Multisim电路系统设计与仿真第十一章

第十一章热电偶温度测量系统设计Multisim电路系统设计与仿真教程课件CONTENTS设计任务1LabVIEW虚拟仪器设计3电路原理与设计2将Labview导入Multisim中45将Multisim导入LabVIEW内容摘要

本章主要介绍了电热偶温度测量系统的设计，包括电路的原理和设计，labview虚拟仪器的设计以及LabVIEW与Multisim之间的相互导入。11.1设计任务

本设计用K型热电偶设计量程范围为0～100℃的温度显示器，并在电路设计中加入冷端补偿器对冷端温度进行补偿，最后利用LabVIEW设计虚拟仪器显示测量温度值。通过本设计必须掌握以下几点：了解K型热电偶测量温度的方法和电桥补偿法。掌握利用热电偶的原理建立仿真模型。会使用LabVIEW进行编程。11.2电路原理与设计

传感器模型的建立热电偶是把温度转化为电势大小的热电式传感器。表11-1为K型热电偶的分度表，这是在冷端温度为0℃时测定的数值。对大量数据进行分析，可得热电偶的数学模型为

式中，tR表示测量温度；tAMR表示测温参考点。温度（℃）热电动势（mV）0102030405060708090000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71212.13212.55212.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.709表11-1K型热电偶分度表11.2电路原理与设计

根据式（11-1）在Multisim中建立热电偶的仿真模型如图11-1所示。图11-1（a）所示为热电偶示意图；图11-1（b）所示为测温参考点即冷端温度为0℃时的模型；图11-1（c）所示为冷端温度为室温（25℃）时的模型。压控电压源模拟了式（11-1）的系数。图11-1热电偶模型

以上模型只是对热电偶性能的一个近似，是线性的，而实际热电偶的特性表明它具有一定的非线性。11.2电路原理与设计2.温度补偿电路的设计

若用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在0℃的环境中。若冷端温度不是0℃，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。本设计的冷端补偿采用电桥补偿，如图11-2所示，当热电偶自由端的温度升高，导致输出总电势降低时，补偿器感受到自由端的变化，产生一个电位差，其值正好等于热电偶降低的电势，两者互相抵消以达到自动补偿的目的。三极管基极与集电极相连，相当于一个负温度系数的PN结。三极管可选用9013，由于Multisim器件库中没有，选用三极管2N2222代替。图11-2电桥补偿注意：电桥调零时，应使三极管2N2222的参数测量温度为0℃，即此时自由端温度为0℃，不用进行温度补偿。11.2电路原理与设计3.放大电路设计

放大电路部分与13.2节的金属应变片放大电路相似，由仪用放大器和比例放大环节组成，如图11-3所示，其中RW1可调节仪用放大器的放大倍数，RW2用于电路调零。电路设计好后，要进行电桥、比例放大的调零和增益的调整。图11-3放大电路设计11.2电路原理与设计4.直流稳压源设计

电路中的供电电源都采用15V直流电源直接供电。实际应用中，如果希望能通过市电来对电路进行供电，就需要设计直流稳压电路来实现AC/DC的转换，以及稳定供电电压。直流稳压电源电路如图11-4所示。图11-4直流稳压源电路VD2、VD3为输出端保护二极管，是防止输出突然开路而加的放电通路。C3、C4属于大容量的电解电容，一般有一定的电感性，对高频及脉冲干扰信号不能有效滤除，故在其两端并连小容量的电容以解决这个问题。稳压电源最后输出的直流电压约15V。直流稳压电路的输出端接HB/SC连接器，将该电路全部选中，用鼠标右键单击该电路，然后选择用子电路替换，将此子电路的名称设为“Power”，子电路模块的两输出端分别为直流稳压电路的±15V电压输出端。11.2电路原理与设计5.综合电路仿真

综合电路如图11-3所示，其中K模块和Power模块分别为热电偶及热电偶补偿子电路与直流稳压源子电路模块。主放大电路的分析方法在第6章已详细介绍，这里不再重复。下面主要对各子电路模块进行仿真分析。1）热电偶及热电偶补偿子电路分析在图11-2所示的电桥补偿电路中，对三极管2N2222进行温度参数扫描分析，扫描参数设为temp（温度），从0～3℃每隔1℃扫描一个值。输出电压值为三极管的集电极与发射极电压之差，扫描的分析是瞬态分析。分析的结果如图11-5所示，温度每增加1℃，三极管两端电压下降约2mV。图11-5PN结负温度特性11.2电路原理与设计

补偿电桥电路应首先调零，调零的方法是首先双击三极管，打开属性设置对话框，单击“EditModel”按钮，可打开元件模型编辑窗口，如图11-6所示，将参数测量温度设为0℃，然后调节滑动变阻器RW，使电桥两输出端11与IO2之间的电压近似为0。图11-6元件模型编辑窗口11.2电路原理与设计

当自由端温度（即环境温度）为25℃时，将模拟环境温度的V1的值设为25V，将三极管的参数测量温度设为25℃，然后对电路进行参数扫描分析，其设置如图11-7所示，选择模拟温度变化的电压源作为扫描对象，在0～100V的范围内，每隔10V扫描一次，设置扫描直流工作点，输出变量选择子电路的两输出端之差，如图11-7（b）所示。图11-7（a）分析参数设置图11-7（b）输出端设置11.2电路原理与设计

扫描结果如图11-8所示，将该仿真数据与表11-1的K型热电偶分度表进行比较，可知经补偿后，在表11-1所列的各温度下子电路总的输出电压和分度表中的值基本相符。图11-8参数扫描分析结果

注意：因仿真中所用的仿真模型只是对热电偶的近似，所以在自由端温度为0℃的情况下，热电偶模型的输出电压值就有误差，而补偿电桥的设计只是保证0℃时仿真电桥电路的输出为0，所以仿真子电路输出的电压值和K型热电偶分度表的相应值会有一定误差。11.2电路原理与设计2）直流稳压源子电路分析

（1）桥式整流输出电压：整流桥输出接负载后，用示波器观察波形，如图11-9所示。正弦波经整流后输出单一方向的波动。图11-9整流桥输出11.2电路原理与设计（2）滤波后输出电压：整流桥后接滤波器，输出接电阻后电路输出波形如图11-10所示。由图可以看出，交流成分减小，但仍然存在小的波动。图11-10滤波后输出11.2电路原理与设计（3）接三端稳压后输出：接三端稳压后，正端接负载后的输出电压基本稳定。（4）电压调整率：输入220VAC，变化范围为＋15%～－20%，所以电压波动范围为176～253V。在额定输入电压下，当输出满载时，调整输出电阻，使电流约为最大输出电流，即0.1A，得满载时电阻为138W。当输入电压为176V、负载为138W时，输出电压U1为14.832V；当输入电压为220V、负载为138W时，输出电压Uo为14.839V；当输入电压为253V，负载为138W时，输出电压U2为14.842V。取U为U1和U2中相对Uo变化较大的值，则U=14.832，所以电压调整率：（5）电流调整率：设输入信号为额定220VAC，当输出满载（138W）时，输出电压Uo为14.839V；当输出空载时，输出电压U为12.26V；当输出为50%满载时，输出电压Uo为14.98V，所以电流调整率：11.2电路原理与设计（6）纹波电压：在额定220VAC下，输出满载，即负载电阻为138W时，在示波器中观察输出波形，如图11-11所示。因只选择了观察交流成分，所以所观察到的信号即纹波电压信号，其峰-峰值为795.74uV。图11-11波纹电压示意图

电路分析完成后，对电路进行仿真得到实验结果见表11-3。表11-3实验数据温度/℃01020304050电压/mV0.0495317.94612.84323.7431.63739.534温度/℃60708090100

电压/mV47.43155.32863.22571.12279.01311.3LabVIEW虚拟仪器设计将11.2节中表11-3的数据经Matlab多项式拟合后，得式（11-3）：

（11-3）反解得到

（11-4）根据式（11-4）可得建立本设计子VI的步骤如下。11.3LabVIEW虚拟仪器设计

（1）从开始菜单中运行“NationalInstrumentsLabVIEW2015”，在启动窗口左边的Files控件里，选择NewVI或使用快捷键Ctrl+N建立一个新程序。（2）框图程序的绘制：设计的子程序框图如图11-12所示。本设计关于数据的转换采用除了前面的两种方法的另一种方法设计程序框图，用这种方法设计的子程序在接口电路设计时不用考虑数据转换。由前面设计的方法想到利用ForLoop进行两次自动索引，便可以使数据变为单个值显示，这里省去了矩阵索引函数。需要注意的是，后面的数据通道不能设为自动索引，否则输出将不再是单个数值。图中Uo为时域信号采集器，它将电压的波形提取出来，再将连续电压值作为VI的输入。时域信号的采集器由控制模板I/O模块里的波形函数经矩阵化而成。连续的电压波形在外层For循环内必须加一个波形元素提取模块把Y值提取出来，否则数据在里层For循环中不能利用自动索引，达不到数据转换的目的。根据式（11-4）在里层For循环中用常数和运算函数构建程序框图，输出包括电压数显和温度计。图11-12子程序框图11.3LabVIEW虚拟仪器设计（3）定义图标与连接器：双击右上角图标进行编辑。用鼠标右键单击前面板窗口中的连接器窗格，在Pattern中选择双输入双输出的模式，左边窗格与与时域波形采集器相关联，右边窗格分别与电压数显模块和温度计相关联。完成上述工作后，将设计好的子VI保存。11.4将Labview导入Multisim中1.虚拟仪器的设计

关于虚拟仪器的研究及LabVIEW仪器向Multisim的导入的原理请参照第8章的内容。本设计中虚拟仪器的设计与导入分以下几个步骤。（1）把Multisim安装目录下Samples/LabVIEWInstruments/Templates/Input文件夹复制到另外一个地方。（2）在LabVIEW中将步骤（1）中所复制的StarterInputInstrument.lvproj工程重新命名为proj3..lvproj。（3）打开proj3.lvproj工程后，将StarterInputInstrument.vit重新命名为proj3.vit，将StarterInputInstrument_multisimInformation.vi重新命名为proj3_multisimInformation.vi。

11.4将Labview导入Multisim中

（4）双击打开proj3.vit，在程序框图面板上完成对框图的设计。在数据处理部分，选择CASE结构下拉菜单中的“UpdateDATA”选项进行修改，在结构框中右键点击选择SelectaVI，把在LabVIEW完成的子VI添加在“UpdateDATA”选项中，子VI输入端Input与Multisim的仪器的输入端相连，在子VI的输出端单击鼠标右键创建指示器，并设置室温T0为“25”，如图11-13所示。图11-13数据处理部分框图11.4将Labview导入Multisim中

程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了要完成功能外，还要兼顾美观。设计好的前面板如图11-14所示。完成修改后点击保存。图11-14前面板设计11.4将Labview导入Multisim中

（5）注意，虚拟仪器信息的设置也可在InstrumentTemplate下proj3.vit的程序框图里设计，如图11-15所示。打开proj3_multisimInformation.vi，在程序框图面板中将仪器ID和显示名称填入唯一的标志，如一起设为Plotterhxx3。同时把输入端口数设为“1”，因为只有一个电压输入；把输出端口设为“0”，此模块不需要输出，修改后的程序框图面板如图11-16所示。设置完后点击保存。图11-15ID号设置的另一种方法图11-16虚拟仪器基本信息设置11.4将Labview导入Multisim中6）展开BuildSpecifications，用鼠标右键单击“SourceDistribution”，选择属性设置，在保存目录和支持目录中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如proj3（.lib）。同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目，如图11-17所示。属性设置完成点击Build，在弹出的菜单中选择“Done”即可。（7）仪器创建完成后，在Input文件夹下生成一个Build文件夹，打开后把里面的文件复制到NationalInstruments>>CircuitDesignSuite14.0>>lvinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入，当再打开Multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示所设计的模块（Plotterhxx3）。图11-17编译属性设置11.4将Labview导入Multisim中2.测试仪器功能

打开热电偶的测温电路，把设计好的显示模块接电路输出，电路调零后得如右图11-18所示的在不同温度下的验证结果，可见误差较小。（a）20℃（d）90℃（c）70℃（b）50℃11.5将Multisim导入Labview1.在Multisim中添加LabVIEW交互接口

这些Multisim中的接口是分级模块(HierarchicalBlock)和子电路(Sub-Circuit)接口(Hierarchicalconnector)，用来与LabVIEW仿真引擎之间进行数据收发。1）右键点击鼠标并从弹出的快捷菜单中选择Placeonschematic/Hierarchicalconnector。如图11-19所示。放置一个接口在电路图的左上方，另一个放置在右上方。按照图11-20将电路与接口连接起来。图11-19选择交互接口图11-20接口电路11.5将Multisim导入Labview2）设置接口：打开View菜单下的LabVIEWCo-simulationTerminals窗口，设置针对LabVIEW的输入或者输出。为了将各个接口配置为输入或者输出，在模式设置中选择所需要的选项，然后可以在类型设置中将各个接口设置为电压或者电流输入/输出。最后，如果你想将放置的输入输出接口设置为不同的功能对，你可以选择NegativeConnection。将IO1配置为输入，然后将IO2配置为输出。如果希望改变这个MultisimVI中输入与输出接口的名字，可以修改LabVIEWTerminal设置中的文本，本次仿真中分别为输入和输出模块更改为位移和电压。如图11-21所示为设置好的LabVIEWCo-simulationTerminals窗口，图11-22为即将被Labview调用的MultisimdesignVIpreview图标。图11-21设置接口图11-22设置好的MultisimdesignVIpreview11.5将Multisim导入Labview3）保存Multisim设计于一个常用的位置，这样可以在编写LabVIEW的时候再次调用它。现在可以进行LabVIEWVI的编程，以完成与Multisim的通讯。11.5将Multisim导入Labview2.在Labview中创建一个数字控制器1）打开Labview创建一个新的VI后，在程序框图（后面板）中右键点击，打开函数选板，浏览到ControlDesign&Simulation»Simulation»Control&SimulationLoop。左键点击，并将其拖放到程序框图上。如图11-23所示。图11-23放置控制与仿真模块11.5将Multisim导入Labview2）要修改控制仿真循环的求解算法和时间设置，双击输入节点，打开ConfigureSimulationParameters窗口。输入如图11-24的参数；在这些选项中使用本文后面提供参数，可以有效地在LabVIEW的波型图表中显示数据。也可以根据自己的需求改变这些参数。图11-24节点参数设置11.5将Multisim导入Labview3）在VI中添加仿真挂起(HaltSimulation)函数来停止控制仿真循环。右键点击，打开函数选板，浏览到ControlDesign&Simulation»Simulation»Utilities»HaltSimulation。左键点击，并将其拖放到程序框图上，然后在布尔输入上右键点击并选择Create»Control。这样就可以在VI的前面板上创建一个布尔控件来控制程序的挂起，来停止仿真VI的运行。如图11-25所示。图11-25添加HaltSimulation函数11.5将Multisim导入Labview3.放置MultisimDesignVIMultisimDesignVI是管理LabVIEW和Multisim仿真引擎之间通讯的。1）右键点击，打开函数选板，浏览到ControlDesign&Simulation»Simulation»ExternalModels»Multisim»MultisimDesign，左键点击，并将其拖放到控制与仿真循环之中，注意，这个VI必须放置到控制仿真循环中。将MultisimDesignVI放置到程序框图上以后，会弹出选择一个Multisim设计（SelectaMultisimDesign）对话框。在对话框中你可以直接输出文件的路径，或者浏览到文件所在的位置来进行指定。MultisimDesignVI会生成接线端，接线端的形式与Multisim环境中的MultisimDesignVI预览一致，具有相对应的输入与输出。如果接线端没有显示出来。左键点击下双箭头，展开接线端。11.5将Multisim导入Labview2）要向Multisim中的电路传送数据，必须首先在前面板上创建一个数字控件。可以通过右键点击输入接线端，然后选择Create»Control来方便地完成创建命令。这样就能够在程序框图中放置一个数字控件的接线端，并且该接线端已经连接到了MultisimVI的输入上。程序框图中的控件在前面板上有一个对应的控件,此时可以随意调整它的大小或者移动它，使前面板更加美观，或者可以右键点击该控件，选择Replace»Silver»Numeric，可以选择转盘、旋钮、滑动杆等需要的数字控件外观。调用Labview子VI：在Labview的程序框图中，右键点击选择SelectaVI，将前面设计好的子VI，放在控件与仿真循环中。11.5将Multisim导入Labview3）分别为MultisimDesignVI和Labview子VI创建显示控件。右键点击输出接线端，然后选择Create»Indicator来完成创建命令。在控件上单击右键选择ViewasIcon，可使控件显示为图标形式，如图