第4章 數(shù)字化電測(cè)儀表

.,1,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,4.1概述4.2頻率/周期的數(shù)字化測(cè)量4.3相位的數(shù)字化測(cè)量4.4電壓的數(shù)字化測(cè)量4.4電阻、電容的數(shù)字化測(cè)量4.6電功率的數(shù)字化測(cè)量4.7微機(jī)化儀表,back,.,2,4.5電阻、電容的數(shù)字化測(cè)量,2）比率法,1）比例運(yùn)算法,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,3,4.6電容的數(shù)字化測(cè)量,2)脈寬調(diào)制法,back,1)容抗法,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,4,4.6電功率的數(shù)字化測(cè)量,Uo0K1接通+UNUo0K2接通+UyUo0K2接通-Uy,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,單相功率測(cè)量,積分器輸出電壓：,由此得到被測(cè)電壓平均值：,同時(shí),乘法器輸出電壓平均值為：,.,5,4.6電功率的數(shù)字化測(cè)量,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,讓Ux是被測(cè)負(fù)載端電壓，Ix是流經(jīng)負(fù)載的電流，則E0與負(fù)載上消耗的功率數(shù)值成正比，可實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量。,時(shí)間分割式乘法器波形圖,.,6,4.7微機(jī)化儀表,測(cè)量過程和控制的軟件化儀器硬件變得簡(jiǎn)單、體積與功耗均減小、可靠性提高、靈活性增強(qiáng)、自動(dòng)化程度更高?？蓪?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話、自檢、自診斷、自校準(zhǔn)、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(cè)儀表,微機(jī)化儀表的特點(diǎn)：,.,7,4.7微機(jī)化儀表,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,微機(jī)化儀表的特點(diǎn)：,.,8,多功能化增加了儀器的測(cè)量功能，是一臺(tái)純硬件儀器無(wú)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(jiǎn)單公式,“儀器=AD/DA+CPU+軟件”,4.7微機(jī)化儀表,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,微機(jī)化儀表的特點(diǎn)：,.,9,4.7微機(jī)化儀表,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,微機(jī)化儀表的結(jié)構(gòu)：,.,10,儀器儀表技術(shù)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(tái)儀器、疊架式儀器系統(tǒng)到虛擬儀器。傳統(tǒng)的儀器是一個(gè)獨(dú)立的裝置，有機(jī)箱，操作面板，信號(hào)輸入輸出端，還有開關(guān)、旋鈕等。檢測(cè)結(jié)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(hào)的采集和控制、信號(hào)的分析與處理以及結(jié)果的表達(dá)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(cè)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(jì)算機(jī)軟硬件資源，把儀器的三大功能全部放在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)中插入數(shù)據(jù)采集卡，用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進(jìn)行信號(hào)處理分析，實(shí)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(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。它由通用的個(gè)人計(jì)算機(jī)、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(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀表的關(guān)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(cè)儀表,.,12,4.7.2虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成,常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)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(cè)儀表,.,13,4.7.2虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成,(1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,14,4.7.2虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成,(2)GPIB儀器控制系統(tǒng),通用接口總線GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)為PC機(jī)與可編程儀器之間的連接系統(tǒng)，定義了電氣、機(jī)械、功能和軟件特性，是虛擬儀器發(fā)展的第一階段。一個(gè)典型的GPIB測(cè)量系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口板卡和若干臺(tái)GPIB儀器通過標(biāo)準(zhǔn)的GPIB電纜連接而成。GPIB把可編程儀器與計(jì)算機(jī)緊密地聯(lián)系起來，從此電子測(cè)量由獨(dú)立的、手工操作的單臺(tái)儀器向組成大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的方向邁進(jìn)。,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,15,4.7.2虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成,GPIB優(yōu)點(diǎn),可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，排除人為因素造成的測(cè)試誤差，提高了可靠性和效率?？梢苑奖愕貙⒍嗯_(tái)儀器組合起來，形成較大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，高效、靈活地完成各種不同規(guī)模的測(cè)試任務(wù)。還可以很方便地?cái)U(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。因?yàn)閮x器同計(jì)算機(jī)連在一起，儀器測(cè)量的結(jié)果送到計(jì)算機(jī)里，在計(jì)算機(jī)這邊增加不同的分析處理算法，就相當(dāng)于增加了儀器的功能。,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,16,4.7.2虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成,(3)VXI儀器控制系統(tǒng),VXI(VMEExtensionforInstrumentation)總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME(VersaModuleEurocard)總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。VXIbus規(guī)范是一個(gè)開放的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，其主要目標(biāo)是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其它標(biāo)準(zhǔn)的器件（計(jì)算機(jī)）之間能夠以明確的方式開放地通信；使系統(tǒng)體積更??；通過使用高帶寬的吞吐量，為開發(fā)者提供高性能的測(cè)試設(shè)備；采用通用的接口來實(shí)現(xiàn)相似的儀器功能，使系統(tǒng)集成軟件成本進(jìn)一步降低。,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,17,4.7.3虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu),測(cè)試管理層測(cè)試程序?qū)觾x器驅(qū)動(dòng)層I/O接口層,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,18,4.7.3虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu),1、測(cè)試管理層(1)測(cè)試管理層是一個(gè)帶有易于操作界面、用于管理和執(zhí)行某一測(cè)試任務(wù)、與設(shè)備無(wú)關(guān)的測(cè)試管理環(huán)境。(2)為測(cè)試系統(tǒng)與操作者交互、被測(cè)器件分析、順序測(cè)試、分支、循環(huán)等提供一個(gè)專門的測(cè)試運(yùn)行程序，以密碼保護(hù)模式對(duì)不同部門的操作者提供多層登錄訪問。(3)測(cè)試管理層是一個(gè)與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件，因而采用開發(fā)式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)就會(huì)提供更多的性能和靈活性。用戶可以自行設(shè)計(jì)開發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)核，而且能夠滿足不同要求的測(cè)試管理軟件層，有效地縮短了設(shè)計(jì)周期和節(jié)約了開支、維護(hù)費(fèi)用。,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,19,4.7.3虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu),2、測(cè)試程序(虛擬儀器功能模塊)層（1）由不同的測(cè)試系統(tǒng)的組成模塊可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)某一產(chǎn)品而開發(fā)的功能測(cè)試模塊是一個(gè)有其特殊性的獨(dú)特的軟件組件，但其大多數(shù)的基本元素對(duì)所有的測(cè)試系統(tǒng)來說都是通用的。（2）目前國(guó)外出現(xiàn)了帶有大量通用、與設(shè)備無(wú)關(guān)的功能模塊庫(kù)的集成化編程環(huán)境。虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等均具有此項(xiàng)特性。在這些軟件中，幾乎所有用于測(cè)量、控制和通訊模塊的程序代碼均已編寫完成，供用戶即調(diào)即用。,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,20,4.7.3虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu),3、儀器驅(qū)動(dòng)層儀器驅(qū)動(dòng)層是對(duì)儀器硬件進(jìn)行通訊和控制的軟件層。（1）過去，這部分都是由用戶編寫，對(duì)每一個(gè)儀器硬件編制特殊的驅(qū)動(dòng)代碼，開發(fā)周期很長(zhǎng)。（2）今天，儀器驅(qū)動(dòng)程序都是按模塊化、與設(shè)備無(wú)關(guān)的方式向用戶釋放，供用戶迅速將儀器鏈入自己的測(cè)試系統(tǒng)。（3）標(biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動(dòng)程序還可以在不同的系統(tǒng)和配置中重復(fù)使用，節(jié)省了大量的開發(fā)費(fèi)用。,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,21,4.7.3虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu),4、I/O接口層I/O接口軟件是測(cè)試系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，用于處理計(jì)算機(jī)與儀器硬件間連接的底層通訊協(xié)議。當(dāng)今優(yōu)秀的虛擬儀器軟件都建立在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化I/O接口軟件組件的通用內(nèi)核上，為用戶提供一個(gè)一致的、跨計(jì)算機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用編程接口(API)，使用戶的測(cè)試系統(tǒng)能夠自由靈活地選擇不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)和儀器硬件。,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,22,4.7.4虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái),NI公司：LabVIEW和LabWindows/CVIHP公司：VEETektronix公司：TekTMS使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱為VI。VI包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,23,4.7.4虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái),程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，模擬真實(shí)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?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上。,溫度計(jì)的前面板,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,24,4.7.4虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái),虛擬示波器的前面板,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,25,4.7.4虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái),框圖程序每一個(gè)程序的前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。,溫度計(jì)的框圖程序,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,26,4.7.4虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái),圖標(biāo)/連接器圖標(biāo)/連接器是子VI被其它VI調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)。,溫度計(jì)的圖標(biāo)/連接器,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,.,27,作業(yè),13課本P61頁(yè)題3-6、3-12、3-15,第4章數(shù)字化電測(cè)儀表,back,4若測(cè)量fx=200Hz信號(hào)的周期，用該信號(hào)的半周期作為閘門信號(hào)，時(shí)標(biāo)信號(hào)間隔為1微秒。(1)計(jì)算由量化誤差引起的測(cè)量(相對(duì))誤