基于LabVIEW交流电参数测试仪

沈 阳 工 程 学 院虚拟仪器课 程 设 计设计题目：基于LabVIEW交流参数测试仪的设计 系 别 班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 起止日期： 2016年 2月29日起至2016年3月11日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目：基于LabVIEW的交流参数测试仪的设计 系 别 班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 课程设计进行地点： F430 任 务 下 达 时 间： 2016年 2月29日 起止日期： 2016年2月29日起至2016年3月11日止教研室主任 年 月 日批准1.设计主要内容及要求；通过DAQ卡产生交流电压、电流信号；测量交流电压、电流信号的有效值或幅值、频率、相位差等；计算一个周期（或若干个整周期）的平均功率，即有功功率；同时计算视在功率、无功功率、功率因数等；l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。2.对设计论文撰写内容、格式、字数的要求；（1）.课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。（2）.学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。（3）.论文要求打印，打印时按沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范的要求进行打印。（4）.课程设计论文装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。3.时间进度安排；顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12月29日教师讲解题目，学生查阅相关资料23月1日进行方案论证，确定程序流程，熟悉NI-DAQ使用方法33月2日-9日程序设计43月10日调试程序53月11日撰写论文，成果验收沈 阳 工 程 学 院 虚拟仪器 课程设计成绩评定表系（部）： 自动化学院 班级： 学生姓名： 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分沈阳工程学院课程设计论文中 文 摘 要虚拟仪器技术及其labview开发环境为各个科学的仪器研制提供了一个通用的软、硬件平台。基于labview的交流电参数测试仪是通过虚拟仪器技术和LABVIEW开发环境所开发的一种测量交流电的有效电压、有效电流、有功功率、无功功率、频率等交流电参数的仪器。被测信号通过相关外部电路后，经过数据采集卡采集形成本仪器可测量的信号，其中包含正弦信号、三角波信号和方波信号。当信号进入仪器后，经过相关模块计算，得到相关参数。本设计用户不仅在系统的开发或升级维护阶段能够较为准确的估算系统各项性能参数,而且能够对所开发系统在不同计算机平台上的运行性能进行测试与比较,为虚拟仪器的开发与性能参数的确定提供了评价依据、系统功能升级扩充方便快捷、可与电脑等设备方便的互联。本设计前面板使用图形化界面，操作简单快捷。关键词 虚拟仪器 频率测量 交流参数测量 LabVIEW 目 录课程设计（论文）任务书课程设计（论文）成绩评定表中 文 摘 要 .1 设计任务描述11.1 设计题目：基于LabVIEW的交流参数测试仪的设计11.2 设计要求11.2.1 设计目的11.2.2 基本要求11.2.3 发挥部分12 设计思路23 设计方框图34 各部分电路设计及参数计算44.1 关于虚拟仪器44.2 DAQ仿真信号的设计模块设计44.2.1 DAQ简介44.2.2 DAQ仿真信号设计44.3 基本参数子VI设计模块设计64.3.1 有效电压电流子vi设计64.3.2 频率子vi设计74.4 三种波信号相关参数值测量模块84.4.1 相位差、无功功率等参数测量84.5 频率测量模块设计84.5.1 滤波器设计84.5.2 频率测量总体设计94.6 数据存储设计模块与操作界面104.6.1 测量数据存储104.6.2 操作界面设计115 工作过程分析13小 结14致 谢15参考文献16附 录 A 逻辑电路图17I1 设计任务描述1.1 设计题目：基于LabVIEW的交流参数测试仪的设计 1.2 设计要求1.2.1 设计目的(1) 掌握虚拟仪器的结构特点及其设计方法。(2) 掌握交流电擦数测试仪的组成。1.2.2 基本要求(1) 通过DAQ卡产生交流电压、电流信号；测量交流电压、电流信号的有效值或幅值、频率、相位差等；计算一个周期（或若干个整周期）的平均功率，即有功功率；同时计算视在功率、无功功率、功率因数等；(2) 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。1.2.3 发挥部分 （1）对测量的数据进行存储。 （2）标准信号的频率校验。 2 设计思路本文介绍了一种基于LABVIEW的交流电参数测试仪的设计，其中，本仪器可以对频率为250Hz以下的正弦信号、三角信号、方波信号的相关参数测量，总体设计思想是做出相关参数测量的子VI，然后通过相关结构和功能实现总体功能。其中，本基于LABVEW的交流电参数测试仪设计包含以下模块：1、 DAQ仿真信号的设计模块：本模块的功能是仿真出一对电压、电流信号。本信号可改变电流、电压的峰值、频率、相位角和添加噪声，可以完全仿真DAQ的输出信号。2、基本参数子VI设计模块：本模块是实现有效电压、有效电流、和有功功率和频率的子模块的设计，其功能是实现这四个数据的测量，实现方法是通过程序面板的相关数学计算的程序设计，然后将其设计成子VI。3、三种波信号相关参数值测量模块：本模块的功能是测量出三种信号的相位差、峰值和无功功率。实现方法为相关参数的计算。4、频率测量模块：本模块的功能是测量输入信号的频率。其中，在测量信号测量前，首先对信号进行滤波，然后进行测量。另外，本设计中还提供标准信号的频率校准功能5、数据存储设计模块：本模块的功能是实现对测量数据的存储。操作界面有相关的文件选择位置，新建.txt文件选择后运行即可。6、操作界面设计：本模块设计出完美的操作界面和先关说明。3 设计方框图4 各部分电路设计及参数计算4.1 关于虚拟仪器 虚拟仪器采用计算机开放体系结构来取代传统的单机测量仪器。将传统测量仪器中的公共部分（如电源、操作面板、显示屏幕、通信总线和CPU）集中起来用计算机共享，通过计算机仪器扩展板卡和应用软件在计算机上实现多种物理仪器。虚拟仪器的突出优点是与计算机技术结合，仪器就是计算机，主机供货渠道多、价格低、维修费用低，并能进行升级换代；虚拟仪器功能由软件确定，不必担心仪器永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过更换应用软件来拓展虚拟仪器功能，适应实际科研、仪器设计等。4.2 DAQ仿真信号的设计模块设计4.2.1 DAQ简介数据采集是labview的核心技术之一。通过数据采集卡能够方便地将现实世界中各个物理变量通过传感器检测后，采集到计算机中，从而使计算机在测量领域发挥其强大的功能提供了基础。模拟输入是数据采集卡的基本功能。数据采集卡的相关参数有：分辨率、电压范围、增益、精度、建立时间等。可以多通道采集数据。使用助手设相关设置就可以创建出测量任务4.2.2 DAQ仿真信号设计 当变量经过传感器测量后通过DAQ输入到计算机后，其形式是一种波形。在设计阶段，采用利用LABVIEW仿真DAQ输出的信号，信号类型分别为正弦波、三角波和方波。三种信号的频率、峰值、相位均可以改变；另外，仿真信号可以添加噪声，噪声的幅值同样可以改变。 DAQ仿真信号的原理是通过下拉列表选择事件结构的输出类型。事件结构中每一个分支放入两个仿真信号控件，分别为电压、电流仿真信号。分别设置为正弦波、三角波和方波。之后建立多个输入控件控制频率、幅值等参数。程序显示面板程序如图4.2.2.1。在前面板上，放置了一个波形图显示控件，可以明显的看见信号输出。前面板设置如图4.2.2.2。图4.2.2.1 DAQ仿真信号程序框图图4.2.2.2 DAQ仿真信号4.3 基本参数子VI设计模块设计4.3.1 有效电压电流子vi设计 在交流信号中，电流、电压信号的值是测量者必须测量准确的物理量。在电工理论中，交流电压、电流的有效值定义为：交流电在一个周期T内，通过某个纯电阻负载所产生的热量，与一个电压、电流在同一个负载上产生的热量相等时，则该电流电压或电流的数值就是该交流电电压、电流有效值。 在本次设计中，计算电压、电流的有效值是采用均方根的方法。均方根就是将N个项的平方和除以N后开平方的结果，即均方根的结果。计算公式如下： 根据上述公式和设计需求，设计出了电压、电流有效值、有功功率的子VI，程序框图如下：图4.3.1.1 电流有效值程序框图图4.3.1.2 电压有效值程序框图图4.3.2.3 有功功率程序框图4.3.2 频率子vi设计 频率是交流电的重要参数之一。在本次设计中，是采用波峰检测的方法来测量波形频率的。通过波峰检测得到每个波峰所在的时间点，形成一个一维数组a(n)。对于正弦波、三角波、锯齿波而言，我们可以直接将数组内的时间点相邻递减（均采用后一项减去前一项，即A(n)=a(n+1)-a(n)）。对重组的数组A(n)进行求倒等变换后输出得到另一个数组B(n),数组B(n)中的元素为每个采样信号的频率。用FOR循环加移位寄存器对数组B(n)进行求和然后除以数组B(n)的元素个数n，即可得到平均频率，也就是测得频率。值得注意的是在我们测量方波信号的时候，这种方式就不适用了。按照理论分析可知，用波峰检测得到的一组时间点数组即a(n),其中相邻两项的差值仅为一个完整周期的一部分，故我们应采用间隔递减的方式（即A(n)=a(n+1)-a(n-1)）得到数组B(n)，其余步骤同上。频率子vi如图4.3.2.1，同中的下拉列表可选择方波还是非方波测量。图4.3.2.1 频率子vi程序框图4.4 三种波信号相关参数值测量模块4.4.1 相位差、无功功率等参数测量 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： =cos。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。视在功率的值是有效电压与有效电流的乘积。根据以上，相关参数的测量的程序框图为：图4.4.1.1 相关参数测量程序框图 4.5 频率测量模块设计4.5.1 滤波器设计频率的测量对信号的要求较高，本次设计的交流电测试仪在测量频率时，虽然需要外部的处理电路处理，但是为了测量的精度比较高，总体在设计上增加了滤波器模块的设计。带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。其工作原理为：一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。根据需求，本文设计了一个基于labview的滤波器模块，滤波器模块可对小于250Hz的信号进行处理，可选择档位，每个档位之间差值为50Hz。用户可根据需求选择。图4.5.1.1 滤波器程序框图4.5.2 频率测量总体设计通过4.2讲到已经完成了频率测量的子vi设计，现在，将频率测量的子vi和滤波器连接即可测频率。另外，本测量仪可以对外部标准信号进行频率测量。在前面板上有标准频率测量的开关，实现原理为使用时间结构选择分之就可以完成。4.5.2.1 频率测量程序框图图4.5.2.2 频率测量前面板及其滤波显示4.6 数据存储设计模块与操作界面 4.6.1 测量数据存储对于交流电参数的测量值存储问题，本设计也给出相应的功能。数据存储对于测量者来说尤为重要。本设计存储的文件格式为.txt格式。首先选在文件存储位置建立文件，写好文件名称，然后操作仪器操作界面，选择存储位置，选中事先创建的文件即可测量存储。图4.6.1.1 测量数据存储程序框图图4.6.1.2 数据存储4.6.2 操作界面设计操作界面对于测量者快速准确的测量尤为重要，本次设计的交流电参数测量仪的界面包含了数据显示、数据选择、开关、波形显示、相关说明、时间日期等。 图4.6.2.1 操作界面图5 工作过程分析本次设计是基于labview的交流电参数测试仪，设计过程中实现相关参数的测量，包含频率、电压电流的有效值、峰值、视在功率、无功功率等参数。操作界面便捷。测量者结果中有一定误差。、 在非方波测试频率得到模式下，仪器对输入信号标准度要求较高，需要外部滤波整形电路处理后输入到测量仪器中。仪器内部应当优化。、 数据存储功能应当在仪器运行前进行选择所创建的.txt文件。小 结本次课程设计的虚拟仪器是交流电信号参数测量仪。交流电信号在我们的生活中是不可或缺的，但是，交流电参数的测量是我们生活中必须要掌握的技能之一。本测仪可以对频率为250Hz以下的交流信号的电压有效值、峰值、电流有效值、峰值、实在功率、有功功率、电流信号与电压信号的相位