虚拟数字电压表的设计.docx

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虚拟数字电压表的设计

沈阳航空航天大学

课程设计

（论文）

题目虚拟数字电压表的设计

班级

学号03024

学生姓名宋健

指导教师王艳辉

虚拟数字电压表的设计

摘要：

虚拟数字电压表的设计要求设计一个数字电压表主要对正弦波、方波、三角波等各类常常利用波形和直流电压进行测量，测量的参数包括峰值、有效值和平均值，并能显示被测信号的波形。

同时要知足输入信号的采样频率可以调节等实验要求。

关键字：

数据收集；峰值；有效值；平均值

0.前言

传统电子电压表是在万用表的基础上加上放大环节，放大微弱的被测电压，然后再利用磁电式表头进行测量的仪表。

一般由分压器、磁电式表头、检波器、放大器和整机电源五部份组成。

有的电压表为了克服“零漂”现象，采用了斩波式放大器，因此尚未调制器和解调器。

模拟电压表检波方式的不同，有效值电压表、均值电压表和有效值电压表，一般它们各自完成独立的仪表，因此，利用模拟电压表进行交流电压测量时，必需按照测量要求选择仪表。

另外，多数电压表的表头是按正弦有效值刻度的，测量非正弦波时，比如方波等，必需通过换算才能取得正确的结果，这对普通用户是一件超级费时费力的事情。

而利用虚拟仪器技术，用户可以自概念仪器功能，如将表征交流电压特征的峰值、平均值和有效值集中在一块面板上显示，可以将传统的峰值电压表、均值电压表和有效值电压表等多台仪器在一台计算机中实现，同时，用户可以测量包括正弦波在内的多个通道的波形，通过面板指示值对测量结果进行比较分析，大大简化了测量步骤。

1.整体方案设计

基于虚拟仪器技术的数字电压表可以采取电子电压表的设计思想，也可以采用数字电压表的设计思想。

本设计中系统由硬件设备和接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。

本设计中，虚拟仪器开发平台采用，原理框图如图1所示。

计算机发出指令，数据收集部份收集输入的电压信号，收集后的信号有计算机进行存储、处置和显示，显示的结果包括被测电压的峰值、平均值和有效值。

图1基于虚拟仪器技术的数字电压表的原理框图

虚拟数字电压表的硬件设计

数据收集系统的连接

在实验中我用到的实验仪器名称是数据收集系统，仪器编号是分类号是05010526多路选择开关对输入的多路模拟信号进行选择，一个时刻只选择一路模拟信号。

在实验中有8个通道可以选择任一可行通道，另一端接source通道。

该通道能提供不同的波形，正弦波、方波、三角波。

数据收集系统的参数设置

虚拟数字电压表的功能与传统电压表功能是一致的，虚拟数字电压表可以对多路模拟信号进行测试，输入信号的通道和信号模式通过设置参数来实现。

虚拟数字电压表的软件设计

虚拟数字电压表的前面板设计，前面板用于设置输入数值和观察输出量，模拟真实电压表的前面板。

在功能设计时，咱们考虑虚拟数字电压表功能与传统电压表功能的一致性，主要可以对正弦波、方波、三角波等各类常常利用波形进行测量，并能肯定响应值。

因此虚拟数字电压表应具有电源开关控制、波形显示、峰值、有效值和平均值三种结果数值显示，考虑测试精度和速度，应能调节输入信号的采样频率。

虚拟面板直接面向用户，是虚拟数字电压表控制软件的核心。

设计这部份时还要考虑界面美观、操作方便。

波形显示

传统的波形测试方案中，为了检测输入波形转变或失真情况，常常需要连上示波器。

在虚拟数字电压表设计中也设置了波形检测功能。

中图形显示子摸板包括的3种常常利用的波形显示。

（1）图线WaveformChart:

是一种实时趋势图，实时显示一个或几个测量数据，新接收的数据在原有波形的后面持续显示，它的大体数据结构是数据标量或数组。

（2）图形WaveformGraph:

是一种事跋文录图将数组的全数测量数据一次显示完成。

（3）XY图形XYGraph:

描述Y值随X转变的曲线。

XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的转变，它的输入数据结构是两组数据包打包组成的簇。

在设计中，选择WaveformGraph作为输入波形显示和监控。

打开前面板编辑窗口，单击鼠标键，显示控制模板，选择Graph>>WavefoemGraph作为虚拟数字电压表的显示器。

在显示器模板上单击鼠标右键，对其进行属性设置，如按照示波器的频率与幅度值的转变，利用工具模板中的文字工具，对显示器的横坐标和纵坐标的刻度进行设置，如横坐标的时间单位取秒，纵坐标的幅度可以取伏或毫伏。

数据显示

数据输入控件主要用于输入被测信号的采样频率、采样点数；数据输出控件用于输出被测信号通过系统测量处置后取得的信号频率、幅值、相位、峰值、平均值和有效值。

虚拟数字电压表流程图的设计

每一个程序前面板都对应着一个流程图程序。

前面板设计完成后，可进行流程图程序的设计。

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此刻流程图编辑窗口中。

波形显示

对于波形显示，设计中可以采用两个方案。

一是在不利用收集卡的情况下，利用LabVIEW的信号产生功能，创建仿真信号发生器。

二是在利用收集卡的情况下，接入实际的输入信号。

2.数据处置与结果显示

数据处置与结果显示的任务，就是将被测信号的峰值、平均值和有效值等波形参数值显示出来。

平均值显示

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平均值Ū等于零，所以一般咱们不直接测量平均值，而是取交流电压的绝对值，然后求平均值，即全波平均值。

峰值显示

交流电压中的最大值，即为峰值。

可以把数据进行比较求出最大值，需要利用到Wavefoemminmax子程序来处置。

框图符号如图2所示。

其中maxtime和mintime为周期的比较；Ymax和Ymin为电压值的比较。

图2最大值比较和峰值输出子程序图标

有效值显示

在functions>>programming>>waveform>>Analogwaveform>>wavemeasurement选择BasicDC/RMS,如图3所示。

其中，DCvalue测量直流分量；RMSvalue测量有效值；reset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，用于记录时间的窗；errorin是在该VI运行之前描述错误环境，默许值为noerror，若是错误已经发生，该VI在errorout端返回错误代码，子VI在无错误时才正常运行。

图3有效值和平均值输出子程序图标

3.测试结果和结论

为了查验所设计数字电压表的功能，咱们所设计了一个简单测试系统。

一台安装有软件的计算机和一个拥有数据收集系统的数据收集卡。

电脑显示器显示的是设计好的基础虚拟仪器技术的数字电压表的前面板，通过鼠标或键盘可以控制虚拟数字电压表并显示测量数据；数据收集系统同时具有传统的信号发生器的功能，它能够产生不同频率、不同幅度的正弦波、方波和三角波信号。

（1）直流电压的测量

电子电路中的直流电压一般分为两大类：

一类为直流饿电源电压，它具有必然的直流电动势E和等效内阻R；另一类是直流电路中某元器件两头之间的电压差或各点对地的电位。

直流电压的测量一把可采用直接测量法和简介测量法两种。

直接测量法测量时，将虚拟数字电压表直接并联在被测支路的两头，若是虚拟数字电压表的内阻为无穷大，则虚拟数字电压表的示值即是被测支路两点间的电压值；间接测量法则是采用虚拟数字电压表先别离测量两头点的对地电位，然后求亮点的电位差，差值即为要测量的电压值。

（2）正弦波的虚拟信号和实际信号测量

。

图4实际信号测量结果图

图5虚拟信号测量结果图

（3）方波的实际信号和虚拟信号测量图

图6方波的实际信号测量图

图7方波的虚拟信号测量图

（4）三角波的实际信号和虚拟信号仿真结果图

图8三角波的实际信号测量图

图8三角波的实际信号的测量结果图

图9三角波的虚拟信号的测量结果图

图7、八、9别离显示了正弦波、方波和三角波的测试结果。

可以看出结果存在必然的误差。

原因是多方面，其中数据收集点不够多是主要原因。

设计仅从系统构建角度和主要功能上考虑，并未对虚拟电压表的技术指标进行深切研究。

如峰值是取样的最大值，而取样点不可能取太多，不然运行速度太慢，因为显示的峰值与理论值是有不同的；另外数据收集卡输入阻抗较低，对测试结果影响较大的，信号源本身信号的精准度和与数据收集卡的阻抗匹配等诸多参数在设计时还需仔细考虑。

4.结论及进一步假想

设计仅从系统构建角度和主要功能上考虑，并未对虚拟电压表的技术指标进行深切研究。

信号源本身信号的精准度和与数据收集卡的阻抗匹配等诸多参数在设计时还需仔细考虑。

实验进程中并未要求显示信号的频率、相位。

如果要求显示这些时要用到ToneMeasurements可以测量出信号的频率、标准频率和相位。

但要注意在仿真状态下，模拟信号频率是用赫兹或周期数/秒为单位，数字通常利用概念为信号频率和采样频率的比值的标准频率，单位是周期数/采样率。

所以，应当在仿真信号产生框图程序中的信号频率和采样频率之间加载一个除法器。

如果实验要求对失真度进行测量的话实验结果应该更具有说服力。

参考文献

[1]侯国屏.编程与虚拟仪器设计[M].北京：

清华大学出版社，2005

[2]陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建.北京:

电子工业出版社,2006

[3]杨乐平.LabVIEW程序设计与应用[M].2版.北京：

电子工业出版社，2005

[4]崔惠柳.虚拟仪器技术及其新进展.广西科学院学报,2005

[5]王海宝等.LabVIEW虚拟仪器程序设计与应用.四川:

西南交通大学出版社,2005

[6]沈晶.汉字字模的拾取及其在LED显示系统中的应用[J].陕西科技大学学报，2004

课设体会

通过2周的尽力大体上算是完成了实验要求。

这其中有找参考书的盲目也有调试不出现结果的沮丧。

最终在老师和同窗的帮忙下仍是出现了想要的波形虽然有些失真但仍是万分不易啊。

实验结果虽然不是很完美可是还算比较满意的。

在这次课程设计中让我深刻的体会到虚拟仪器的重要性和实用性。

它涉及的理论基础主如果数据收集和数字信号处置。

虚拟控制平台具有实际仪器的功能，大大降低了仪器的开发周期和制作本钱，LabVIEW中其丰硕的前面板资源可以形象传神的显示提取的字符。

[2012年12月27日]

附录基于虚拟仪器技术的数字电压表的流程图