基于Labview电压表的仿真设计

1、本科课程设计报告题目 基于 Labview 的电压表的仿真课程名称 : 电子测量技术基础指导教师：建明班级学生（学号）同组学生同组学生09 电本完成时间： 2012年 6月 2日星期一物理与电子信息学院电子信息系二一二年目录 第一章 LabVIEW 简介 1 1、LabVIEW 总体概述 12、虚拟仪器简介1 3 、使用和自定义 VI 和子 VI 第二章 设计任务2.1 设计思路2.2 前面板的设计2.3 流程图的设计 第三章 数据分析 3.1 生成信号设置 3.2 显示测量数据 3.3 误差分析3.4 性能分析 第四章 小结附录 ：参考文献 第一章 LabVIEW 简介1 、 LabVIEW

2、 总体概述LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程 语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺 序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式， 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。LabVIEW 提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似 的控件，可用来方便地创建用户界面。 用户界面在 LabVIEW 中被称 为前面板。 前面板创建完毕后， 便可使用图形化的函数添加源代

3、码来 控制前面板上的对象。在程序框图上添加图形化代码，即 G 代码或 程序框图代码。因此又被称作程序框图代码。如需开发特定程序， 可购买各类附加软件工具包。 所有工具包都 可与 LabVIEW 无缝集成。 (Windows) 如需查看相关主题，单击 本窗口上方工具栏左侧的 定位按钮。 LabVIEW 帮助的目录 栏中将高 亮显示该主题，以便查看相关容。2、虚拟仪器简介LabVIEW 程序又称虚拟仪器， 即 VI ，其外观和操作均模仿现实 仪器，如示波器和万用表。每个 VI 都使用函数从用户界面或其它渠 道获取信息输入，然后将信息显示或传输至其它文件或计算机VI 由以下三部分构成： 、前面板如下

4、所示的前面板是 VI 的用户界面前面板由输入控件和显示控件组成。 这些控件是 VI 的输入输出端口。 输入控件是指旋钮、按钮、转盘等输入装置。显示控件是指图表、指 示灯等显示装置。输入控件模拟仪器的输入装置，为 VI 的程序框图 提供数据。 显示控件模拟仪器的输出装置， 用以显示程序框图获取或 生成的数据。、程序框图前面板创建完毕后， 便可使用图形化的函数添加源代码来控制前 面板上的对象。 程序框图是图形化源代码的集合， 图形化源代码又称 G代码或程序框图代码。前面板上的对象在程序框图中显示为接线端。列 VI 中含有接线端、函数和连线等程序框图对象。接线端接线端用以表示输入控件或显示控件的数据

5、类型。 在程序框图中 可将前面板的输入控件或显示控件显示为图标或数据类型接线端。 默 认状态下，前面板对象显示为图标接线端。如：旋钮接线端代表前面 板上的一个旋钮，如下所示。接线端底部 DBL代表的是双精度浮点数数据类型。 如下所示的 DBL接 线端代表一个双精度浮点数输入控件。接线端是在前面板和程序框图之间交换信息的输入输出端口。 在前面 板输入控件中输入的数据（如上述前面板中的 a 和 b）通过输入控件 接线端进入程序框图。 然后，数据进入加和减函数。 加减运算结束后， 输出新的数据值。 数据将传输至显示控件接线端， 更新前面板显示控 件中的数据（如上述前面板中的 a+b和 a-b）节点节

6、点是程序框图上的对象，具有输入输出端，在 VI 运行时进行 运算。节点相当于文本编程语言中的语句、运算符、函数和子程序。 上述程序框图中的加、减连线程序框图中对象的数据传输通过连线实现。在上述程序框图中， 输入控件和显示控件接线端通过连线实现加减运算。 每根连线都只有 一个数据源，但可以与多个读取该数据的 VI 和函数连接。不同数据 类型的连线有不同的颜色、 粗细和样式。 断开的连线显示为黑色的虚 线，中间有个红色的 X。出现断线的原因有很多，如试图连接数据类 型不兼容的两个对象时就会产生断线。结构结构是节点的一种， 是文本编程语言中的循环和条件语句的图形 化表示。使用程序框图中的结构可对代码

7、块进行重复操作， 有条件执 行或按特定顺序执行代码。、图标和连线板创建 VI 的前面板和程序框图后，请创建图标和连线板，以便将 该 VI 作为子 VI 调用。图标和连线板相当于文本编程语言中的函数 原型。每个 VI 都显示为一个图标，位于前面板和程序框图窗口的右 上角，如下图所示。图标是 VI 的图形化表示，可包含文字、图形或图文组合。如果将一 个 VI 当作子 VI 使用，程序框图上将显示代表该子 VI 的图标，如将 VI 添加至选板， VI 图标也将出现在 函数 选板上。双击前面板或程序 框图窗口的图标，可进行自定义或编辑。注： 推荐用户自己定制 VI 图标，但这个操作不是必须的。使用默

8、认的 LabVIEW 图标不会影响功能。如需使用子 VI ，还需要创建连线板， 连线板用于显示 VI 中所有输入 控件和显示控件接线端， 类似于文本编程语言中调用函数时使用的参 数列表。 连线板标明了可与该 VI 连接的输入和输出端， 以便将该 VI 作为子 VI 调用。连线板在其输入端接收数据，然后通过前面板的输 入控件传输至程序框图的代码中， 并从前面板的显示控件中接收运算 结果传输至其输出端。注： 一个 VI 的接线端应尽量控制在 16 个以。接线端太多将影响 VI 的可读性和可用性。3 、使用和自定义 VI 和子 VI创建一个 VI ，设定图标和连线板，该 VI 即可作为子 VI 调用

9、。保存 VI 为单独的文件，也可将多个 VI 集合保存在 LLB 中。也可自定义 VI 的外观和运行方式。可为所创建的每个 VI 创建自定 义菜单，也可以设定显示或隐藏菜单栏。第二章 设计任务21、设计思路虚拟电压表是基于计算机和标准总线技术的模块化系统， 通常它 由控制模块、仪器模块和软件组成，由软件编程来实现仪器的功能。 在虚拟仪器中， 计算机显示器是惟一的交互界面， 物理的开关、按键、 旋钮以及数码管等显示器件均由与实物外观相似的图形控件来代替， 操作人员只要通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、 开关、按 键等设置各种参数， 就能根据自己的需要定义仪器的功能。 在虚拟电 压表的设计中

10、，考虑到仪器主要用于教学和实验，使用对象是学生， 因此将引言中提到的三种检波方式的仪器合为一体， 既简化了面板操 作，又便于直接对比。该电压表主要用于电路分析和模拟电子技术等实验课的教学和 测量仪器，能够使学习者了解和掌握电压的测量和电压表对各种波形 的不同响应。因此，虚拟电压表应具备电源开关控制、波形选择，以 及显示峰值、 有效值和平均值三种结果， 且输入信号的大小可调节等 功能。虚拟电压表由硬件设备与接口、 设备驱动软件和虚拟仪器面板 组成。其中，硬件设备与接口包括仪器接口设备和计算机，设备驱动 软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序， 虚拟仪器通过底层设备驱 动软件与真实的仪器系统进行通信

11、， 并以虚拟仪器面板的形式在计算 机屏幕上显示与真实仪器面板操作相对应的各种控件。 在此，用软件 虚拟了一个信号发生器。 该信号发生器可产生正弦波、 方波和三角波， 还可以输入公式，产生任意波形。根据需要，可调节面板上的控件来 改变信号的频率和幅度等可调参数， 然后检测电压表的运行情况。 因 此，在 LabVIEW图形语言环境下设计的虚拟电压表主要分为两个部 分：第一部分是虚拟电压表前面板的设计 ; 第二部分是虚拟电压表流 程图的设汁。2.2 前面板的设计前面板模拟真实电压表的前面板， 用于设置输入数值和观察输出 量。由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟电压表控制软件的核心。设 计这部分时，主要考

12、虑界面美观、操作简洁，用户能通过面板上的各 种按钮、开关等控件来控制虚拟电压表进行测量工作。 根据传统电压 表面板控件的功能，利用 LabVIEW中的控制模板，分别在设计面板 上放入模拟实际电压表控件的数据输入控件、 显示器、数据输出控件、 开关、选择器，显示器用于显示输入的信号波形 ; 数据输入控件主要 用于输入被测信号的信号频率、采样频率、采样数、振幅和相位 ; 数 据输出控件则用于输出被测信号经过处理后得到的峰值、 平均值和有 效值及标准频率的有效显示。 打开 LabVIEW前面板的编辑窗口， 点击 鼠标右键，显示控制模板，选择图形一波形图， 作为电压表的显示器。 在显示器模板上点击鼠标

13、右键， 对其进行属性设置， 例如根据 示波器 的频率与幅度值的变化， 利用工具模板中的文字工具， 对示波器横 （ 时 间） 、纵（ 幅度 ）坐标的刻度进行重新设置。用 Graph控件设计的示波 器是完全同步的，且波形稳定。选择控件数值数值输入控件 / 数值显示控件，作为电压表参 数设置中输入和测试结果的数据显示。选择控件下拉列表与枚举菜单下拉列表， 放置对输入波形选 择开关，在下拉列表中单击鼠标右键， 选择“编辑项” 对其进行编辑。“电源开关” 控件选择经典经典布尔方形按钮，当按下开关 时，虚拟电压表开始运行，同时电源开关的指示灯亮。同样，当弹起 开关时，虚拟电压表停止运行。前面板如图 1 所

14、示。图 1 前面板2.3 流程图的设计每一个前面板都对应一个流程图程序。 前面板的设计完成后， 可 对流程图程序进行设计。 打开 LabVIEW设计环境中的窗口显示程序 框图，进入流程图编辑窗口， 与前面板各控件对应的端口图标自动出 现在流程图编辑窗口中。 利用 LabVIEW中的功能模块， 根据虚拟示波 器前面板各控件的作用和联系， 虚拟示波器运作后数据流的控制， 分 别在流程图设计面板中放置各个功能模块， 合理摆放后， 在用连线工 具依次连接， 以实现虚拟示波器的功能。 数据流的编辑主要是对端口 图标的连接。用连线工具进行连线时，如果端口闪烁，说明相连的数 据类型匹配，否则不能连接。（1）

15、虚拟信号发生器的实现由于虚拟电压表主要用于演示，所以为了方便，可直接利用 Lab VIEW软件产生仿真信号。在该设计中，设置了正弦波、方波和三角 波以及由公式确定的任意波形。 在程序设计框图中， 使用一个 Case（选 择）语句对四种波形进行选择。 Case语句中，每一个数字 （0 ，1，2， 3，4）都代表一种波形，与前面板控件中 5 种状态相对应。至于 Case 语句的制作，只需将 4 个图标中的一个，例如正弦波发生程序，用 C ase 框起来，然后在上面的空白处写上相应的数字，例如 1; 然后点 击箭头，可以设置第二个图标，如果要添加一个 Case的话，可以点 击鼠标右键，直接添加，编辑

16、相应的基本信号发生器 VI 中相应的节 点即可。在添加公式波时， 要把基本信号发生器 VI 换成公式波形 VI ， 0 代表默认状态，表示无任何波形输入。本文给出了 Case 结构的一 个分支，公式波形的流程图如图 2 所示。该子可使用指定时间函 数的公式字符串生成一个函数波形，它要求公式的自变量必须是 t ， 它所支持的运算符和常用的函数详见参考文献。图 2 公式波形的流程图另外，在模拟状态下，信号频率以赫兹或者每秒周期数为单位。 但是在数字系统中， 通常使用数字频率， 它是信号频率与采样频率的 比值，被称为标准频率。所以，在框图程序中，应当在信号频率与采 样频率之间加载一个除法器。在波形发

17、生程序按照规定的参数产生波形后， 如果将波形直接输 入波形显示控件，那将是错误的。因为波形显示控件，并不像数据显 示控件那样只需要一个或一组数据，因此波形能否按规定显示出来， 取决于输入的几组不同且具有决定性的数据，例如周期、相位等。在该设计中，将 z 轴起始坐标、周期、波形捆绑成一个数组，同时输入 到波形显示控件中。（2）数据处理部分数据处理部分的作用，就是将产生出的信号通过不同形式的检 波、计算，得出规定的不同的结果。 在该设计中同时显示交流有效值、 峰值和平均值。 对于一个纯粹的交流电压， 正半周期信号与负半周期 信号对称， U 的平均值等于零，所以一般不直接测量平均值。在设计 时，按函

18、数数值绝对值取交流电压的绝对值，然后求平均值，取 全波平均值。交流电压中的最大值，即为峰值。可以通过比较数据求 出最大值，这需要使用波形最大、最小子虚拟仪器来处理框图。有效 值显示：在函数信号处理波形测量中选择基本平均直流均方根。 其框图符号如图 3 所示。图 3 有效值和平均值的子程序框图图 3 中， DCvalue 为测量的直流分量 ;RMS为 value 测量有效值 ;rese t 用于重启过去记录的时间信号、 平均测量的参数 ;averagingtype 是 测量中的平均类型，在单个模块 VI 中，可依据输入记录长度自动设 置平均时间 ;Window 是在 DC/RMS计算之前，用于记

19、录时间的窗 ;erro ein 是在该 VI 运行之前描述错误环境， 默认值为 noerror 。如果错误 已经发生，该 VI 在 errorout 端返回错误代码，子 VI 在无错误时才 正常运行。（3）开关部分用一个 while 条件语句设计整个框图程序，当模拟电压开关为 “1”时，虚拟电压表工作，条件语句中的程序开始运行 ; 当模拟开关 为“0”即关时，条件语句中的程序停止运行，虚拟电压表不工作。 设计好的流程图如图 4 所示。图 4 虚拟电压表流程图第三章 数据分析3.1 生成信号设置3.2 显示测量数据3.3 误差分析系统分析虚拟直流电压表针对不同的直流输入，其量程的大小影响测试的 精度，在测量电压时，应使被测电压在量程的 23 以上。一般量程 应选定在被测电压的 3 倍值以上。当输入直流测试信号在 03V时， 测试的量程应选在 10V，其测试的误差基本为 O0012V。交流测试时， 利用信号发生器发出测试信号， 将虚拟电压表和万用表与示波器的测 试值进行比较，虚拟电压表测试值如表 1 所示。在测试中，应注意合 理设置采样率，其是减小测量误差的重要途径。由于电压信号的对称性和周