电子信息工程综合实验

1、电子信息工程综合实验实验报告实验名称：实验一 转速测量与控制实验二 温度测量与控制实验三 电量测量与分析实验四 LabVIEW编程环境与基本操作实验实验五 虚拟信号发生器实验实验六 数据采集实验指导老师： 班级：班姓名： 学号：学院：自动化学院实验一 转速测量与控制一、实验目的1 熟悉速度传感器工作原理2 熟悉硬件设计原理3 熟悉软件编程方法二、实验仪器PC机、示波器、综合实验板、数字表，频率计三、实验设计原理1. 硬件设计原理整体设计框图速度传感器放大整形CPUI/O显示键盘D/A信号放大直流电机图1-1 整体设计方框图其中，图的上半部分为测量部分，下半部分为控制部分CPU： AT89C52

2、I/O：人机接口，7290D/A：5618直流电机：=24v2. 软件设计原理图1-2 软件设计流程图四、实验步骤1. 按实验要求连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。2. 用键盘设置电机转速，从500R/min开始，当数码管显示的当前转速在设定转速附近上下小幅波动时或稳定在设定转速时，用示波器测量TLV5618的OUTB端的信号频率，用万用表测量OUTB端的信号电压、直流电机的输入电压（测试点为f对应m2，VOUTB对应R23，对应m+）.3. 改变设定的转速，依次输入500R/min2500R/min之间的值，重复步骤2。4. 记录数据，处

3、理数据。五、数据的采集和分析1数据采集表1-1 所测参数设定参数R/m/Hz误差/%/v/vA转速方程60035710.8051.445.504.684.944.834.895.25=（R）90052632.5371.917.70120071430.7912.3510.01150086214.2112.7912.16=（R）1800104173.5463.2114.192000116283.1003.5515.872数据分析经过表1-1中数据计算，=4.918（1）在实验数据选择上，设定参数的前五个转速由上而下的以300R/m递增，同时测得数据的值也相应以相似的差值递增，因此，我们设想和转速R

4、成线性关系。设 = aR + c 式其中a和c为未定常量。因为d/Dr = a = /R 式将表1-1中数据代入式和式，可得到表1-2表1-2 参数a和c的值a(10e-3)1.571.471.471.4c0.5530.580.5770.57360.55因此，=1.4775*10e-3=0.56672因此，=1.4775*10e-3 * R +0.56672（2）由表1-1可知，和 成 倍的关系。由（1）中同样的分析方法可得：=7.235*10e-3 * R + 1.23013.用Matlab画出转速特性曲线 （1）（2）实验二 温度测量与控制一、实验目的1熟悉温度传感器；2熟悉温度测量硬件设

5、计原理；3熟悉温度测量软件设计原理。二、实验仪器PC机、示波器、综合实验板、电热水器、数字表三、设计原理1硬件设计原理（1）原理框图图2-1 硬件设计原理框图（2）硬件部分主要包括4块集成芯片、电热水器、温度传感器和双向可控硅等。信号产生与放大温度传感器：图2-2 温度传感器结构示意图本实验是采用的是铂热电阻式温度传感器，它是一种负温度系数热敏电阻（NTC），特点是热电特性稳定，测温准确度高，可作标准热电偶。铂热电阻温度传感器的特点：铂的物理、化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的最好材料。铂丝的电阻值与温度之间的关系在0630.755C范围内为：，B的值在量级。故电阻随温度变化的线性度很好。电

6、阻值随温度T的线性变化将引起铂热电阻两端的电位差的线性变化，从而实现将温度信号转换为电信号。其具体结构如下：图2-3 温度传感器等效电路图 信号放大：传感器的输出电压信号比较小，一般只有几毫伏到几十毫伏，不足以驱动后边与之相连的芯片，并混有许多干扰信号，因此必须将信号放大到与下一极芯片驱动电压相匹配的程度，并去除干扰。该部分的功能是将随温度的变化灵敏度放大200倍，即交流放大倍数为200，使进入AD7865的采样信号变换范围扩大到05V，使数据的处理精度提高。 这部分电路在实验板上是一个集成模块，在电路板下方中部。 其等效电路图为：图2-4 温度传感器放大电路信号采集与处理由于温度传感器输出的

7、信号为模拟量，必须经过模数转换才能为CPU处理。将模拟电信号转换成数字信号的过程称为A/D变换。本实验采用的芯片是AD7856，主要应用在温度测量系统中。芯片特点：高速，低耗，有4个采样通道，同时可以进行4路采样，输出14位位宽的并行数据。转换时间是2.4us，信号分辨率位V。电路连接图：图2-5 信号采集与处理电路原理图单片机：本实验中，单片机的型号使AT89C52，是整个实验的核心，主要负责数据的数据采集、数据处理和显示，并控制直流电机。AT89C52是一款具有低功耗和高性能的、CMOS制造工艺的8位微处理器，有8K字节的FLASH可编程和可擦除只读存储器（PEROM）。有片内2568位内

8、部RAM，32根可编程I/O线，3个16位定时/计数器，八个中断源，和可编程串行通道等。单片机将采集来的数据经过一定的算法处理后，输出给D/A，来控制热水器状态。电路图与实验一相同。状态显示与键值设置本实验中用ZLG7290作为键盘接口和LED显示驱动。特点：串行总线接口，提供键盘中断信号，方便与处理器接口；可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键；8个功能键，可检测任意键的连击次数。因为ZLG7290采用串行总线，而AT89C52内部没有集成总线接口，因此利用软件模拟总线接口功能。控制电路本实验中，要通过设置温度来控制电热水器工作状态，需要将数字信号转换位模拟信号，电路中使用了D/

9、A转换芯片TLV5618。芯片特点：12位双通道串行接口；可编程设置转换时间，高速模式下为2.5us，低速模式下为12us；89C52将保存的设置预期转速值转换成串行数据输出到5618的SDI端，从SDI端输入的数字信号经TLV5618转换成模拟信号，由OUTA端输出。当当前温度值比设定的温度值小于2以下时，OUTA端输出5V，双向可控硅导通，热水器开始加热；当当前温度值比设定的温度值不小于2时，OUTA端输出0V，双向可控硅截止，热水器停止加热。达到闭环控制目的。电路图：图2-6 控制电路原理图（5）电热水器本实验中作为受控对象，受单片机控制。2软件设计原理图2-7 软件设计原理示意图源程序

10、见附录四、实验步骤1按实验要求连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。2用键盘设置一个温度值，当数码管显示的温度与设定值相等时，用万用表测量温度传感器的输出电压和放大后的电压（测试点为：等于T1与T2或T3之间的电位差；等于与参考地之之间的电位差）。3测量电热水器的控制电压。分别测量电热水器工作和停止时的控制电压。4测量温度阀值。由软件设计原理可知，当当前温度比设定温度值不低于2时，电热水器断电停止加热；而当当前温度比设定温度值低于2时，电热水器通电开始加热。我们称刚断电停止加热和重新通电开始加热时的温度称为温度阀值。5设定温度值从2090，每1

11、0设定一个值。重复步骤24。6记录数据，处理数据。五、数据采集与处理表2-1 所测参数t2535455565758590 /mv50252.154.055.957.859.761.662.6 /v2.02.422.813.193.603.994.394.59=(t)0.1904t+45.433=(t)0.0397t+1.0188t= 1 =0.1904 , =0.0397A221205200215.7210210.5200t/7.922e-3 /v4.990.318- /22222222参数的物理意义：温度传感器的变换电压A：增益。A=VoutVt分辨率：AD7865工作使的参考电压为，14位

12、宽度，则此芯片的电压分辨率为，=0.0385 V/,所以温度分辨率为rt=rv/=7.922e-3利用Matlab绘制温度特性曲线：图2-8 温度特性曲线实验三 电量测量与分析一、实验目的1熟悉电压互感器和电流互感器的工作原理2掌握电量测量与分析原理3熟悉电量测量硬件设计原理4熟悉电量测量软件设计方法二、实验仪器PC机、示波器、综合实验板、数字表、电热水器三、实验设计原理1硬件设计原理（1） 电量分析原理实际负载并不是完全的纯电阻特性，是既包括线性的电阻、电容和电感器件，也包括二极管、三极管等非线性器件，所以在220V正弦电压的作用下，负载两端的电流不在是正弦信号，而是含有丰富谐波分量的非正弦

13、周期信号，电量参数的测试较为复杂。但是利用高度集成化的计算电量芯片CS5460A可以方便地设计出一个电量测试系统。为了便于分析测量地数据，现将相关电路理论阐述如下：对于正弦周期信号瞬时电压：瞬时电流：瞬时功率：有效电压：有效电流：有效功率： 视在功率: 无功功率：功率因素：电压与电流的相位差：非正弦周期信号任一周期电流地有效值I定义为： 假设一非正弦周期电流可以分解为傅立叶级数：将带入有效值公式，则得此电流得有效值为：计算得 瞬时功率为：平均功率为：其中：，负载特性：纯阻状态下，i图与u图一样，为正弦波；非纯阻状态下， u图为正弦波，i图为非正弦波。（2） 硬件框图图3-1 硬件原理框图2软件

14、设计原理图3-2 软件设计原理示意图实验程序见附录四、实验步骤1按实验要求连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。2在实验板上测量。将电热水器作为负载接入电路，键盘设置一温度值启动电热水器工作，按实验原理测量电量。 3用示波器测量。记录电压幅、电流幅度值、工作频率，测量电压和电流的相位差，并绘制电压、电流波形图。4分别将显示器和PC主机作为负载，重复步骤2和3。5处理数据，填写表格。6用Matlab画出三种负载的电压和电流波形。五、数据的采集和分析1数据的采集与处理表3-1 实验数据 负载参数热水器主机显示器U /v230226232I /A3.

15、250.40.31S7478873P72464270.970.720.36 /mv185185185 /mA801530T /ms202020u（t）185cos100t185cos100t185cos100ti(t)80cos100t7.5t, &0t2ms15-7.5(t-2) , 2mst4ms-7.5(t-10) , 10mst12ms-15+7.5(t-12) , 12mst14ms0, else-30+15t , 0t2ms0 , 2mst20ms /mv130.81130.81130.81 /mA56.575.4773.919 /018-18实验中，在综合实验板上直接测量的五个数

16、据的含义为：a) 有效电压 U=b) 有效电流 I=c) 视在功率（额定功率）S=UId) 有效功率 P=UI cos （090）e) 功率因数（反映电源利用率） = cos 1在本实验中，热水器可近似为纯阻，因此，热水器的U（t）表达式可以近似为正弦形式，I(t) 表达式也可以近似为正弦形式（如上表1），电流I和电压U相位差为零值。主机运行时，主要表现为容抗，所以电流I和电压U相位差为正值（滞后）。显示器运行时，主要表现为感抗，所以电流I和电压U相位差为负值（超前）。根据示波器上显示的图形，可以将各U（t）和I(t)用上述数学表达式表示（如上表1）2用Matlab画出三种负载的电压和电流波形

17、21热水器图3-3三种负载的电压波形图3-4主机的电流波形图3-5显示器的电流波形图3-6热水器的电流波形实验四 LabVIEW编程环境与基本操作实验一、实验目的1了解LabVIEW 8.2的编程环境。2掌握LabVIEW的基本操作方法，并编制简单的程序。3学习建立子程序的过程。二、实验设备安装有LabVIEW8.2的计算机。三、实验内容1熟悉LabVIEW 8.2 的编程环境。2按照使用手册中的实例进行设计和操作：信号发生器信号的取样和表格生成信号的采样、文件读写和阈值报警四、实验步骤1运行LabVIEW8.2，进入LabVIEW8.2的编程环境。LabVIEW8.2启动后，前面板和程序框图

18、窗口分别如图1和2所示。图4-1 LabVIEW8.2的前面板窗口图4-2 LabVIEW8.2的程序框图窗口2前面板的设计前面板是用户界面，由输入、输出控制和显示三部分组成。控制器是用户输入数据到程序的方法，而显示器显示程序产生的数值。控制器和显示器有许多种类，可以从控制选板的各个子选板中选取。三个实例的前面板设计如下图图4-3 锯齿波信号发生器前面板图4-4 信号测量器前面板图4-5 Batterworth滤波器前面板3程序框图的设计程序框图是图形化的源代码，是虚拟仪器测试功能软件的图形化表述。程序框图由节点、端口和连线组成。LabVIEW8.2的函数选板中，提供了大量的功能函数，可用La

19、bVIEW的工具，在各个函数子选板中取用所需的函数，排列到程序窗口的合适位置。下面是三个实例的程序框图图4-6 锯齿波信号发生器的框图面板图4-7 信号测量器的框图面板图4-8 Batterworth滤波器的框图面板4调试虚拟仪器可利用LabVIEW提供的调试环境对设计的VI进行调试、运行。LabVIEW提供了单步执行、断点、运行、探针工具等调试方法。下面是三个实验的运行结果：图4-9锯齿波信号发生器的波形图4-10 信号测量器的波形和数据图4-11 Batterworth滤波器前后的波形5保存文件将设计好的VI命名并保存为VI文件。实验五 虚拟信号发生器实验一、实验目的学习并掌握LabVIE

20、W 8.2的信号产生、case结构及波形显示控件的使用。二、实验设备1安装有LabVIEW8.2和NI-DAQmx的计算机。2支持NI-DAQmx的数据采集卡PCI6251。3Protek的20MHz示波器。三、实验内容1利用信号产生节点和Case结构创建一个简单的可产生正弦波、方波、三角波和锯齿波的信号发生器。2可设置信号的频率、幅度、相位、占空比。四、实验原理当无法获得真实信号或需要产生与系统相适应的测试信号时，需要利用软件产生仿真信号。仿真信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，如设计一个虚拟信号发生器，可产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等模拟信号。LabVIEW8.2的函数选板提供了丰富

21、的波形函数，可以产生正弦波形、方波、三角波、脉冲波形、扫描波形、随机噪声波形等各种仿真信号波形序列的功能模块，这些功能模块都是用来产生指定的波形。图5-1 信号生成子选板虚拟信号发生器的测试接线图可按图 14-2所示连线。图 5-2 虚拟信号发生器的测试接线图虚拟信号发生器为被测器件或系统提供测试用信号，被测系统对输入激励进行响应，响应的结果由虚拟测试仪器，如虚拟电压表、虚拟示波器、虚拟频率计等进行定量测试。五、实验步骤1打开一个新的前面板，在前面板上，创建包含信号源类型选择、信号频率、信号幅度、信号相位、占空比，以及采样频率、采样点数、波形图显示等前面板对象。下图为最后设计的前面板：图5-3

22、 信号发生器的前面板2在程序框图设计中，使用Case结构选择输出信号类型，4个Case分支输出不同的信号。3可在信号产生子选板中分别选择“正弦波”、“三角波”、“方波”、“锯齿波”函数产生不同的波形。4将X轴的初始值、采样间隔和波形数组捆绑后送波形图显示，波形图的X轴为时间轴。5利用DAQmx Write等函数编写D/A转换程序，通过PCI6251模拟输出端输出信号波形，并利用Protek示波器观察波形。最终的程序框图如下图：图5-4 信号发生器的框图面板实验六 数据采集实验一、实验目的学习使用LabVIEW 8.2进行数据采集的方法。二、实验设备1安装有LabVIEW8.2和NI-DAQmx的计算机。2支持NI-DAQmx的数据采集卡PCI6251。三、实验内容1利用温度传感器进行温度采集实验，编写虚拟仪器的温度测量程序。2利用速度传感器进行转速测试实验，编写虚拟仪器的速度测量程序。四、实验原理数据采集（DAQ），就是将被测对象的各种参量通过各种传感器件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到