第4章 数字化电测仪表3

1、电气测量技术1 第4章 数字化电测仪表4.1 概述概述4.2 频率频率/周期的数字化测量周期的数字化测量4.3 相位的数字化测量相位的数字化测量4.4 电压的数字化测量电压的数字化测量4.4 电阻、电容的数字化测量电阻、电容的数字化测量4.6 电功率的数字化测量电功率的数字化测量4.7 微机化仪表微机化仪表back电气测量技术24.5 电阻、电容的数字化测量xssRUER sxsRRUE xxssURRU 第4章 数字化电测仪表电气测量技术34.6 电容的数字化测量 01ficRVVX 0112fixxVfR VCK CxCKKVKV21012back 第4章 数字化电测仪表电气测量技术44.

2、6 电功率的数字化测量Uo 0 K1 接通接通 +UNUo 0 K2 接通接通 +UyUo 0 K2 接通接通 -Uy120()yTT UET201xypxypxyxNR U UEK U UK U R IRU 第4章 数字化电测仪表积分器输出电压：积分器输出电压：由此得到被测电压平均值：由此得到被测电压平均值：同时同时 乘法器输出电压平均值为：乘法器输出电压平均值为：电气测量技术54.6 电功率的数字化测量201xypxypxyxNR U UEK U UK U R IRU 第4章 数字化电测仪表让让Ux是被测负载端电压，是被测负载端电压，Ix是是流经负载的电流，则流经负载的电流，则E0与负与负

3、载上消耗的功率数值成正比，载上消耗的功率数值成正比，可实现功率测量。可实现功率测量。时间分割式乘法器波形图电气测量技术64.7 微机化仪表l 测量过程和控制的测量过程和控制的软件软件化化仪器硬件变得简单、体积与功耗均减小、可靠性提高、仪器硬件变得简单、体积与功耗均减小、可靠性提高、灵活性增强、自动化程度更高。灵活性增强、自动化程度更高。 可实现简单的人机对话、自检、自诊断、自校准、可实现简单的人机对话、自检、自诊断、自校准、LCD或或LED显示和打印输出等。显示和打印输出等。在软件控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，在软件控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，仅改变软件即可。这是传统

4、的纯硬件式仪器所不及的。仅改变软件即可。这是传统的纯硬件式仪器所不及的。 第4章 数字化电测仪表微机化仪表的特点：微机化仪表的特点：电气测量技术7智能仪器最突出的特点，主要表现为能改善测量的准确度智能仪器最突出的特点，主要表现为能改善测量的准确度和对测量结果进行再加工。和对测量结果进行再加工。对测量结果进行在线处理，方便、快速、可避免主观因素对测量结果进行在线处理，方便、快速、可避免主观因素干扰。干扰。 可执行多种算法，实现各种误差的计算与补偿、能校准测可执行多种算法，实现各种误差的计算与补偿、能校准测量仪器的非线性。降低测量误差，提高测量准确度。量仪器的非线性。降低测量误差，提高测量准确度。

5、 l 数据处理能力数据处理能力4.7 微机化仪表 第4章 数字化电测仪表微机化仪表的特点：微机化仪表的特点：电气测量技术8l 多功能化多功能化 增加了仪器的测量功能，是一台纯硬件仪器无法比拟的。增加了仪器的测量功能，是一台纯硬件仪器无法比拟的。 灵活的功能切换、量程切换、算法切换、硬件模块置换、灵活的功能切换、量程切换、算法切换、硬件模块置换、显示方式选择、控制功能增选显示方式选择、控制功能增选l 简单公式简单公式 “仪器仪器=AD/DA+CPU+软件软件”4.7 微机化仪表 第4章 数字化电测仪表微机化仪表的特点：微机化仪表的特点：电气测量技术94.7 微机化仪表 第4章 数字化电测仪表微机

6、化仪表的结构：微机化仪表的结构：电气测量技术10l 仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数仪器仪表技术的发展有两条主线：一条是从模拟仪表、数字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系字化仪表到智能仪表；另一条是从单台仪器、叠架式仪器系统到虚拟仪器。统到虚拟仪器。l 传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号传统的仪器是一个独立的装置，有机箱，操作面板，信号输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指输入输出端，还有开关、旋钮等。检测结果输出的方式有指针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。针式表头、数字式和图形等，可能还有打印输出。l 虚拟仪器一般由三

7、大功能块组成：信号的采集和控制、信虚拟仪器一般由三大功能块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都号的分析与处理以及结果的表达与输出。这些功能块全部都是以硬件是以硬件( (或固化的软件或固化的软件) )的形式存在。的形式存在。 第4章 数字化电测仪表4.7.1 虚拟仪器的概述电气测量技术114.7.1 虚拟仪器的概述l 利用计算机软硬件资源，把仪器的三大功能全部放在计算利用计算机软硬件资源，把仪器的三大功能全部放在计算机上实现。在计算机中插入数据采集卡，用软件在屏幕上生机上实现。在计算机中插入数据采集卡，用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号处理分析

8、，实现传统仪器的成仪器面板，用软件来进行信号处理分析，实现传统仪器的功能，这就是功能，这就是虚拟仪器虚拟仪器。 l 虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。它由虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。它由通用的个人计算机、模块化功能硬件和控制软件组成。通用的个人计算机、模块化功能硬件和控制软件组成。l 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪表的关键。操作者可以通过修改软件的方法，软件才是整个仪表的关键。操作者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有方便地改变、增减仪器系统的功

9、能与规模，所以有“软件就软件就是仪器是仪器”之说。之说。 第4章 数字化电测仪表电气测量技术124.7.2 虚拟仪器的系统构成常用的虚拟仪器系统是数据采集系统、通用接口总线(GPIB)仪器控制系统、VXI仪器系统以及三者间的任意组合。 测试探头信号调理、数据采集卡GPIB接口仪器串行口仪器VXI仪器现场总线设备其它计算机硬件PC 第4章 数字化电测仪表电气测量技术134.7.2 虚拟仪器的系统构成(1)(1)数据采集系统数据采集系统传感器信号调理数据采集卡计算机 数据采集系统框图数据采集系统框图 第4章 数字化电测仪表电气测量技术144.7.2 虚拟仪器的系统构成(2)(2)GPIB仪器控制系

10、统仪器控制系统l通用接口总线通用接口总线GPIB( (General Purpose Interface Bus) )为为PCPC机机与可编程仪器之间的连接系统，定义了电气、机械、功能和与可编程仪器之间的连接系统，定义了电气、机械、功能和软件特性，是虚拟仪器发展的第一阶段。软件特性，是虚拟仪器发展的第一阶段。 l一个典型的一个典型的GPIBGPIB测量系统由一台测量系统由一台PCPC机、一块机、一块GPIBGPIB接口板卡接口板卡和若干台和若干台GPIBGPIB仪器通过标准的仪器通过标准的GPIBGPIB电缆连接而成。电缆连接而成。lGPIBGPIB把可编程仪器与计算机紧密地联系起来，从此电子

11、测把可编程仪器与计算机紧密地联系起来，从此电子测量由独立的、手工操作的单台仪器向组成大规模自动测试系量由独立的、手工操作的单台仪器向组成大规模自动测试系统的方向迈进。统的方向迈进。 第4章 数字化电测仪表电气测量技术154.7.2 虚拟仪器的系统构成GPIB优点优点l可以用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工可以用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，实现自动测试，排除人为因素造成的测试误差，操作方式，实现自动测试，排除人为因素造成的测试误差，提高了可靠性和效率。提高了可靠性和效率。l可以方便地将多台仪器组合起来，形成较大的自动测试系可以方便地将多台仪器组合起来，形成较

12、大的自动测试系统，高效、灵活地完成各种不同规模的测试任务。统，高效、灵活地完成各种不同规模的测试任务。l还可以很方便地扩展传统仪器的功能。因为仪器同计算机还可以很方便地扩展传统仪器的功能。因为仪器同计算机连在一起，仪器测量的结果送到计算机里，在计算机这边增连在一起，仪器测量的结果送到计算机里，在计算机这边增加不同的分析处理算法，就相当于增加了仪器的功能。加不同的分析处理算法，就相当于增加了仪器的功能。 第4章 数字化电测仪表电气测量技术164.7.2 虚拟仪器的系统构成(3)(3)VXI仪器控制系统仪器控制系统lVXI (VME Extension for Instrumentation)总线

13、是一种高总线是一种高速计算机总线速计算机总线VME(VersaModule Eurocard)总线在仪器总线在仪器领域的扩展。领域的扩展。 lVXIbus规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是使规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是使VXIbus器件之间、器件之间、VXIbus器件与其它标准的器件（计算机）器件与其它标准的器件（计算机）之间能够以明确的方式开放地通信；使系统体积更小；通过之间能够以明确的方式开放地通信；使系统体积更小；通过使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备；采使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备；采用通用的接口来实现相似的仪器功能，使系统集成软

14、件成本用通用的接口来实现相似的仪器功能，使系统集成软件成本进一步降低。进一步降低。 第4章 数字化电测仪表电气测量技术174.7.3 虚拟仪器的软件结构测试执行OLE DLLSQCTestReportSPC虚拟仪器仪器驱动软件IEEE488.2VXI/VISADAQ驱动IMAQ驱动VXI仪器DAQ板卡IMAQ板串行仪器GPIB仪器仪器驱动I/O接口仪器硬件测试管理测试程序测试管理层测试程序层仪器驱动层I/O接口层 第4章 数字化电测仪表电气测量技术184.7.3 虚拟仪器的软件结构1、测试管理层(1) (1) 测试管理层是一个带有易于操作界面、用于管理和测试管理层是一个带有易于操作界面、用于管

15、理和执行某一测试任务、与设备无关的测试管理环境。执行某一测试任务、与设备无关的测试管理环境。(2) (2) 为测试系统与操作者交互、被测器件分析、顺序测为测试系统与操作者交互、被测器件分析、顺序测试、分支、循环等提供一个专门的测试运行程序，以密试、分支、循环等提供一个专门的测试运行程序，以密码保护模式对不同部门的操作者提供多层登录访问。码保护模式对不同部门的操作者提供多层登录访问。(3) (3) 测试管理层是一个与设备无关的软件，因而采用开测试管理层是一个与设备无关的软件，因而采用开发式的设计结构就会提供更多的性能和灵活性。用户可发式的设计结构就会提供更多的性能和灵活性。用户可以自行设计开发基

16、于标准化内核，而且能够满足不同要以自行设计开发基于标准化内核，而且能够满足不同要求的测试管理软件层，有效地缩短了设计周期和节约了求的测试管理软件层，有效地缩短了设计周期和节约了开支、维护费用。开支、维护费用。 第4章 数字化电测仪表电气测量技术194.7.3 虚拟仪器的软件结构2、测试程序(虚拟仪器功能模块)层（1 1）由不同的测试系统的组成模块可以发现，针对某一）由不同的测试系统的组成模块可以发现，针对某一产品而开发的功能测试模块是一个有其特殊性的独特的产品而开发的功能测试模块是一个有其特殊性的独特的软件组件，但其大多数的基本元素对所有的测试系统来软件组件，但其大多数的基本元素对所有的测试系

17、统来说都是通用的。说都是通用的。（2 2）目前国外出现了带有大量通用、与设备无关的功能）目前国外出现了带有大量通用、与设备无关的功能模块库的集成化编程环境。虚拟仪器软件开发平台，如模块库的集成化编程环境。虚拟仪器软件开发平台，如NINI公司的公司的LabVIEWLabVIEW和和HPHP公司的公司的VEEVEE等均具有此项特性。在等均具有此项特性。在这些软件中，几乎所有用于测量、控制和通讯模块的程这些软件中，几乎所有用于测量、控制和通讯模块的程序代码均已编写完成，供用户即调即用。序代码均已编写完成，供用户即调即用。 第4章 数字化电测仪表电气测量技术204.7.3 虚拟仪器的软件结构3、仪器驱

18、动层 仪器驱动层是对仪器硬件进行通讯和控制的软件层。仪器驱动层是对仪器硬件进行通讯和控制的软件层。（1 1）过去，这部分都是由用户编写，对每一个仪器硬件）过去，这部分都是由用户编写，对每一个仪器硬件编制特殊的驱动代码，开发周期很长。编制特殊的驱动代码，开发周期很长。（2 2）今天，仪器驱动程序都是按模块化、与设备无关的）今天，仪器驱动程序都是按模块化、与设备无关的方式向用户释放，供用户迅速将仪器链入自己的测试系方式向用户释放，供用户迅速将仪器链入自己的测试系统。统。（3 3）标准化的驱动程序还可以在不同的系统和配置中重）标准化的驱动程序还可以在不同的系统和配置中重复使用，节省了大量的开发费用。

19、复使用，节省了大量的开发费用。 第4章 数字化电测仪表电气测量技术214.7.3 虚拟仪器的软件结构4、I/O接口层 I/O接口软件是测试系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件间连接的底层通讯协议。当今优秀的虚拟仪器软件都建立在一个标准化I/O接口软件组件的通用内核上，为用户提供一个一致的、跨计算机平台的应用编程接口(API)，使用户的测试系统能够自由灵活地选择不同的计算机平台和仪器硬件。 第4章 数字化电测仪表电气测量技术224.7.4 虚拟仪器的软件开发平台lNI公司：公司：LabVIEW 和和LabWindows/CVI lHP公司：公司：VEElTektronix公司：公司：TekT

20、MSl使用使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为简称为VI。VI包括三个部分：程序前面板、框图程序和包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标图标/连接器。连接器。 第4章 数字化电测仪表电气测量技术234.7.4 虚拟仪器的软件开发平台l程序前面板程序前面板 用于设置输入数值和观察输出量，模拟真实仪表的前用于设置输入数值和观察输出量，模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制，输出量被称面板。在程序前面板上，输入量被称为控制，输出量被称为显示。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上。为显示。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上。温度计的前面板温度计的前面板 第4章 数字化电测仪表电气测量技术244.7.4 虚拟仪器的软件开发平台虚拟示波器的前面板虚拟示波器的前面板 第4章 数字化电测仪表电气测量技术254.7.4 虚拟仪器的软件开发平台l框图程序框图程序 每一个程序的前面板都对应着一段框图程序。框图程每一个程序的前面板都对应着一段框图程序。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。序由端口、节点、图框和连线构成。温度计的框图程序温度计的框图程序 第4章 数字化电测仪表电气测量技术264.7.4 虚拟仪器的软件开发平台l图标图标/连接器连接器 图标图标/连接器是子连接器是子VI被其它被其