结合的，主要用于命令按键中，按下按键后，进入回调函数，从而运行相应的子程序，实现相应的功能实验二 LabWindows/CVI库函数的使用一、实验目的1 进一步熟悉CVI的集成开发环境2 进一步学习仪器面板中控键的使用3 学会CVI库函数使用方法4 学习用CVI库函数进行频谱分析的步骤二、实验内容1在实验一的基础上编写一个波形显示程序，要求根据输入的幅值和波形数分别显示正弦波和方波，同时可以设置对应的幅值和周期。2制作一个简单仪器面板：要求有一个图形控件，用来显示图形；两个数字控件，一个用来输入正弦波的幅值，一个用来输入正弦波的周期；三个命令控件，分别用来启动程序产生正弦波、产生方波和退出程序。3利用CVI的代码生成工具生成你制作的仪器面板的程序框架。4在用户程序中添加相应程序，运行后观察程序执行的结果。三、 设计过程简述1面板文件设计如图所示，按要求添加了四个控件：图2.1 实验二面板文件图对应控件的主要属性设置如下表2.1 实验二控件功能表控件类型常量名称回调函数名控件功能参数的数据类型控制类型GraphGRAPH显示波形RetainIndicatorCommand ButtonSSINssin产生正弦波HotCommand ButtonSQURsqur产生方波HotCommand ButtonCLOSEclose控制退出用户程序HotNumericAMP调节幅值doubleValidateNumericNUM调节周期intValidate控件设计好以后，通过CVI软件生成C语言代码。2.C语言程序设计生成的C语言程序是模块化的，分别设计各个控件的子函数，而按键CLOSE的退出函数在生成代码时已经产生，对应的，产生正弦波并显示的程序块将写在“正弦波”按键的ssin子函数中，产生方波并显示的程序块将写在“方波”按键的squr子程序中。具体的子程序的流程图如下：ssin：调用GetCtrlVal库函数从AMP和NUM中获得幅值和周期调用产生正弦波的库函数SinePattern将一段正弦波的采样值放入全局变量数组a中调用库函数DeleteGraphPlot清屏调用库函数PlotY显示正弦波squr：调用GetCtrlVal库函数从AMP和NUM中获得幅值和周期调用产生正弦波的库函数SinePattern将一段正弦波的采样值放入全局变量数组a中调用库函数DeleteGraphPlot清屏调用库函数PlotY显示正弦波图2.2 实验二程序设计流程图四、思考题1简述Panel Handle 和Control ID参数的作用； 答：Panel Handle这一参数由LoadPanel库函数设置，存入的是已存储的面板文件这一对象。Control ID对应面板文件上的各个控件，由PANEL_xxx表示，PANEL为面板名，xxx为控件对应的常量名称。2简述DeleteGraphPlot函数的调用和设置过程；答：选择LibraryUser InterfaceControls/Graphs/Strip ChartsGraphs and Strip ChartsGraph Plotting and DeletingDelete Graph Plot，调用DeleteGraphPlot函数。设置DeleteGraphPlot函数：Panel Handle栏输入panelHandle，Control ID栏输入PANEL_GRAPH，Plot Handle栏输入默认值-1。3 简述GetCtrlVal函数的调用和设置过程；答：选择LibraryUser InterfaceControls/Graphs/Strip ChartsGeneral FunctionsGet Control Value，调用GetCtrlVal函数。设置GetCtrlVal函数：Panel Handle栏输入panelHandle，Control ID栏输入PANEL_NUM或者PANEL_AMP即对应的数字控件的常量名称，Value栏输入对应赋值的指针的调用&或&num。4简述SquareWave函数的调用和设置过程；答：选择LibraryAdvanced Analysis LibrarySignal GenerationSquare Wave，调用SquareWave函数。设置SquareWave函数：Number of Elements栏输入需要显示的点数，这里取1000，Amplitude栏输入幅值的值即变量amp，Frequency栏输入频率值在这里为1.0/1000*num，Phase栏输入相移量&phase，Duty Cycle栏输入占空比，这里取50即50.0，Square Wave中填入需要赋值的数组变量名，这里取为a。实验三 信号的采集及其频率和周期的测量一、实验目的1 学习在CVI环境里使用非NI数据采集卡2 学习用过零法计算被测每周期采样点数3 学习数据采集卡采样间隔的标定4 学习计算被测信号的频率和周期二、实验原理a) CVI环境里非NI数据采集卡的驱动1.1 NI数据采集卡驱动库的添加在CVI工程文件编辑器中单击Edit菜单，选择Add Files To Project就能弹出可以在工程文件编辑器中添加的文件类型(如图3-1所示)。选择Library就可进入添加库文件采单(图3-2)。选中PCI-Dask.lib文件，单击Add控件就可将库文件添加到工程文件编辑器中。注意图3-2中第一项是被添加文件的路径。 图3.1 添加库文件路径图3.2 添加库文件菜单1.2 非NI数据采集卡头文件的添加在CVI源文件编辑环境中，在所有的“#include”行的最后，添加 “#include Dask.h”。如图3-3所示。图3.3 非NI数据采集卡头文件添加的位置2零计数法测频原理不含直流分量的正弦波每个周期内都应有两个过零点。根据每两个过零点之间的采样次数我们可以得到每周期的采样点数N 。由于采样时间间隔是由数据采集卡决定的，是一个确定值。所以可以得到正弦波的周期为N*；从而可以计算出频率f。对被测信号x(t)进行数据采集，得到被测信号序列为x(n), n=1,2,k。我们把该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，两个正过零点的时间间隔t为： （3-1）式中 采样时间间隔；两次过零点时间内采样的次数；两个正过零点之间的时间间隔，也即被测波形周期。故被测波形频率f为 （3-2）3. 具有实测功能的虚拟示波器基本原理实测是指该虚拟示波器可以测量实际信号。这时需要数据采集卡，将所测电量信号采集到计算机中，由软件完成波形的显示。 如图3-4所示的框图说明了具有实测功能的虚拟示波器的原理框图。 虚拟示波器 计算机LabWindows/CVI软件采集卡信号图3.4 具有实测功能的虚拟示波器的原理框图 在上述的框图中由计算机对采集卡发出指令，启动采集卡，计算机将采集的信号数据进行存储，处理和显示，从而实现虚拟示波器。4PCI_9111数采卡的使用方法4.1 PCI_9111数采卡性能指标本节中所使用的数据采集卡的型号为PCI_9111，其性能指标为：32位PCI数据总数；16路单端模拟输入通道; A/D采样速率100KHz;模拟输入电压范围为10V、5V、2.5V、1.25V、0.625V；3种A/D触发方式：软件触发、外部脉冲出发和可编程定时触发。 使用PCI_9111数据采集卡时，将PCI_9111数据采集卡插入计算机的PCI插槽中，经过37芯排线与一转接板相连，如图5-2所示。被测信号与转接板上相应接线插座相连，转接板上的接线插座对应数采卡的输入通道号。计算机采集卡数据转接板 37芯排线 被测信号图3.5 PCI_9111数据采集卡的连接方法 本例中的被测信号是由信号发生器产生的标准正弦波信号。4PCI_9111数据采集卡的使用在使用PCI_9111数采卡时，程序开始时要用Register_Card来初始化数采卡，程序结束时用 Release_Card 释放数采卡。在主函数里添加以下A/D卡注册程序 CardID=Register_Card(PCI_9111DG,0);AI_9111_Config (CardID,TRIG_INT_PACER,0,9216);在需要进行数据采集时添加以下程序： AI_AsyncDblBufferMode(CardID, 0); AI_ContReadChannel (CardID, channel, adRange,volt3, ReadCount, SampleRate, SyncMode);三、程序设计要求与实验内容1 程序设计要求：1.1 编写一个波形采集程序，要求根据图3.4设计一个简单的仪器面板，有波形显示和信号频率显示，可以输入被测信号的输入通道。 图3.6 “虚拟频率计”前面板1.2 过零法计算频率主要代码段如下：for (i=1;iMAX/2;i+) if (volt5i-1*volt5i=0)&(volt5i-18) break; sumpo = signpok-1-signpo1;f= 50000.0/sumpo*(k-2);2. 运行检验改变信号源输出正弦信号的频率，观察“虚拟频率计”的频率输出并记录。信号源输出频率f1390.07801.56k3.06k5.94k“虚拟频率计”显示频率f2389.767801559.23056.85980.6相对误差%-0.240-1-3.23-40.6四、 设计过程简述1 面板文件设计如图所示，按要求添加了四个控件：图3.7 实验三面板文件图对应控件的主要属性设置如下表3.1 实验三控件功能表控件类型常量名称回调函数名控件功能参数的数据类型控制类型NumericCHANNEL采集卡通道号IntValidataRingRATE采样速率DoubleHotNumericSUMPO波形每周期点数IntIndicatorNumericFRE波形频率(Hz)DoubleIndicatorNumericAMP采集波形幅值(V)DoubleIndicatorCommandButtonGENERATEWAVEGenerateWave生成波形HotCommandButtonCALFFTCalFFT频谱分析HotCommandButtonCLOSEclose仪器开关Hot控件设计好以后，通过CVI软件生成C语言代码。2C语言程序设计整个程序在于产生正弦波，然后是进行FFT变换产生正弦波的子函数为GenerateWave，其流程为：设置采集卡的电压范围，设置采样速率的初值获得采集卡的通道号采样速率设置A/D转换卡的单通道缓存，设置单通道采集调用库函数DeleteGraphPlot清屏，生成新的正弦波形利用过零点法计算频率显示波形每周期点数，波形频率和采集波形幅值 进行频谱分析(FFT)的子函数为CalFFT，其流程为：为虚部定义数组指针，定义循环变量，为正弦波指针开辟数组空间对采集到的数字量进行修正，转化为电压量调用库函数DeleteGraphPlot清上屏，生成新的电压波形分别为虚部、极值以及极值的相角对应的指针开辟数组空间调用FFT频谱转换库函数进行FFT变换进行极坐标转换，对极值进行量化处理调用库函数DeleteGraphPlot清屏，生成新的FFT频谱波形释放数组空间五 思考题1 改变数据采集卡的采样速率，观测“虚拟频率计”的测试结果，分析其原因；答：因为已知采样频率为10000Hz,当输入信号频率低于5000Hz时，满足采样定理f1/2ft，所测频率误差较小；当频率超过5000Hz时，不满足采样定理，此时所测频率值具有较大误差。2给出你的“虚拟频率计”测量范围，提出改进方案；答：由采样定理知，测量范围应为0-5000Hz。可以通过增加采样频率来扩大输入信号的测量范围。实验四 信号的频谱分析一、实验目的1 学习在使用数据采集卡进行单通道多点采集和多通道多点采集的方法2 学习使用CVI库函数计算被测波形的有效值和平均值3 学习使用CVI库函数对被测波形进行FFT计算二、实验原理 对信号进行频域分析，可以得到它频域的各种表征量，得到信号的频率组成信息。目前，最主要的频谱分析方法就是快速傅利叶变换及其反变换，其原理参见本课程的教材。Labwindows/CVI中的FFT函数使用了目前最有效的裂基算法，该算法的计算量是最小的。该函数的使用方法见附录1所示。本实验中就使用该算法进行频谱分析。 CVI中的FFT函数对信号进行变换，得到信号的幅频和相频特性。该函数得到的是复数形式，如果需要转化为极坐标形式，可以用公式：(4-1)(4-2)编程计算，也可以用CVI的函数ToPolar1D（ ），该函数完成由直角坐标到极坐标的转换。函数原型说明见附录1。 本实验中用的数据采集函数是多通道多点采样函数AI_ContScanChannels，它的使用方法和实验三的数据采集函数类似，函数说明参见附录1-3中的第4点。三、程序设计要求与实验内容1. 程序设计要求：1.1 编写一个波形采集程序，要求根据图4-1设计一个简单的仪器面板，有波形显示框、频谱显示框和信号频率显示，可以输入数据采集卡的采集速率。1.2 数据采集和FFT计算用不同的控件控制，程序分别添加在两个回调函数中。数据采集函数中包括数据采集和提取一个周期信号两个部分。波形显示框中要求只显示一个周期的波形。计算频谱函数中包括FFT和极坐标变换两个部分。频谱显示框显示被测信号的不同谱线的幅值。因为数据采集和频谱计算分别在两个函数执行。所以存放采集信号的数组应定义全局变量。 图4-1 “虚拟频谱分析仪”前面板2. 运行检验改变信号源输出正弦信号的频率，观察“虚拟频谱分析仪”的输出并记录。输入信号频率f13907801.56k3.06k5.94k输入信号有效值0.880.880.880.880.88数据采集卡采样速率f21000010000100001000010000每周期采样点数256128643216第1条谱线的幅值0.880.880.880.880.88四 、设计过程简述1. 面板文件设计：面板如下图所示：图4-2 实验四面板图对应控件的主要属性设置如下：表4.1 实验四控件功能表控件类型常量名称回调函数名控件功能参数的数据类型控制类型NumericAMP波形幅值(V)DoubleHotNumericCYC周期个数（Hz）IntHotRingNUM每周期点数IntHotNumericPHASE相位DoubleHotCommandButtonGENERATEWAVEGenerateWave生成波形HotCommandButtonCALFFTCalFFT频谱分析HotCommandButtonCLOSEclose仪器开关Hot2 C程序流程设计：和实验三比较类似，同时用到了实验二中用到的信号发生库函数。GenerateWave子函数的主要流程为：将设置的幅值、周期个数、每周期点数和相位的值由库函数GetCtrlVal赋入对应的变量中计算频率值和总点数的值为正弦波指针开辟数组空间调用产生正弦波的库函数SinePattern将一段正弦波的采样值放入对应 数组中调用库函数DeleteGraphPlot清屏，生成新的正弦波形CalFFT子函数的主要流程为：为虚部定义数组指针，定义循环变量，为虚部数组指针开辟数组空间，并将其清零分别极值以及极值的相角对应的指针开辟数组空间调用FFT频谱转换库函数进行FFT变换进行极坐标转换，对极值进行量化处理调用库函数DeleteGraphPlot清屏，生成新的FFT频谱波形释放数组空间五 思考题1 改变数据采集卡的采样速率，观测“虚拟频率计”的测试结果，分析其原因；答：采样频率为10000Hz。当输入信号频率低于5000Hz时，满足采样定理，所测频率误差较小，当频率超过5000Hz时，不满足采样定理，此时所测频率具有较大误差。2 如果FFT结果正确，那第1条谱线和输入信号的有效值有什么关系，证明之。答：第一条谱线的幅值跟输入信号的有效值相等，因为由FFT的定义式可以知道，其第一条谱线的求和公式就是求信号有效值的公式，即都是求信号的积分平均数。实验五 温度的测量一、实验目的1. 通过实验加深理解热电阻测温原理及热电阻调理电路；2. 握虚拟测温仪的设计及测温仪的标定方法；3. 了解热电阻温度传感器时间常数的测量方法。二、实验原理1. 热电阻测温的基本原理热电阻是一种常见的测温元件，它是利用导体的电阻随温度变化的特性来测量温度的。常用的热电阻有铂电阻和铜电阻两种。下面就以铂电阻为例介绍其测温的基本原理。铂电阻与温度的关系，在0850范围内为Rt R0（1ATBT2） （5-1）式中Rt 温度为t时的电阻值；R0 温度为0时的电阻值；T 被测温度值；A，B 分度系数，即A3.908103/，B5.802107/。Pt100热电阻的分度表如表5-1所示。表5-1 R100/R01.385铂电阻Pt100分度表温度/0102030405060708090电阻值/0100.00103.90107.79111.67115.54119.40123.24127.07130.89134.70100138.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04164.76168.46172.16200175.84179.51183.17186.32190.45194.07197.69201.29204.88208.45300212.02215.57219.12222.65226.17229.67233.17236.65240.13243.59400247.04250.48253.90257.32260.72264.11267.49270.86274.22277.56500280.90284.22287.53290.83294.11297.39300.65303.91307.15310.38600313.59316.80319.99323.18326.35329.51332.66335.79338.92342.03700345.13348.22351.30354.37357.42360.47363.50366.52369.53373.52800375.51378.48381.45384.40387.34390.26-2.热电阻输出调理电路热电阻输出最典型的调理电路是双恒流源法，如图5-1所示。图中Rt为Pt100热电阻，图5-1 热电阻输出调理电路RN为基准电阻，取样电阻R1和R2分别是为测量恒流源I1和I2的值而设置的。当I1=I2=IS，RN =100时，UoKUi =KISR0（ATBT2） （5-2）式中，K为放大器的增益，设计值为21；IS为恒流源值，实验中以实际测得为准。3.时间常数的测量对于一阶响应系统来说，当系统输入阶跃信号时一阶系统的响应为两边取对数，其中，上式表明，Z与时间t成线性关系，则，所以我们可以做出Z-T图，根据Z-T曲线的直线性，便可以判断出该系统是否是一阶系统，并且可以求出它的时间常数。求取一阶系统时间常数的流程图如图5-2所示。图5-2 求取一阶系统时间常数的流程图4.温度测量装置面板介绍温度测量装置面板如图5-3所示。图中，端子J1和J2之间接Pt100热电阻；端子J3和J4之间接万用表用于测量取样电阻R2的电压；端子J5和J6之间接万用表用于测量取样电阻R1的电压；上方的电位器用于微调恒流源电流I2；端子J7和J8之间接热电偶，在本实验中作为备用。图5-3 温度测量装置面板三 实验内容1. 调节恒流源电流用万用表测量面板上端子J5和J6之间（即取样电阻R1两端）的电压值U1，计算出的电流I1即为恒流源电流IS；用万用表监测面板上端子J3和J4之间的电压值U2（即取样电阻R2两端）的电压值，通过调节上方电位器，使U2=U1，此时两路恒流源的电流相等。 2编写虚拟温度测试仪面板程序及子程序具体步骤如下：（1）编写单路输入信号的采集程序，得到调理电路的输出电压值Uo。（2）编写热电阻Rt的计算程序。（3）编写查表及插值程序。根据计算得到的Pt100的电阻值RPt和Pt100的分度表，编写查表程序，计算出被测温度介于分度表的哪两个温度点之间；再由以上两个温度点构成的直线作线性插值，从而计算出被测温度值T。（4） 设计该“虚拟温度测试仪”的虚拟面板。显示输出控件：调理电路的输出值Uo和输入值Ui、热电阻的电阻值Rt及被测温度值T；热电阻Rt波形显示窗口。显示输入控件： 恒流源电流IS 、“开始测量”按钮、“停止测量”按钮。在采集参数设置中输入采集卡的采集参数，分别为采样点数，采样速率；测量时首先将实际测得的恒流源电流IS值填入输入框，再点击“开始测量”按钮时，就会在“电压波形显示”窗口中画出采集及计算得到的热电阻Rt波形，并在面板上显示Uo、Ui、Rt及T。 3编写求取该测温系统的时间常数值的子程序。具体步骤如下：（1）使用CVI软件编写采样间隔时间为1秒的定时采集程序，计算Rt，记录存储一组数据（Rt，t）于二维数组中。（2）判断该数组中的Rt是否已接近稳态值，若已接近，则停止采样；否则重复步骤（1）操作。（3）根据公式计算出Z值。（4）根据Z值画出Z-t图，并判断该系统是否为一阶。（5）若为一阶系统，在Z-t图上，根据 =T/Z，计算出。（6）设计求取时间常数值的虚拟面板，其功能如下： 输出显示类控件：该系统的时间常数值；该测温系统（一阶系统）的阶跃响应曲线波形。 输入控制类控件：按钮控件：按下“测量时间常数开始”键，启动数据采集；数字控件1：采样间隔时间设置1秒；数字控件2：“初始点数”，观察采样波形，输入波形正常后（即去掉畸形采样点）的起始点序数。4测温仪的标定测温仪的标定采用模拟法,即用标准电阻（箱）代替热电阻传感器。具体步骤如下：（1）将标准电阻箱接入电路调理板；（2）将电阻箱阻值调至温度为30时所对应的Pt100的阻值，启动实验内容2中编好的软件，记录测得的温度值TX，填入表5-2中；（3）将电阻箱阻值分别设为50、70、100、200、300、400、500所对应的Pt100的阻值，重复步骤（2）。表5-2 电阻箱模拟热电阻Pt100测温结果记录电阻箱阻值（对应温度真值）111.67（30）119.40（50）127.07（70）138.50（100）TX（）29.9449.7169.79100.27|T|（）0.060.290.210.27相对误差（%）0.20.580.30.27电阻箱阻值（温度真值）175.84（200）212.02（300）247.04（400）280.90（500）TX（）201.25302.55403.21505.03|T|（）1.252.553.215.03相对误差（%）0.6250.850.80251.0065恒流源电流不对称对测温的影响。在100点，将恒流源I2分别调节到104%I1、102%I1、100%I1、98%I1、96%I1情况下，重复启动测温系统，依次将结果填入表5-3中。表5-3 恒流源电流不对称情况下在100点的测温结果记录I2/I1 104%102%100%98%96%TX（）116.02109.48100.2795.1791.29|T|（）16.029.480.274.838.71相对误差（%）16.029.480.274.838.716Pt100热电阻的时间常数的测量具体步骤如下：（1）将Pt100热电阻接入电路调理板；（2）将热电阻迅速插入到刚烧开的热水瓶中；（3）启动实验内容3中编好的软件，记录下Z-t响应曲线，并计算出时间常数。读出的时间常数=17.6058s。7测温仪应用定点温度测量具体步骤如下：（1）将Pt100热电阻接入电路调理板；（2）将热电阻和玻璃温度计插入开水中；（3）启动测温仪，读取测量结果TX，填入表5-4中。（4）依次用冷水勾兑热水，每勾兑一次使热水瓶中的热水温度大约降低1020，重复步骤（3）。表5-4定点温度测量记录温度计显示值（）96.883.5664.3852.7940.79TX（）97.684.8765.3553.6841.27|T|（）1.01.310.970.890.48相对误差（%）1.031.571.501.691.18由于没有温度计，所以将前面测得的数据用MATLAB绘制成图如下，从图中突出标准值记于表5-4，并算出误差。图5-3 温度与电阻关系图四 思考题根据附录的图5-4，简述双恒流源电路的工作原理。 答：如下图所示, Rt为热敏电阻，RN为标准电阻，当温度变化时，引起Rt的变化，这样Rt两端的电压也会按正比变化，从而引起放大器两端的电压变化，使输出电压也按正比变化。附录：调理电路原理图热电阻输出调理电路原理图如图5-4所示。图中LM385-2.5为输出2.5V的精密基准稳压源；AD620为精密仪表运放，其输入失调电压漂移最大值为7V/，其放大倍数K=21倍；两路恒流源电流值I=2.468mA。图5-4 热电阻输出调理电路原理图实验六 电量测量的研究一、实验目的：1学习交流电压、电流和功率的测量方法；2了解电压变送器、电流变送器的工作原理和使用方法；3对实验装置组成的测试系统进行电压和电流的标定；4对给定的负载电压和电流进行满量程校验，对给定的三个负载的有功功率进行测量。二、实验原理：1.交流电压参数的测量1.1 交流电压的主要参数1）瞬时值： T0为交流电的周期；2）幅值：在一个周期内T达到正的最大值称为幅值。3）平均值： （6-1）当有直流分量时，对纯正弦交流电压，平均值就等于该直流分量。当无直流分量时，平均值为零。在实用中是对u(t)的绝对值进行平均。所以： （6-2）4）有效值：交变电压u(t)的均方根称为有效值（又称真有效值）。1.2 交流电压参数的测量方法交流电压参数的测量一般分传统的仪表测量和计算机测量两种方法。采用传统的交流电压表测量，一般显示值为被测电压的有效值。根据仪表的工作特性，一般分为平均响应型和有效值响应型两种。l 平均响应型仪表是把被测电压经平均值转换电路变成与u(t)的平均值成正比的直流电压，然后乘上特定的波形系数变换成被测电压的有效值。此类仪表显然只适用于特定的波形（一般为正弦波）的有效值测量。而对非正弦波，会因波形系数的变化而引起误差。l 有效值响应型电压表是利用热电变换或有效值检波电路，将U(t)变换成与其有效值成正比的直流电压，然后计算显示。此类仪表不仅适用于测量正弦波，而且也适用于测量非正弦波。通常讲的真有效值电压表就是指此类仪表。在交流电压测量中，交流电压的频率f对仪表误差的影响很大。保证仪表基本误差的频率范围称之为仪表的工作频带。采用计算机测量交流电压参数，由于能够采集显示被测信号的完整波形，能同时测量各种参数，且准确度较高。这是传统仪表无法比拟的。1.3 计算机测量交流电压参数的原理a) 频率的测量频率的测量是通过计算信号的过零点来实现的。将采集到的被测信号去掉直流分量，然后寻找其过零点，则得到信号频率为：式中：pot_0为一个周期的采样点数，为采样周期。b) 有效值测量根据有效值的定义式： 可得有效值的离散计算式： 式中，N为信号在一个整周期内的采样点数。c) 平均值测量根据式（1）式，可得平均值的离散计算公式：式中，N为信号在一个整周期内的采样点数。此外通过相应程序的编制，极易实现信号峰值、交流分量的有效值、直流分量等参数的测量。2. 功率的测量2.1 变送器原理概述变送器原理框图如图1所示。变送器的输入信号可以是电量的(如电压、电流)，也可以是非电量的(如压力、温度)。其内部主要包含传感器、前置放大器及输出电路三部分。传感器将待测的非电量信号转换为电信号，经前置放大器放大后，通过输出电路转换成15V标准电压或420mA标准电流信号。图6-1 变送器原理框图2.2 功率的测量负载功率与电压、电流的关系式为：其中： 、分别为交流电压、电流的有效值，为有功功率，为电压和电流的相位差。当负载为纯阻性时，1。可知，电流和电压的有效值离散计算式分别为：其中：N为电压/电流信号在一个周期内的采样点数，ik、uk分别为采集到的电压、电流信号在第k个时刻的采样值。则负载功率的离散计算式为：其中：为有功功率，N信号在整周期内的采样点数。、分别为整周期内交流电压、电流的采样值。3. 相位的测量3.1 过零法测量原理 过零法即通过判断两同频率信号过零点时刻, 计算其时间差, 然后转换为相应相位差。 这一过程可用图2表示。=t/T*360图6-2 过零法计算相位差的示意图其中: t为过零点时差; T为信号周期在软件实现时, 信号被采样离散化而用一组数表示, t即与数组元素的序号之差有关。 假设信号1过零点对应数组第i个元素, 信号2的过零点对应其数组第j个元素, 则有=(j-i)*t/T其中:t为采样周期。 实际上，在程序的算法实现中, 过零点的判断本身就存在误差, 因为实际信号采集几乎无法准确采集到零点时刻, 我们是通过信号前一时刻和后一时刻的值的变化来判断过零点的,通常依据两值乘积为小于等于零来判断,因此过零法本身就有一定的误差。3.2 FFT频谱分析法原理FFT法求相位差，即对信号进行频谱分析, 获得信号的相频特性, 两信号的相差即主频率处相位的差值，所以这一方法是针对单一频率信号的相差测量的。在有限区间(t,t+T)内绝对可积的任一周期函数x（t），它的傅里叶级数展开式为 同时x（t）可以表示为比较上式可得：由此可得，两信号的相位差为此方法基于连续信号离散化处理的离散傅利叶变换(DFT)，FFT是DFT的一种快速算法。它要求所处理的数据总数为2n ，因而对采集的数据总数有要求，另外要求采样必须满足“采样定理”，否则发生频谱混叠。3.3 相关法原理 设有两同频信号x(t)和y(t)，可表示为 x(t)=Asin(t+)+Nx(t), y(t)=Bsin(t+)+Ny(t),其中 Nx(t),Ny(t)为噪声信号，为两信号相差。则两信号的互相关函数为:由于噪声与信号不相关，而且两噪声之间也不相关, 因此可推得:再由信号幅值与其自相关函数的零点之间的关系, 可得: 最后可得: 实际算法中, 相关函数的离散时间表达式如下: 由此可见相关法的抗噪能力较强。4. 实验电路和实验装置使用介绍负载功率的测试硬件平台见图3所示。图中V、A分别测量负载交流电压和电流的有效值。GAA011交流电流变送器的额定输入为02A交流有效值，输出为05V交流有效值。GAV01交流电压变送器的额定输入为0300V交流有效值，输出为05V交流有效值。计算机对采集到的信号分析处理后得到负载电流、电压、相位和功率值。图3 负载电流、电压、相位和功率测试硬件测试平台图4所示为实验装置和内部接线图。其中所有器件在实验装置的内部已经按照图3接线完毕，只需用户接入交流功率源的输出即可；负载可选择纯阻（J1与J2短接）或者容阻串连（J1与J3或J4、J5短接）；电压、电流变送器的输出通过实验装置后面的接口，分别送入PCI9111型A/D卡的0、1两个通道，进行数据采集。三、实验内容：1.虚拟电压、电流和功率表的设计（1）虚拟交流电压、电流和功率表界面设计：利用LabVIEW或CVI软件开发虚拟电压计的操作界面，包括：数据采集、波形显示、交流电压、电流和功率各参数测量结果的显示，以及各种命令按钮如启动、关闭等； （