实验四基于LabVIEW的虚拟直流电压表设计说明.docx

1、实验四基于LabVIEW的虚拟直流电压表设计说明西华大学实验报告（理工类）开课学院及实验室：电气信息学院电气信息专业实验中心 实验时间：2014年 6 月 11 日学 生 姓 名学 号成 绩学生所在学院年级/专业/班课 程 名 称虚拟仪器技术课 程 代 码6001429实验项目名称基于LabVIEW的虚拟直流电压表设计项 目 代 码实验代码4指 导 教 师王孝平项 目 学 分一、实验目的：1. 理解双积分A/D转换器7109及数字电压表的工作原理。2. 掌握虚拟直流电压表设计的基本方法。3. 测量数据的误差分析。二、实验内容：1. 根据实验指导实现直流电压表的设计。设计要求：测试对象：电位器，

2、外部电压量程：40mV，80 mV，200 mV，400 mV，800 mV，2V，4V，8V。2. 选择电压表不同量程和不同测量对象，进行测量。三、实验器材：1. 1.SJ-8002B电子测量实验箱 1台2双踪示波器（20MHz模拟或数字示波器） 1台3计算机(具有运行windowsXP和LabVIEW软件的能力) 1台4. 万用表（3 1/2位以上） 台5. Q9连接线 根四、实验原理：1. 双积分A/D转换器ICL7109如图4-1为双积分A/D转换器ICL7109实验电路图。图4-1 双积分式A/D转换器7109测量电压原理图2.工作原理整个直流电压表设计主要包括四个部分：7109工作

3、原理，A/D转换时序，增益选择电路，通道输入电路。系统电路图如图42所示：图42 电路图（1）7109工作原理ICL 7109 是双积分式12 位A/D转换器，转换时间由外部时钟周期决定，为10140/58个时钟周期。其主要引脚定义如下： B1B12：12bit的数据输出端OR：溢出判别，输出高电平表示过量程；反之，数据有效。POL：极性判别，输出高电平表示测量值为正值；反之，负值。MODE：方式选择， 当输入低电平信号时，转换器处于直接输出工作方式。此时可在片选和字节使能的控制下直接读取数据；当输入高电平时，转换器将在信号信号握手方式的每一转换周期的结尾输出数据（本实验选用直接输出工作方式）

4、。REF：外部参考电压输入（本实验用其典型值：2.048V）。INL,INH:输入电压端口（有效范围是参考电压的2倍）。OO,OI:外部时钟输入（本实验用其典型值：3.579MHz）。RUN/HOLD_：运行/保持输入, 当输入高电平时,每经8192时钟脉冲完成一次转换；当输入低电平时，完成正在进行的转换，并停在自动调零阶段STATUS：状态输出，输出高电平，表明芯片处于积分和反向积分阶段；输出为低电平，表明反向积分结束，数据被锁存，模拟部分处于自动返回零态阶段。CE/LOAD_：片选，当其为低电平时，数据正常输出；当其为高电平时，所有数据输出端（B1B12、POL、OR）均处于高阻状态。LB

5、EN_：低字节使能，输入低电平时，数据线输出低位字节B1B8。HBEN_：高字节使能，输入低电平时，数据线输出高位字节B9B12及POL、OR的状态值。(2) A/D转换时序 ICL7109直接接口方式的定时图如图4-3所示。图4-3 7109 直接接口方式(3) 增益选择电路待测模拟信号需经过测量放大器进行信号放大，如图4-4所示，通过模拟开关CD4052选择放大器反馈电阻即可进行增益选择，图中共设置了4档增益：0.5、1、2、5。图4-4 测量放大电路 (4) 通道输入电路待测模拟信号从实验箱的外部接线端7109+和7109-输入。另外，为了方便实验，实验箱上提供了通过电位器调节的04V的

6、直流电压。此外为了进行校准测量，还提供了接地(0V)和参考电压(2.048V)输入通道。7109的/转换关系为： (4-1) 式中， A/D转换器输入电压； A/D转换结果的12bit数字量； A/D转换器外部参考输入电压，调节为=2.048V；由式（4-1）可知，若=2.048V ，则即为以mv单位表示了，即 (4-2) 五、设计指导1方案设计本实验基于“SJ8002B电子测量实验箱”的高速数据采集和基于PC机的虚拟仪器软件平台（Labview）构建测量方案，实现直流电压的数字化测量，完成“虚拟交流数字电压表”的设计。整个程序采取顺序结构，依次实现系统的初始化，7109启动，EPP接口通信测

7、试，7109的运行及结果显示。整个设计思路流程图如下：2功能与前面板设计虚拟直流数字电压表主要完成对电位器或外部直流电压的测量与显示。因此，在虚拟仪器界面上需有测量对象的选择，同时，结果测量中，需同时进行表盘和数字显示并通过LED显示出来。根据SJ8002B高速数据采集的主要性能指标，设置10档量程： 40mV、80mV、200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V（对应增益：100 、 50、 20、10、5、2、1、0.5）。界面上设置超量程指示。此外，界面上还需设置测量的启动和退出测量功能。将量程缺省值设为8V。图4-5为前面板设计的参考。图4-5 虚拟直流数字电压表面板启动虚拟

8、仪器labview软件开发环境，建立新的工程文件，打开front Panel设计界面，并存储，由界面文件自动生成相关流程图框架。本程序中需要用到的前面板控件有：表4-1 前面板控件控件类别序号名称位置注释指示类（1）电压显示表盘数值Numeric仪表Meter设置电压表的属性结点，对不同量程进行控制（2）超量程指示灯布尔LEDSRound LED圆形指示灯溢出时点亮（3）电压数字显示框数值Num IndisNumeric Indicator数值显示控件设置属性结点，对不同显示位数进行控制测量选择类（4）量程选择档数值Num Ctrls转盘Dial选择量程（具体见表3-2）（5）测试对象选择档布

9、尔BooleanHorizontalSwitch选择测试对象，具体见表3-3）程序控制类（6）退出ButtonsOK Button控制程序退出 （7）测量ButtonsPush Button控制程序开始 使用量程选择档对量程控制字gain_cw（10进制）进行选择，得到增益gain（10进制），由于7109的输入电压为4V。由于7109的输入电压为4V，故每档量程对应的增益与量程之乘积应为4V。如表4-2所示：表4-2 量程选择档设置量程8V4V2V800mV400 mV200 mV80 mV40 mVgain_cw1617181933343549gain0.5125102050100使用测试

10、对象选择档对测试对象控制字进行控制，由于测试对象只有两种，故将控件设置为布尔量，具体设置如表4-3所示表4-3 测试对象选择档设置控件位置选择布尔值测试对象控制字测试对象（m_what）左边FALSE50电位器右边TRUE1外部电压3动态链接调用本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序实现时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接（即.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。程序设计时，应加入动态链接7109.dll。 实现直流电压测量的驱动函数如表4-4所示：表4-4动态链接序号fp函数实现功能输入参数输出参数返回值动态链接

11、图标1void _stdcall epp_init(void)初始化EPP接口无无在cvidll.dll无2int _stdcall epp_read_check (void)EPP读数检查无无在cvidll.dll0：EPP可正常读数；1：EPP不能读数3int _stdcall run_7109 ( unsigned char m_what, unsigned char gain_cw,double vref, double *rult)运行7109，实现7109的读数及转化m_what:测试对象gain_cw:量程控制字vref:参考电压rult:测量结果在cvidll.dll0：读数有

12、效；2：读数无效，正溢出；3：读数无效，负溢出；4： EPP不能读数4void _stdcall amp_7109 (unsigned char gain_cw, double *gain, int *showdot) 根据量程设置增益和显示位数gain_cw： 量程控制字 gain：量程的增益 howdot：该量程的有效位数（V为单位，showdot为小数点后的位数） 无5void _stdcall indicator_7109 (unsigned char gain_cw, double *indicator_gain,double *indicator_max)根据量程设置7109输入增

13、益，电压表表最大显示数字gain_cw： 量程控制字 gain：量程的增益indicator_gain:7109输入增益indicator_max：表盘最大显示数字无6void _stdcall start_7109 (void)启动7109无无在cvidll.dll无7int _stdcall led_display(double display_data)LED显示display_data：显示数据无在cvidll.dll成功执行后，返回值为0动态链接函数见附录 动态链接调用举例： int led_display(double display_data):在block panel中点击右键

14、：All functionsAdvancedCall library function node. 图4-6 动态链接调用界面双击图图标，将出现如图4-7所示 图4-7 动态链接调用 此时可根据调用函数的路径，参数及名称进行设置进行得到图4-8 图4-8 动态链接设置这样就完成了动态链接的调用及设置。4流程图设计整个程序要求由 “退出”按扭来控制程序的运行与否，因此主框架可以设计为structure中的while循环。由“测量”控制测量与否。如图4-9所示：图4-9 程序总框图（while循环）由于Labview特性是顺序流程，因此，循环内部可以设计为顺序结构。即使用structure中的fl

15、at sequence case。整个设计流程分为四步：（1） EPP初始化：调用动态链接实现，函数无返回值（2） 启动7109：调用动态链接实现，函数无返回值（3） EPP读数检查：由函数返回值判断EPP读数是否成功，当EPP读数成功时进入下一步否则将“测量”键弹起，停止程序。前三步执行如图4-10所示：图4-10 循环内结构 （4） 运行7109：用case结构实现量程和测量对象的选择，作为动态链接函数run_7109的输入，然后把run_7109的输出分别接到表盘和数字显示，并作为led_display的输入，进行led显示。根据7109的返回值判断，当其等于2或者3时，表示超量程，则点

16、亮超量程指示灯，如：当量程选择为case1如图1-11所示：注意：本程序中包含了“显示位数”、“增益”、“indicator_max”三个在前面板被隐藏的控件。 图4-11 7109运行及结果显示4显示 根据采集数据和计算结果，显示在相应的显示窗口。根据被测信号数值，可验证双积分式AD原理和直流电压测量的关系。5调试与测试1.按图4-12所示连接实验系统图4-12实验连接图说明：跳线s101靠右边，接GND 2.虚拟直流电压表的面板如图4-5所示：使用说明：测试对象包括“待测电压”和“电位器(电压)”。当选择电位器(电压)时，即测量虚拟仪器实验平台左下脚电位器的电压,可用万用表在实验箱的“TE

17、ST”点监测。当选择待测电压时，即可测量外加直流电压（由于虚拟直流电压表的最大量程为8V，因此建议使用的直流电压小于8V）。外加直流电压还可以对虚拟仪器实验箱上的电压源： +3.3V 和+5V进行测量。表4-5待测电压量程20mV150mV500mV1.5V3V实际电压(万用表读数)4V2V800mV400mV200mV80mV40mV（）外接不同大小的直流电压信号，用虚拟数字直流电压表对其进行测量，选择不同的量程，对测量结果进行比较和分析，求出相对误差。记录测量值，并填入表4-6：表4-6待测电压量程20mV150mV500mV1 V2V3V实际电压(万用表读数)4V2V800mV400mV200mV80mV40mV