第4章 數(shù)字化電測儀表

.,1,第4章數(shù)字化電測儀表,4.1概述4.2頻率/周期的數(shù)字化測量4.3相位的數(shù)字化測量4.4電壓的數(shù)字化測量4.4電阻、電容的數(shù)字化測量4.6電功率的數(shù)字化測量4.7微機化儀表,back,.,2,4.5電阻、電容的數(shù)字化測量,2）比率法,1）比例運算法,第4章數(shù)字化電測儀表,.,3,4.6電容的數(shù)字化測量,2)脈寬調制法,back,1)容抗法,第4章數(shù)字化電測儀表,.,4,4.6電功率的數(shù)字化測量,Uo0K1接通+UNUo0K2接通+UyUo0K2接通-Uy,第4章數(shù)字化電測儀表,單相功率測量,積分器輸出電壓：,由此得到被測電壓平均值：,同時,乘法器輸出電壓平均值為：,.,5,4.6電功率的數(shù)字化測量,第4章數(shù)字化電測儀表,讓Ux是被測負載端電壓，Ix是流經負載的電流，則E0與負載上消耗的功率數(shù)值成正比，可實現(xiàn)功率測量。,時間分割式乘法器波形圖,.,6,4.7微機化儀表,測量過程和控制的軟件化儀器硬件變得簡單、體積與功耗均減小、可靠性提高、靈活性增強、自動化程度更高?？蓪崿F(xiàn)簡單的人機對話、自檢、自診斷、自校準、LCD或LED顯示和打印輸出等。在軟件控制方式下，改換儀器功能并不需要更換硬件，僅改變軟件即可。這是傳統(tǒng)的純硬件式儀器所不及的。,第4章數(shù)字化電測儀表,微機化儀表的特點：,.,7,4.7微機化儀表,第4章數(shù)字化電測儀表,微機化儀表的特點：,.,8,多功能化增加了儀器的測量功能，是一臺純硬件儀器無法比擬的。靈活的功能切換、量程切換、算法切換、硬件模塊置換、顯示方式選擇、控制功能增選簡單公式,“儀器=AD/DA+CPU+軟件”,4.7微機化儀表,第4章數(shù)字化電測儀表,微機化儀表的特點：,.,9,4.7微機化儀表,第4章數(shù)字化電測儀表,微機化儀表的結構：,.,10,儀器儀表技術的發(fā)展有兩條主線：一條是從模擬儀表、數(shù)字化儀表到智能儀表；另一條是從單臺儀器、疊架式儀器系統(tǒng)到虛擬儀器。傳統(tǒng)的儀器是一個獨立的裝置，有機箱，操作面板，信號輸入輸出端，還有開關、旋鈕等。檢測結果輸出的方式有指針式表頭、數(shù)字式和圖形等，可能還有打印輸出。虛擬儀器一般由三大功能塊組成：信號的采集和控制、信號的分析與處理以及結果的表達與輸出。這些功能塊全部都是以硬件(或固化的軟件)的形式存在。,第4章數(shù)字化電測儀表,4.7.1虛擬儀器的概述,.,11,4.7.1虛擬儀器的概述,利用計算機軟硬件資源，把儀器的三大功能全部放在計算機上實現(xiàn)。在計算機中插入數(shù)據采集卡，用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進行信號處理分析，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，這就是虛擬儀器。虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個人計算機儀器。它由通用的個人計算機、模塊化功能硬件和控制軟件組成。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀表的關鍵。操作者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說。,第4章數(shù)字化電測儀表,.,12,4.7.2虛擬儀器的系統(tǒng)構成,常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據采集系統(tǒng)、通用接口總線(GPIB)儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及三者間的任意組合。,第4章數(shù)字化電測儀表,.,13,4.7.2虛擬儀器的系統(tǒng)構成,(1)數(shù)據采集系統(tǒng),數(shù)據采集系統(tǒng)框圖,第4章數(shù)字化電測儀表,.,14,4.7.2虛擬儀器的系統(tǒng)構成,(2)GPIB儀器控制系統(tǒng),通用接口總線GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)為PC機與可編程儀器之間的連接系統(tǒng)，定義了電氣、機械、功能和軟件特性，是虛擬儀器發(fā)展的第一階段。一個典型的GPIB測量系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口板卡和若干臺GPIB儀器通過標準的GPIB電纜連接而成。GPIB把可編程儀器與計算機緊密地聯(lián)系起來，從此電子測量由獨立的、手工操作的單臺儀器向組成大規(guī)模自動測試系統(tǒng)的方向邁進。,第4章數(shù)字化電測儀表,.,15,4.7.2虛擬儀器的系統(tǒng)構成,GPIB優(yōu)點,可以用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，實現(xiàn)自動測試，排除人為因素造成的測試誤差，提高了可靠性和效率?？梢苑奖愕貙⒍嗯_儀器組合起來，形成較大的自動測試系統(tǒng)，高效、靈活地完成各種不同規(guī)模的測試任務。還可以很方便地擴展傳統(tǒng)儀器的功能。因為儀器同計算機連在一起，儀器測量的結果送到計算機里，在計算機這邊增加不同的分析處理算法，就相當于增加了儀器的功能。,第4章數(shù)字化電測儀表,.,16,4.7.2虛擬儀器的系統(tǒng)構成,(3)VXI儀器控制系統(tǒng),VXI(VMEExtensionforInstrumentation)總線是一種高速計算機總線VME(VersaModuleEurocard)總線在儀器領域的擴展。VXIbus規(guī)范是一個開放的體系結構標準，其主要目標是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其它標準的器件（計算機）之間能夠以明確的方式開放地通信；使系統(tǒng)體積更?。煌ㄟ^使用高帶寬的吞吐量，為開發(fā)者提供高性能的測試設備；采用通用的接口來實現(xiàn)相似的儀器功能，使系統(tǒng)集成軟件成本進一步降低。,第4章數(shù)字化電測儀表,.,17,4.7.3虛擬儀器的軟件結構,測試管理層測試程序層儀器驅動層I/O接口層,第4章數(shù)字化電測儀表,.,18,4.7.3虛擬儀器的軟件結構,1、測試管理層(1)測試管理層是一個帶有易于操作界面、用于管理和執(zhí)行某一測試任務、與設備無關的測試管理環(huán)境。(2)為測試系統(tǒng)與操作者交互、被測器件分析、順序測試、分支、循環(huán)等提供一個專門的測試運行程序，以密碼保護模式對不同部門的操作者提供多層登錄訪問。(3)測試管理層是一個與設備無關的軟件，因而采用開發(fā)式的設計結構就會提供更多的性能和靈活性。用戶可以自行設計開發(fā)基于標準化內核，而且能夠滿足不同要求的測試管理軟件層，有效地縮短了設計周期和節(jié)約了開支、維護費用。,第4章數(shù)字化電測儀表,.,19,4.7.3虛擬儀器的軟件結構,2、測試程序(虛擬儀器功能模塊)層（1）由不同的測試系統(tǒng)的組成模塊可以發(fā)現(xiàn)，針對某一產品而開發(fā)的功能測試模塊是一個有其特殊性的獨特的軟件組件，但其大多數(shù)的基本元素對所有的測試系統(tǒng)來說都是通用的。（2）目前國外出現(xiàn)了帶有大量通用、與設備無關的功能模塊庫的集成化編程環(huán)境。虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等均具有此項特性。在這些軟件中，幾乎所有用于測量、控制和通訊模塊的程序代碼均已編寫完成，供用戶即調即用。,第4章數(shù)字化電測儀表,.,20,4.7.3虛擬儀器的軟件結構,3、儀器驅動層儀器驅動層是對儀器硬件進行通訊和控制的軟件層。（1）過去，這部分都是由用戶編寫，對每一個儀器硬件編制特殊的驅動代碼，開發(fā)周期很長。（2）今天，儀器驅動程序都是按模塊化、與設備無關的方式向用戶釋放，供用戶迅速將儀器鏈入自己的測試系統(tǒng)。（3）標準化的驅動程序還可以在不同的系統(tǒng)和配置中重復使用，節(jié)省了大量的開發(fā)費用。,第4章數(shù)字化電測儀表,.,21,4.7.3虛擬儀器的軟件結構,4、I/O接口層I/O接口軟件是測試系統(tǒng)軟件的基礎，用于處理計算機與儀器硬件間連接的底層通訊協(xié)議。當今優(yōu)秀的虛擬儀器軟件都建立在一個標準化I/O接口軟件組件的通用內核上，為用戶提供一個一致的、跨計算機平臺的應用編程接口(API)，使用戶的測試系統(tǒng)能夠自由靈活地選擇不同的計算機平臺和儀器硬件。,第4章數(shù)字化電測儀表,.,22,4.7.4虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺,NI公司：LabVIEW和LabWindows/CVIHP公司：VEETektronix公司：TekTMS使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VI。VI包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標/連接器。,第4章數(shù)字化電測儀表,.,23,4.7.4虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺,程序前面板用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量，模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制，輸出量被稱為顯示。控制和顯示是以各種圖標形式出現(xiàn)在前面板上。,溫度計的前面板,第4章數(shù)字化電測儀表,.,24,4.7.4虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺,虛擬示波器的前面板,第4章數(shù)字化電測儀表,.,25,4.7.4虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺,框圖程序每一個程序的前面板都對應著一段框圖程序?？驁D程序由端口、節(jié)點、圖框和連線構成。,溫度計的框圖程序,第4章數(shù)字化電測儀表,.,26,4.7.4虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺,圖標/連接器圖標/連接器是子VI被其它VI調用的接口。圖標是子VI在其他程序框圖中被調用的節(jié)點表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點數(shù)據的輸入/輸出口，就像函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應。,溫度計的圖標/連接器,第4章數(shù)字化電測儀表,.,27,作業(yè),13課本P61頁題3-6、3-12、3-15,第4章數(shù)字化電測儀表,back,4若測量fx=200Hz信號的周期，用該信號的半周期作為閘門信號，時標信號間隔為1微秒。(1)計算由量化誤差引起的測量(相對)誤