《Multisim电路系统设计与仿真教程》课件-第九章 小型称重系统设计

第九章小型称重系统设计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测量电路原理与设计2将Labview虚拟仪器导入到Multisim45将Multisim导入Labview内容提要

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通过上一章对于LabVIEW和Multisim的学习，本章将通过这两个软件进行实物的制作，拟在利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置，在LabVIEW虚拟仪器中运用应变片和测量电路（是在Multisim中仿真设计的）搭成，目的是通过测量系统直接显示称重值。9.1设计任务

本例是利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置。硬件部分包括应变片模型和测量电路（是在Multisim中仿真设计的），软件显示与分析部分由LabVIEW虚拟仪器完成。整个测量系统的仿真全部在软件环境中完成，最终测量系统可直接显示称重值。本设计完成过程中需要掌握以下5点。掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂、全桥电桥工作原理和性能学会利用应变片原理建立仿真模型比较单臂与全桥电桥的不同性能，了解其特点学会使用全桥电路会使用G语言编程实现虚拟仪器的功能9.2测量电路原理与设计

1）传感器模型的建立

电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值将随着压力所产生的变化而变化。对于金属导体，电阻变化率的表达式为（9-1）式中，为材料的泊松系数；为应变量。通常把单位应变所引起电阻相对变化称作电阻丝的灵敏系数，对于金属导体，其表达式为（9-2）所以（9-3）9.2测量电路原理与设计

在外力作用下，应变片产生变化，同时应变片电阻也发生相应变化。当测得阻值变化为R时，可得到应变值，根据应力与应变关系，得到应力值为（9-4）式中，为应力；为应变量（为轴向应变）；E为材料的弹性模量（kg/mm2）。又重力G与应力的关系为（9-5）式中，G为重力；S为应变片截面积。根据以上各式可得到（9-6）由此便得出了应变片电阻变化与重物质量的关系，即（9-7），(9.2测量电路原理与设计

，(根据应变片常用的材料（如康铜）取

k0=2；E=16300kg/mm2；S=1cm2=100mm2；R=348；g=10.8m/s2所以在Multisim中可以建立以下模型来代替应变片进行仿真，如图9-1所示。在图9-1中，R1模拟的是不受压力时的电阻值R0，压控电阻用来模拟电阻值的变化，V可理解为重物的质量m（kg）。当V反接时，表示受力相反。2）桥路部分电路原理电阻应变计把机械应变转换成R/R后，应变电阻变化一般都很微小，这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的R/R变化转换成电压或电流变化。通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。9.2

测量电路原理与设计

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图9-1金属丝式应变片模型图9-2直流电桥通过电桥平衡以及相对两臂电阻乘积相等推理出电桥电压灵敏度

（9-11）从上式分析可以发现：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高。但是，供电电压的提高受到应变片的允许功耗的限制，所以一般供电电压应适当选择。

9.2

测量电路原理与设计

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电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，因此必须恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。由求Sv的最大值，由此得（9-12）求得n=1时，Sv最大。也就是供电电压确定后，当R1=R2，R3=R4时，电桥的电压灵敏度最高，此时可得到：（9-13）

（9-14）由上式可知：当电源电压Ui和电阻相对变化R/R一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。由于上面的分析中忽略了，所以存在非线性误差，解决的办法有如下两种。提高桥臂比：提高了桥臂比，非线性误差可以减小，但从电压灵敏度考虑，灵敏度将降低，这是一种矛盾。因此，采用这种方法的时候应该适当提高供桥电压Ui。9.2测量电路原理与设计

，(采用差动电桥：根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，另一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上，成为半桥差动电路，则电桥输出电压Uo为（9-15）若，R1=R2，R3=R4，则有（9-16）由此可知:和成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电压灵敏度为,比使用一只应变片提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。若将电桥四臂接入4个应变片，即两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的接入相对臂上，则构成全桥差动电路，若满足R1=R2=R3=R4，则输出电压为（9-17）（9-18）9.2测量电路原理与设计

由此可知，差动桥路的输出电压Uo和电压灵敏度是用单片时的4倍，是半桥差动电路的2倍。因为采用的是金属应变片测量，所以本设计采用全桥电路，能够有比较好的灵敏度，并且不存在非线性误差。

3）放大电路原理

由两级放大器组成，第一级由集成运放A1、A2组成，由于采用同一型号的运放，所以可进一步降低漂移。电阻R1、R2和R3组成同相输入式并联差分放大器，具有非常高的输入阻抗。第二级是由A3和4个电阻R4、R5、R6和R7组成的反相比例放大器，它将双端输入变成单端输出。阻值：R1=R3，R4=R5，R6=R7。根据运算电路基本分析方法，可得到输出电压（9-19）为了方便调节，再加一级比例放大器，同时将仪用放大电路输出的信号反相，如图9-4所示。RW为调零电阻。，(9.2测量电路原理与设计

4）综合电路设计至此，基于金属电阻应变片的压力测量电路设计完成，如图9-5所示。图中U1、U2、U3、U4指的是同一电压U（因考虑电路绘制的方便及电路元件的符号不能重复，所以分开标号），它用来模拟物体质量m。由以上分析可知采用全桥电路能够有比较好的灵敏度，并且不存在非线性误差，所以由4个应变片中2个受拉，2个受压，可组成全桥电路，应变片的受拉受压情况如图中标注。，(、图9-3仪用放大电路9.2测量电路原理与设计

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图9-4比例放大电路、9.2测量电路原理与设计

，(、9.2测量电路原理与设计

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在图13-5中，RW1为一调零电位器，用来调节电桥平衡。由于被测应变片的性能差异及引线的分布电容的容抗等原因，会影响电桥的初始平衡条件和输出特性，因此必须对电桥预调平衡，图中用了电阻并联法进行电桥调零。电阻R5决定可调的范围，R5越小，可调的范围越大，但测量误差也大。RW2为增益调节电位器；RW4是放大电路调零电位器。电路中所选用的放大器是OP07CP，它是一种低噪声、低偏置电压的运算放大器。此外，二极管VD3、VD4可对电路起到保护作用。5）综合电路仿真将仪用放大电路的两个输入端接地，滑动变阻器RW2调到最小值，即使放大电路的放大倍数调到最大，然后调节RW4，使电路的输出近似为零。放大电路部分调零完成后，再和电桥电路相连，将模拟物体质量的电压源的值设为零，调节RW1，使电路的输出为零，从而完成电桥调零。电路参数调好以后，即可对电路进行仿真。

9.2测量电路原理与设计

，(、直流工作点分析直流扫描分析

图9-8直流扫描设置9-7综合电路直流工作点分析结果9.2测量电路原理与设计

，(、交流分析

图9-9质量变化时输出电压的变化曲线9.2测量电路原理与设计

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图9-10放大电路交流分析结果9.2测量电路原理与设计

，(图9-11傅里叶分析设置、图9-12100mV交流源的傅里叶仿真结果傅里叶分析

9.2测量电路原理与设计

，(、、图9-131V交流源的傅里叶分析结果图9-14噪声分析设置图9-15噪声分析结果9.2测量电路原理与设计

，(、（a）分析参数设置图9-17参数扫描仿真结果图9-16参数扫描设置（b）输出变量设置9.2测量电路原理与设计，(、

图9-18温度扫描设置6）实验数据处理温度扫描分析9.2测量电路原理与设计

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表9-1实验结果9.3LabVIEW虚拟仪器设计

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根据设计的要求，在显示模块中需要显示电子电路的输出电压Uo，应变片受压后电阻的变化的绝对值R（受拉为+R，受压为R）和最终度量的量——重物的质量m。此外，在显示模块中，又加入一些参数的显示，如灵敏系数k0、弹性模量E、应变片截面积S和电阻值R0。由上面的分析可知（9-33）（9-34）根据以上两个式子，可建立一个子VI，具体步骤如下：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。

9.3LabVIEW虚拟仪器设计

，(、框图程序的绘制

如图9-20所示，Uo是Multisim中所设计的电路图的输出电压。添加方法为在前面板中单击鼠标右键打开控制模板，如图9-21所示，选数型结构下的数字控制元件，修改名称为Uo，它在框图面板下以图标形式显示，从节省空间方面考虑，在图标上单击鼠标右键，取消选择“ViewAsIcon”，则显示形式如图9-20所示，以下框图都采用非图标显示形式。

图9-20子VI设计9.3LabVIEW虚拟仪器设计

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常量9.8是重力加速度g（单位m/s2），程序中除以9.8后输出为质量，单位是kg，再乘以1000后，输出单位为g。其他各常量如图9-20所示，在各常量上单击鼠标右键选择创建指示器，并相应改变名称，如弹性模量E、应变片面积S等。运算函数可在功能面板中选择，如乘除运算等，如图9-22所示。放置好元件后，根据功能完成连线，在前面板中可将最后输出端接图9-21中所示的meter指示器，作为质量的显示仪表。以上各模块均为橘黄色，表示数据类型为双精度类型。

9.3LabVIEW虚拟仪器设计

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图9-22运算函数图9-21控制模板Numeric子模板9.3LabVIEW虚拟仪器设计

，(、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中选择六输入六输出的模式并建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联，左边窗格与Uo关联，右边窗格与输出质量显示、灵敏度k0、弹性模量E、R、R、应变片面积S相关联。完成上述工作后，将设计好的子VI保存。下次调用该VI时，图标与端口如图9-23所示。图9-23

子VI图标与端口9.4将Labview虚拟仪器导入到Multisim

，(、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。把Multisim安装目录下Samples/LabVIEWInstruments/Templates/Input文件夹复制到另外一个地方。在LabVIEW中将步骤（1）中所复制的StarterInputInstrument.lvproj工程重新命名为proj1..lvproj。打开proj1..lvproj工程后，将StarterInputInstrument.vit重新命名为proj1.vit，将StarterInputInstrument_multisimInformation.vi重新命名为proj1_multisimInformation.vi。双击打开proj1.vit，在程序框图面板上完成对框图的设计。9.4将Labview虚拟仪器导入到Multisim

，(图9-24显示仪板的程序框图、9.4将Labview虚拟仪器导入到Multisim

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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9-25所示。完成修改后点击保存。

图9-25前面板设计9.4将Labview虚拟仪器导入到Multisim

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图9-26虚拟仪器的设置、打开proj1_multisimInformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。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Plotterhxx11。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9-26所示。设置完后点击保存。9.4将Labview虚拟仪器导入到Multisim

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proj1（.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9-27所示。属性设置完成点击Build，在弹出的菜单中选择“Done”即可。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（plotterhxx11）。，(、9.4将Labview虚拟仪器导入到Multisim

，(、图9-27

编译属性设置9.4将Labview虚拟仪器导入到Multisim

，(、2）测试仪器功能打开Multisim，把设计好的电路和显示模块连接，电路调零后，进行仿真，验证电路设计及显示模块的设计是否合理。图9-28所示为20g和120g重物的仿真，可以看出设计基本符合要求。图9-28

设计结果9.5将Multisim导入Labview

，(、1）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。右键点击鼠标并从弹出的快捷菜单中选择Placeonschematic/Hierarchicalconnector。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9-29将电路与接口连接起来。设置接口：打开View菜单下的LabVIEWCo-simulationTerminals窗口，设置针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出/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9.5将Multisim导入Labview

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图9-29接口电路、9.5将Multisim导入Labview

，(、分别为输入和输出模块更改为质量和显示。如图9-30所示为设置好的LabVIEWCo-simulationTerminals窗口，图9-31为即将被Labview调用的MultisimdesignVIpreview图标。图9-30设置接口图9-31设置好的MultisimdesignVIpreview9.5将Multisim导入Labview

，(、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。2）在Labview中创建一个数字控制器：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9-32所示。图9-32放置控制与仿真模块9.5将Multisim导入Labview

，(、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9-33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图9-33节点参数设置9.5将Multisim导入Labview

，(、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9-34所示。图9-34添加HaltSimulation函数9.5将Multisim导入Labview

3）放置MultisimDesignVI

MultisimDesignVI是管理LabVIEW和Multisim仿真引擎之间通讯的。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