基于虚拟仪器的恒流源实验设计-毕业设计.doc

天津天狮学院2014届本科生毕业设计学号：101111213Tianjin TianShi College 本科生毕业设计（论文）院 别：专 业：年级班级：学生姓名：指导老师：完成日期：基于虚拟仪器的恒流源实验设计ExperimentalDesignofConstantCurrentSourcebasedontheVirtualInstrument 院 别专 业： 年 级： 学生姓名： 指导老师： 院 别：专 业：年级班级：学生姓名：指导老师：完成日期：院 别：专 业：年级班级：学生姓名：指导老师：完成日期：院 别：专 业：年级班级：学生姓名：指导老师：完成日期：院 别：专 业：年级班级：学生姓名：指导老师：完成日期：学士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的设计（论文）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果，除了文中特别加以标注引用的内容外，本设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名（手签）： 年 月 日摘 要本论文是基于虚拟仪器的恒流源实验设计，设计恒流源关键在于恒流源的测试。系统主要由外部电源、恒流源电路、USB2833 数据采集卡、PC机和LabVIEW图形化编程开发环境等组成。通过对恒流源电路的研究和设计方案的对比，设计出可调式高精度恒流源。电路中采用场效应管作为恒流源的调整管，根据场效应管的输出特性，通过改变栅极电压来控制输出电流的变化。输出电流的稳定性可以通过由比例调节器和积分器组成的闭环控制系统调节，从而使恒流源输出恒定电流。为了保证恒流源输出时具有良好的稳定性和精确性，负载需要链接妥当。在测试恒流源时，可以通过在LabVIEW图形化设计的控制面板中设定电流输出参数，给定数据通过USB总线传输到数据采集卡，控制恒流源输出，用高精度的仪表来测实际电流的输出的值。编写实验指导书，包括恒流源的内阻测试，恒流源的精度，恒流源的动态范围等。该设计具有一定的灵活性和扩展性的特点。关键词：恒流源；LabVIEW；数据采集，高精度，线性可调， 目 录第一章 绪论51.1研究背景51.2 研究意义61.3 国内外发展状况61.4 研究内容6第二章 恒流源方案论证72.1恒流源设计方案72.2恒流源测试方案8第三章 恒流源103.1恒流源的概念103.2 恒流实现的原理103.3 恒流源的分类113.3.1晶体恒流源113.3.2场效应管恒流源123.3.3集成运放恒流源133.4恒流源特点143.5 恒流源的应用143.6线性恒流源的设计电路15第四章 虚拟仪器194.1 虚拟仪器的概念194.2虚拟仪器的发展194.3虚拟仪器的构成194.4虚拟仪器的特点204.5虚拟仪器的应用20第五章 测试系统的设计和实现215.1 测试系统的硬件设计和实现215.1.1 USB2833数据采集卡215.2 测试系统软件的设计和实现225.2.1 LabVIEW的简介225.2.2 LabVIEW的程序构成225.2.3 LABVIEW的特点225.3 系统具体应用程序的实现235.3.1 USB2833数据采集卡的驱动235.3.2 应用程序流程图235.3.3 测试系统界面的设计与实现245.4 恒流源测量数据分析265.5误差分析28第六章 实验指导书的设计29总结32参考文献33第一章 绪论1.1研究背景当今社会，电子技术日新月异的发展使数字电路的应用领域不断扩大，也使得数字化产品尤其是电子设备受到人们的追捧，对于电子设备的性能，人们尤为关心的是其可靠性和稳定性，这在很大程度上又取决于设备的精密度。一个性能良好的电子设备必须由稳定的电源供应电能，电源的稳定度越高，设备所处的外围条件越优越，设备的寿命就会越长。因此，恒定的电流器件成为人们的优先选择，人们对其的需求也越来越迫切。目前恒流源是校验电流表、测量半导体器件参数的理想设备，也是电子电路和模拟集成电路应用较多的电路单元，在科研领域和生产实际中有很广阔的应用前景。虚拟仪器技术由美国在上世纪80年代提出以来的，它的显著的优势得到了人们广泛的关注，成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。1.2 研究意义随着电子技术的发展，智能设备越来越受人们的欢迎，如何改善设备性能，提高设备的精度已经受到人们的高度关注，较好的设备，性能好，精度高，而在这些条件得到保证的同时，也需要有一个稳定、高精度的电源给其供电，这样的话设备才会受到人们的广泛青睐。具备一个稳定的电流源是每个高精度设备必不可少的，而恒流源的开发也将会有很广阔的发展空间。恒流源在很多情况下是必不可少的电源装置，它能够给负载提供恒定的电流，并且拥有比较广泛的应用范围。恒流源能被广泛用于测量电阻的阻值，电缆电阻的测量等，并且输出的电流越稳定，测量的值就越准确。另外，这一电源装置能为各种放大电路提供偏流来稳定电路的静态工作点，也可以作为放大电路的电源负载，提高放大倍数，并且也能应用于差动放大电路和脉冲产生电路中。1.3 国内外发展状况我国的电源产业发展于20世纪60年代中期，21世纪产业规模才进入快速发展阶段。在国家自然科学基金的资助和创新意识的指导下，我国从吸收消化电子技术研究发展到对此技术的前沿跟踪和基础创新，进而生产出了一批具有代表性的研究产品。到了60年代，随着半导体技术的发展，我国设计和制造出了各种性能优越的晶体管和恒流源，它们在实际中也获得了广泛的应用。晶体管恒流源电路封装在同一个外壳内形成的独立器件，可以构成直接调整型的恒流源，以提供恒定的电流。进入70年代，半导体集成技术的发展使恒流源的研制又进入了一个新的阶段。原来的恒流源必须通过组装分离元件而制成，现在能将其集成在一块很小的硅片上，而外面只需要接少量的元件。综上所述，近几十年内，恒流源的发展确实发生了翻天覆地的变化。它由最初传统的模拟恒流源迅速发展到了现在的数控恒流源，其精度和稳定度也由过去的低水平达到了如今很高的水平，并且现如今恒流源也朝着可调性和数字化方向不断发展，其应用领域得到了不断扩大。发展趋势：高精度，高稳定，可调性和数字化。1.4 研究内容（1）恒流源电路的研究与设计理解恒流源电路的特点，仿真出恒流源电路，使输出电流流过被测电阻，验证输出电流是否改变。通过调试恒流源进行调试，得到比较精确、稳定的恒流源。（2）LabVIEW语言程序的设计利用LabVIEW语言，编写测定恒流源的程序，通过数据采集卡对恒流源进行测试，对数据进行监控。（3）恒流源实验设计恒流源实验设计包括：恒流源的精度测试；内阻测试；动态范围测试；响应速度测试。第二章 恒流源方案论证2.1恒流源设计方案方案一：由集成稳压器构成的恒流源。常见的由稳压器设计的恒流源如图2-1所示。当电路中的稳压器选定了之后，那么电压U0 是一个定值。当电阻R保持不变，则输出电流I不变，所以电流时恒定的。如果R的值改变，那么输出电流I也改变。因此将R设为数控电位器，则输出的电流可以得到控制，这个方案设计的电路结构比较简单，调试方便，但是数控电位器比较难买。图2-1 三端集成稳压器构成的恒流源框图方案二：采用集成运放的线性恒流源用集成运放的方法设计出的恒流源，它输出的电流和恒流源外接的负载是无关的。放大的环节是由两块运放器构成，电路的调整环节是由晶体管组成，利用晶体管的输出特性和负反馈，电路可以得到稳定的电流输出，实现了电流的稳定。运算放大器U1为比例放大器，U2为积分器，比例放大器和积分器同组成闭环控制系统，通过反馈调节稳定性，并且可以由函数表达出来。电路中采用场效应管作为恒流源的调整管，根据场效应管的输出特性，通过改变栅极电压来控制输出电流的变化。输出电流的稳定性可以通过由比例调节器和积分器组成的闭环控制系统调节，从而使恒流源输出恒定电流。其原理框图如图2-2所示。图2-2 集成运放构成的恒流源框图综合考虑，采用方案二， 2.2恒流源测试方案方案一此方案是以单片机为控制模块，单片机的最小系统比较简单，用单片机的编程语言来控制电流的输出，通过ISP方式将编写的单片机的程序下载到芯片中实现控制。此方案如图2-4。图2-4 单片机为控制器的系统框图 方案的缺点是用单片机控制的时候，要有外围电路，单片机的集成度还有运算能力不高，硬件的制作比较困难，焊接电路存在一些外界的因素，会导致整个系统受到影响。方案二此方案如图2-5，采用PC机位系统的控制模块，运用数据采集卡，然后连接恒流源电路，通过DA/AD转换，将模拟量转化为数字量，由数据采集卡把数据传输到PC机，由PC机处理数字量，实现电流的测量。这样测量起来比较灵活，且精度较高。图2-5 PC机控制器的系统框图最终决定采用方案二。第三章 恒流源的设计3.1恒流源的概念恒流源，它是一种能向负载提供恒定电流的电源。它不但可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数。并且在差动放大电路、脉冲产生等电路中得到了广泛应用1。3.2 恒流实现的原理图31为三极管的输出特性曲线，图中可以看出，在放大区域内，三极管的输出特性曲线是与横坐标基本平行的，随着Vce的加大，各条曲线略向上想、倾斜。则说明Ic主要是由Ib控制的，在放大区，三极管的发射结正偏，集电极反偏，此时Ic=Ib。Vce对Ic的调整是由基区宽度调制效应产生，当Vce增加时，电流的放大倍数略微增加。总之，三极管的基极电流IB在保持不变的时候具有恒流的效果，这时三极管的直流电阻较小但是交流电阻较大17。图31 三极管的输出特性3.3 恒流源的分类一般而言 ,按照恒流源电路主要组成器件的不同 ,可分为三类 :晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源。3.3.1晶体恒流源由晶体三极管等器件构成的恒流源电路为晶体管恒流源电路，通过改变晶体三极管的基极电压的值从而改变输出电流的值，电路中有反馈环节，通过电流的负反馈，调节电流的输出稳定。如图3-2。3-2 晶体恒流源图中R1、R2分压稳定B点的电位，Re是将输出的电流转化为电压，输出电流的表达式为：I0=（VbVBE）/ReVb/Re(VBVBE)。即等效内阻为：R内=R 1Re/(RbRbeRe) （3-1）式（3-1）中R为晶体三极管T的集电极和发射极之间的电阻，通常是几十千欧；Rbe通常是几千欧的输入电阻，Rb =R1/R2。假设Re=10k，Rb=20k，晶体三极管的Rce=100k,=50，Rbe=2.6k，则等效内阻为R内=100*150*10/(202.610)=1.5M由此可知，工作电压虽然只有几伏的大小，但是三极管的等效内阻很大，那么使电路的内阻很大1。3.3.2场效应管恒流源采用场效应晶体管作为主要组成器件的恒流电路如图3-3所示。图3-3中，R1、R2分压稳定B点电位，VB=R2Vcc/(R1R2)，而VGS=VBID*RS，则ID=IDSS*(1VGS/Vp)2 （3-2）式（3-2）中Vp为夹断电压，IDSS为饱和漏极电流。省略电源辅助回路后，变成一纯两端网络。电路如图3-5(b)所示，由图可得VGS=IDRS。由此可得等效内阻，Rint=RDS*(1S*R) (3-3)式（3-3）中RDS为漏极和源极间电阻，S为其跨导。若设RDS =100k，=2mA/V，Rs=5k，则Rint=1.1M，可知Rint非常大。此外，从上述(3-1)式与(3-3)式可知，将电阻Re或Rs增大时，由场效应管组成的恒流源的等效内阻则会趋近于无穷大，而由晶体三极管组成的恒流源的等效内阻值趋向于Rce。因此，当场效应管组成的恒流源用很大的电阻构成负反馈时，电路的内阻指标将会更好。若由场效应管和晶体三极管一起构成恒流源电路，则能使电路得到稳压的作用，使电路的输出电流的稳定性更好1。 图3-3 场效应管恒流源 3.3.3集成运放恒流源由集成运放放大器和场效应管等器件构成的恒流源为集成运放恒流源。如图3-4所示，集成运放恒流源能够提高输出电流的大小，稳压管的作用是为了稳定场效应管还有运算放大器的两端电压，场效应管的栅极电流很小，输出的电流为恒定的，其大小为I=UZ/R2，此电路中，负载RL如果过大，那么场效应管和运算放大器和场效应管会处于饱和的状态，电路不能正常工作，因此RL的取值要妥当。图3-4 集成运放恒流源3.4恒流源特点晶体管恒流源,在差动放大器的共射极公共电阻方面有着广泛的应用,它也可以作为放大电路的有源负载,或作为偏流使用,同样也能作为脉冲产生电路的充放电电流。由于晶体管参数受温度变化影响,设计恒流源时大多采用了温度补偿及稳压措施,或通过增强电流负反馈的深度以进一步稳定输出电流。场效应管构成的恒流源和晶体管构成的恒流源基本类似。两种恒流源相比较，场效应管构成的恒流源等效内阻较小,如果增加电流负反馈电阻的值,场效应管恒流源会有更好的效果，且无需辅助电源,是一个纯两端网络,这种工作方式十分有用,可以用来代替任意一个欧姆电阻。通常,将场效应和晶体管配合使用,其恒流效果会更佳。由于温度对集成运放参数影响不如对晶体管或场效应管参数影响之显著,由集成运放构成的恒流源具有稳定性更好,恒流性能更高的优点。尤其在负载一端需接地,要求大电流的场合,获得了广泛应用1。3.5 恒流源的应用在校验电表的时候我们通常运用恒流源。在校验时，我们将恒流源和待校验的电流表还有标准电流表串联，调节恒流源电路的输出电流大小，分别使输出电流的为电流表的最大值和最小值，然后观察待校验的电流表还有标准电流表的指针是否正常，然后调节指针，可以是电流表得以校正。恒流源也常常用于半导体参数的测量。例如，在晶体管的反向击穿电压测量的时候比较困难，用恒流源测量的时候就相对简单了，可以先把恒流源的输出电流调到所需要的输出值，那么对不同的晶体管进行测量的时候，不需要调整， 直接能够读出来反穿电压的值。这样测量，不仅效率高，而且还能保护仪器，不会损坏晶体管。3.6线性恒流源的设计电路线性恒流源的核心电路主要是由PI调节器和场效应管组成，由积分器和比例放大器组成闭环控制系统。电路中采用场效应管作为恒流源的调整管，根据场效应管的输出特性，通过改变栅极电压来控制输出电流的变化。输出电流的稳定性可以通过由比例调节器和积分器组成的闭环控制系统调节，从而使恒流源输出恒定电流。在场效应管的栅极加正电压，漏极加负电压，让场效应管工作在饱和区，那么会产生漏极电流，输出的漏极电流经过采样电阻，由比例放大器放大之后，经过积分器的调节，使系统的稳定性提高，那么输出的电流的稳定性也随之提高。场效应管特性曲线如图3-5所示，场效应管的工作可以分为三个区，分别为放大区（横流区），夹断区（截止区）和可变电阻区（饱和区）。在放大区漏极的电流为恒定值，电流的大小由栅极的电压控制，当栅极的电压低于场效应管的工作电压时候，场效应管就会进入夹断区，这样的话漏极将会几乎没有电流的通过，所以只要让场效应管工作在放大区，就能实现恒流的效果。当VGSVT，且VDSVGSVT时，场效应管进入了饱和区17。图3-5 场效应管的输出特性根据场效应管的特性设计的恒流源的原理图如图，当电流经过了采样电阻从而转换为采样电压，采样电压经过运放器A1反相放大后作为反馈的电压V1送入运放A2的相同端，与基准电压V相比较，由于栅极电压决定了栅极电流，调整栅极电压，从而对输出的电流进行调整，从而使整个闭环系统处于一个平衡的结构中，实现了横流的目的。若输出的电流变大，则采样电阻上的采样电压也随之变大，反馈电压V1增大，运放A2同相端电压也变大，然而基准电压V不变。所以当运放A2的输出电压降低，场效应管的栅极电压下降，从而使输出电流下降，保持输出电流不变2。线性恒流源的原理图如图3-6：由图可以看出，恒流源是由运放电路组成，根据我们所学的模拟电路中的虚短和虚断，我们可以推出VR与Id的关系：V0R2=0-VfR1VR=VfV0=-Id*RId=R2R1R*VR （1）由以上公式我们可以看出，电流源输出的电流只和R，R1，R2，VR有关，和场效应管的参数是没有关系的。我们只需要选合适的阻值，就能够实现恒流的效果。由于电阻是恒定不变的，由上面的公式可以知道输出的电流Id和电压VR构成线性关系2。图3-6 恒流源原理图大功率恒流源需要采用功率管并联技术产生大功率电流，如图3-7是功率管并联的原理图，并联有三种方式：图3-7 功率管并联的恒流源1.如果功率管采用MODFET，由于MODFET有正的温度系数，当并联功率管并联数量不多时，MODFET可以直接并联。2.当MODFET并联数量多，或者采用其他类型功率管时，则需要采用功率管串联均流电阻，使得各功率管电流均衡。3.当需要产生数百安培大功率电流时，则需要采用功率管串联PID均流电路，使得各功率管电流均衡。第四章 虚拟仪器的简介4.1 虚拟仪器的概念所谓虚拟仪器，是在以计算机为核心，由用户设计定义，利用高效灵活的测试软件来完成测试，并且具有虚拟面板的一种计算机系统15。它利用计算机的软件进行信号数据的运算和分析；利用计算机的显示器来模拟传统仪器的控制面板，输出的检测结果有多种形式；利用I/O接口设备进行信号的采集和调理，进而完成各种测试功能。用鼠标或键盘操作虚拟面板就如同使用一台专用的测量仪器16。图4-1反映了虚拟仪器常见的应用方案。图4-1 常见虚拟仪器应用方案4.2虚拟仪器的发展虚拟仪器的发展大致可分为三个过程第一阶段是计算机和传统仪器相结合，使传统仪器的功能增加。GP-IB技术在20世纪70年代发展起来的，GP-IB总线标准的确立，用户可以通过计算机控制仪器，但由于GPIB总线带宽1Mbytes/s限制了数据向计算机的实时传输，所以大量的数据处理工作仍然依靠仪器自身所带有的功能。这一阶段虚拟仪器的十分迅速。第二阶段是由开放式仪器所构成。20世纪80年代随着计算机技术的进一步发展个人电脑可以带有多个扩展槽。在硬件方面，出现了两方面的科技进步：一是VXI仪器总线标准的确立；二是插入式计算机数据处理卡（PC-DAQ）。第三阶段虚拟仪器框架的得到广泛的认同和采用。20世纪90年代计算机总线速度进一步加快PCI总线的数据传输速度达到了132Mbytes/s。此时虚拟仪器平台已经得到广泛认可。4.3虚拟仪器的构成虚拟仪器的结构方式分为三大部分，分别是由被测信号，I/O设备，计算机组成。一般来说，PC机为工作站，I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。虚拟仪器的结构方式主要有五种类型，如图42所示。图4-2 虚拟仪器的结构类型4.4虚拟仪器的特点虚拟仪器用户可以根据自己的需要灵活的定义虚拟仪器的功能，通过不同功能的模块组成不同的虚拟仪器。与传统的仪器相比，有下面的特点：1、虚拟仪器不强调物理上的实现形式虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集、数据处理及数据的显示这三部分的物理功能。虚拟仪器充分利用计算机的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、分析以及结果的显示等。2、图形化的软件面板虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用虚拟面板进行控制，采用直观的编程平台，在VI子程序面板中直接控制。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件。在操作时，用户通过鼠标或键盘操作软面板，来检验仪器的通信和操作。4.5虚拟仪器的应用虚拟仪器应用广泛，在科研开发，检测计量，测量测控等领域方面，虚拟仪器可以实现多种仪器的功能，和别的软件配合可以测不易被测定的参数。虚拟仪器用在工业控制领域，一些控制的系统要有精确地采样，用虚拟仪器可以较快的得到处理过的精确数据，在制造业，虚拟仪器的计算能力在温度系统，在电力仪表系统等工业领域发挥更大的作用。第五章 恒流源测试系统的设计在LabVIEW中设置给定的电压还有采样电阻的值，用数据采集卡连接恒流源电路板，通过USB口连接到PC机，根据数据采集卡的数/模，模/数转换，将采集的信号传送到电脑， 在虚拟界面中显示出来。硬件电路中，是以PI调节和场效应管相结合，运算放大器和积分器构成了闭环系统，通过反馈，使输出的恒定电流更加稳定。5.1 测试系统的硬件5.1.1 USB2833数据采集卡随着通信技术的快速发展，使我们社会很快的转变为信息化社会，在信息社会中，信息处理技术的先进性决定了信息化社会发展的速度。在信息技术快速发展的过程中，我们也急切需要一些通信设备。数据采集卡就是新型电子设备中的一种。数据采集卡的出现，促进了信息处理技术的发展，它能有效的减小信息采集的时间，使用十分方便。数据采集是数据信号的必要工作，在一些精度较高的数字系统中，对数字采集卡的需求更大。USB2833是可以通过PC机USB接口和其他硬件相连接的一种采集卡，连接之后，构成实验室进行数据采集、数据分析。在实验过程中，所用到采集卡的功能主要有AD模拟量输入功能和DA模拟量输出功能。AD模拟量输入功能主要是：转换类型为AD7321转换；精度转换有13位，其中最高位是符号位；输入量程分别为-10V+10V、-5V+5V、010V；AD的采样的最大速度是500KHz，AD模拟输入通道为双端8路或者是单端16路；模拟输入阻抗是10M；可以通过首通道或者末通道设置采样的通道。DA模拟量输出功能主要是：转换类型为AD5724转换；输入量程05V、010V、010.8V、-5V+5V、-10V+10V、-10.8V+10.8V；精度转换时12位精度；4路通道。5.2 测试系统的软件与传统的设计相比，这次的测试软件设计不是语言类的编程，而是图形化的编程，由图标和图标之间的连线构成被执行的程序内容，能够让人直观的看出程序的意图。5.2.1 LabVIEW简介LabVIEW与C和BASIC一样，也是一个通用的编程系统，有一个庞大的函数库。函数库主要包括数据采集，串口控制，数据分析等等。当然，LabVIEW也有传统的程序调试工具。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的推行话编程语言。传统的编程语言是根据语句和指令的先后顺序决定执行顺序，而LabVIEW采用数据流程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块。5.2.2 LabVIEW的构成LabVIEW流程图主要是由前面板（panel）和流程图（diagram）组成。1、前面板前面板窗口是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，相当于实际仪器的控制面板，它将用户和程序联系起来，是程序运时显示输入的交换窗口。2、流程图窗口流程图窗口是提供VI的图形化源程序，相当于实际仪器箱的东西，在流程图中的图形语言编写LabVIEW程序源代码，以控制定义在前面板上的输入和输出的功能。5.2.3 LABVIEW的优势(1) LabVIEW采用图形化语言编程，程序是图形的形式，简单易懂，容易学习。(2) LabVIEW内部有自己的子程序，在编译的时候可以直接调用，在子程序里面设置参数，能够有效地提高编译速度，并且方便了编程。程序里面提供了大量的内置可视化的显示数据，从图形到图表，应有尽有。(3)在程序调试的过程中，可以直接的显示出来自己的错误所在，在程序的运行中，可以观察每个器件的运行状态，方便修改程序。5.3 系统具体应用程序的实现基于虚拟仪器的恒流源实验设计的程序主要是在计算机硬件的基础上，进行LabVIEW的图形化语言程序设计。由于USB2833数据采集卡自己带有A/D，D/A转换程序，可以通过计算机的USB接口来实现数据传输，采集回来的数据通过转换在LabVIEW控制面板中显示出来。恒流源硬件电路板的输出电流是由负载和电压所决定的，负载越小，电流越大。5.3.1数据采集卡的驱动USB2833的驱动过程：首先用CreateDevice函数创建一个设备对象句柄函数hDevice，通过hDevice函数实现对该设备的控制。然后将这个句柄作为参数传递给其他函数，如InitDeviceAD可以使用hDevice句柄以初始化设备的AD部件并启动AD设备；ReadDeviceAD函数可以用hDevice句柄实现对AD数据的采样。最后通过ReleaseDevice函数将hDevice句柄释放掉，否则影响hDevice再次被调用。USB2833数据采集卡不是NI设备，但是可以通过LabVIEW来调用子文件，从而实现了采集卡的输入和输出，下面是USB2833驱动函数：1、设备对象操作函数CreateDevice 创建USB设备对象；GetDeviceCount 取得设备总数；GetDeviceCurrentID 取得当前设备ID；ResetDevice 复位USB设备；ReleaseDevice 关闭设备；2、AD采样函数InitDeviceAD 初始化USB设备AD部件；ReadDeviceAD 读取数据；ReleaseDeviceAD 释放数据；3、DA输出函数WriteDeviceDA 输出模拟信号；5.3.2 应用程序流程图应用程序的流程图分为自动校准流程图5-1和恒流源的流程图5-2： 图5-1 自动校准流程图 图5-2恒流源流程图 注：曲线拟合计算校准参数的方法：取设定电流值35个点，采样对应的输出电流值，再输入对应的基准电流值，应用数学中的曲线拟合理论计算电流的校准参数。5.3.3 测试系统的软件设计在LabVIEW中设定测试恒流源的参数，设定的参数经过DA数据转换通过USB口传送到恒流源电路板。给定值电流和电压存在着函数关系。给定电压之后电流显示可以通过程序调试出来。测试的时候，观察给定电流和采样电流还有电流表的电流的值是否相等。前面板中的量程还有采样电阻等是可调的。恒流源给定值可以通过前面板所控制。恒流源的硬件模块输出的电流和电压有着一定的对应关系。当电压给定1V时，电流为0.31A，可以通过计算得知其放大倍数K=1/(0.31*0.5)=6.535（0.5为采样电阻的值）。前面板的输入空间的逻辑关系如图5-3所示：图5-3恒流源给定前面板恒流源给定值的程序框图如图5-4：图5-4 程序框图图中CreateDevice标示创建了一个USB的设备对象， 链接电脑的一个数据通道，WriteDeviceDA为输出模拟通道，它们都是通过数据采集卡的AD，DA转换显示出来的。电流和电压有着一定的对应关系，通过计算得出来的放大倍数为6.353。采集的电流是在另一选项卡中显示出来的，如图5-5和5-6所示为采集电流的前面板和后面板：5-5 采样前面板5-6 采样程序框图主要是通过USB2833数据采集卡中的AD转换来采集回来的电流。在前面板中设置AD采样参数，采集卡根据设定参数去调用USB2833函数和AD函数。AD转换器工作，被采集后的数据经USB总线输送到上位机，LabVIEW程序经采样数据进行数据分析、数据转换、数据处理和结果显示。5.4 恒流源测量数据分析恒流源电路板采用220V-2A的电源供电，在LabVIEW控制面板中选择5V为数据采集卡的量程范围。当给定电压为1V时，对应0.3A的输出电流，那么5V输入电压对应1.5A输出电流。数据测量是反映测试系统性能的重要指标，所以要对恒流源进行输出电流的稳定性测试，测试结果如表5-7所示，曲线图如图5-8所示：表5-7输出电流稳定性的测试数据输出电流（A）实际输出电流(A)负载电阻（）电流误差率0.150.1491 0.30.05%0.30.2993 0.30.01%0.450.4470.30.03%0.60.5960.30.00%0.750.743 0.30.02%0.90.891 0.30.07%1.051.041 0.30.07%1.21.195 0.30.15%1.351.344 0.30.15%1.51.492 0.30.22%图5-8 输出电流的曲线特性当给定电压一定，改变负载电阻的值，看电流的变化情况，测试结果如表5-9所示：给定电压电阻实测电流1V10.3011V20.3001V30.3001V40.2971V50.2991V60.300表5-9输出电流的稳定性的测试数据测试结果可以看出，当我们给定电压不变的情况下，改变负载电阻的值，恒流源的输出电流是不变的。5.5误差分析在测试过程中，测试数据和理论数据之间常常存在着误差，这些误差主要来自于以下方面：1、算法误差，在程序曲线拟合过程中，一次拟合存在较大的误差，接着在第二次拟合的过程中结果虽然接近了测试值，但还是会存在误差的。2、环境误差，在测量过程中，由于外部环境，在测量的时候会引起元器件发热，散热不好的情况下会引起误差。另外在测量的时候也会受到湿度的影响，是元器件的电阻发生变化造成误差。3、系统误差，恒流源元器件的参数值和理论值之间可能存在误差。并且在测试的过程中，元器件过热也会导致误差的产生。由于系统误差和环境误差难以消除，测试选择在相对较好的环境中进行，并且间断地进行测量，以让设备温度保持在一个合适的点。在曲线拟合的过程中，对需要测试的几组数据进行多次拟合，这样可以得出较为精确的数值。第六章 实验指导书的设计实验目的：（1）掌握LabVIEW编程方法；（2）熟悉恒流源电路；实验仪器：PC机一台，LabVIEW8.5开发环境，恒流源电路板；USB2833数据采集卡；电流表。实验内容：用LabVIEW设计恒流源测试界面，用户界面包括控制开关，给定电压显示，给定电流显示，数据通道，D/A数据，量程选择等，要求界面美观，实验方便。测试恒流源的精度、内阻、动态范围、响应速度。实验原理：虚拟仪器是以计算机为核心，由用户设计定义，利用高效灵活的测试软件来完成测试，并且具有虚拟面板的一种计算机系统，它利用计算机的软件进行信号数据的运算和分析；利用计算机的显示器来模拟传统仪器的控制面板，输出的检测结果有多种形式；利用I/O接口设备进行信号的采集和调理，进而完成各种测试功能。USB2833是可以通过PC机USB接口和其他硬件相连接的一种采集卡，连接之后，构成实验室进行数据采集、数据分析。用数据采集卡连接恒流源电路板，通过USB口连接到PC机，根据数据采集卡的数/模，模/数转换，将采集的信号传送到电脑， 在虚拟界面中显示出来。实验步骤：1、恒流源精度测试：当给定电压为5V，最大输出电流为1.5A，即电压可调范围0-5V，电流可调范围0-1.5A，电压和电流呈线性对应关系。将USB2833数据采集卡一端和恒流源电路板链接，另一端和PC机USB口相连接，高精度的电流表串接在恒流源电路板中，打开恒流源的程序，然后点击运行，开始采样，采样电阻选择0.5欧姆，通过调整DA数据来调整给定电压，当给定电压为1V时候，观察给定电流和采集回来的电流的值、精度电流表的值，然后逐渐调节DA数据改变给定电压，观察电流值，然后将数据记录下面表格。给定电压1V2V3V4V5V理论电流采集电流实测电流保持给定电压2V不变，外接负载电阻，将电流表和负载电阻串接，改变负载电阻的值观察电流的变化负载电阻1欧2欧3欧4欧理论电流采集电流实测电流2、动态范围测量测量动态范围时候，要保证电压恒定，恒流源的最大输出电流为1.5A，当我们增加负载电阻的时候，最大输出电流会逐渐降低，将滑动变阻器和电流表同时接入恒流源的负载端，滑动变阻器的电阻先是为0，慢慢的改变滑动变阻器的阻值，观察电流的变化。当电流发生明显降低的时候停止滑动，这时候记录滑动变阻器的阻值。测量五次之后将数电阻的临界数值记录表格电压（V）55555电流（A）1.51.51.51.51.5电阻（）3、恒流源的内阻测量恒流源内阻测量接线图如图6-1：图6-1恒流源内阻测量电路图在测量恒流源的内阻时，接线如图所示，图中的V为数字电压表，R1，R2为测量电阻，K为开关。恒流源就相当于一个电源和一个阻值很大的电阻串联。恒流源的内阻即是恒流源的输出电阻，R=RL/I，其中I=（I1-I2）/I2，I1为RL不等于0时的负载电流，I2为RL等于0时候的负载电流，RL为恒流源的负载。随着输出电流的增加，负载电阻应该是慢慢减小的。根据电路图我们可以知道，恒流源的内阻R=|R2+R1V+/V|，其中公式中的V=V+-V-，V+和V-分别为开关接通和断开时候