基于LABView的電壓電流測試系統(tǒng)設計報告

1、電壓電流參數(shù)測試系統(tǒng)設計報告姓名： XXXXX 學號： XXXXXXXXX 班級： XXXXXXX 目錄一、系統(tǒng)總體概述 3二、主要功能 3三、系統(tǒng)硬件設計 3.1.信號調(diào)理模塊的分析設計 43.1.1電壓的測量 43.1.2電流的測量 53.1.3抗混疊濾波63.2. A/D轉換模塊的分析設計 73.2.1分辨率 73.2.2量化誤差 73.2.3轉換誤差 73.2.4轉換速率 73.3. 硬件設備的實現(xiàn) 83.3.1電壓測量板卡NI9255 83.3.2電流測量板卡NI9227 8四、軟件的設計 94.1有效值、平均值的計算 94.2 頻率的測量原理 104.3 軟件設計的LAB View

2、實現(xiàn) 104.3.1測試系統(tǒng)的前面板設計 104.3.1測試系統(tǒng)的后面板設計 11五、系統(tǒng)評估 12六、總結 13參考資料 14一、系統(tǒng)總體概述電壓和電流是最為常見也是最為基本的電氣參數(shù)，本系統(tǒng)設計的目的是對電壓和電流的基本參數(shù)的測試測量，包括幅值、頻率、波形等基本的參數(shù)指標。依據(jù)系統(tǒng)設計的目的和要求，將輸入的電壓電流模擬信號進行分析處理并顯示結果，該系統(tǒng)的結構需要模擬信號輸入、信號調(diào)理、采樣保持、A/D轉換、數(shù)字信號分析、結果輸出等幾個部分組成。由于本系統(tǒng)的輸入有電壓和電流兩個參量，所以設計采用多路采集多通道輸入結構，系統(tǒng)工作的結構圖如圖1所示。其中信號調(diào)理、A/D轉換、數(shù)字信號分析是三個主

3、要的模塊，下面將進行重點的分析和設計。圖1 測試系統(tǒng)結構圖為了便于系統(tǒng)搭建和對信號的分析處理，本系統(tǒng)采用以計算機為核心的數(shù)字化測試系統(tǒng)。它在實現(xiàn)快速測試、高準確度測試、綜合參數(shù)測試和自動化測量方面比一般裝置具有突出的有點。同時，由于計算機具有較強的數(shù)據(jù)處理功能，所以在測量數(shù)據(jù)計算處理和最后顯示測試結果方面表格、圖形等多種形式的輸出。二、主要功能本系統(tǒng)要求測量外部輸入的電壓電流信號的相關參數(shù)（輸入電壓：220V，50Hz），指標要求如下：=顯示電壓波形；=顯示輸出有效值；=進行頻譜分析，并計算諧波含量。由該指標可知，系統(tǒng)需要實現(xiàn)對外部輸入信號的調(diào)理、轉化使之成為計算機測試系統(tǒng)允許輸入的數(shù)字信號，

4、并能通過計算機實現(xiàn)對采集到的數(shù)字信號的分析計算的能力，并通過一定的輸出設備顯示出來。三、系統(tǒng)硬件設計3.1.信號調(diào)理模塊的分析設計3.1.1電壓的測量系統(tǒng)要求輸入的為220V的交流電壓信號，其電壓峰值311V，對測量者本身和測試系統(tǒng)都存在有危險，為了保證系統(tǒng)的安全性，本系統(tǒng)需要使用隔離測量設備，來實現(xiàn)測量系統(tǒng)和原電壓端的隔離。因而需要先對電壓信號進行降壓處理。常用的降壓方法有電路串電阻分壓、變壓器降壓、霍爾傳感器測量等方法。其工作原理如圖2、圖3、圖5所示。 13 / 13圖2 電阻分壓電路原理圖圖3 電壓互感器工作原理圖（1）電路串電阻。由于標準電阻的阻值范圍非常廣，串電阻的方法可以實現(xiàn)將輸

5、入電壓分壓到任意壓值，而且用電阻測量電壓不會引入多余的諧波分量，可以很好的保持電壓原有的波形特點，同時電路簡單、易于實現(xiàn)。（2）電壓互感器降壓方法。使用電壓互感器降壓也可以將實際輸入的交流電壓信號降壓至可測量的電壓范圍之內(nèi)，但是由于使用電壓互感器要求工作在低磁通密度狀態(tài)下，而且原副邊不能出現(xiàn)短路，互感器副邊的一端要求接地等諸多要求造成使用上的不便。同時也會增加電路體積，設計方案也較為復雜。（3）霍爾傳感器法。在半導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得半導體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會產(chǎn)生電場，電場強度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，此時

6、電場將會使后來的電子和空穴受到電場力的作用而平衡掉磁場對其產(chǎn)生的洛倫茲力，使得后來的電子和空穴能順利通過不會偏移，這個現(xiàn)象稱為霍爾效應。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。其原理如圖4所示。 圖4 霍爾效應原理圖 圖5 霍爾傳感器原理圖霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高。但是使用霍爾元件無疑增加了測試系統(tǒng)的成本和操作的復雜度，因此本設計只對該方法的可

7、能性進行討論。電壓測量電路可采用串電阻降壓的方法。通過查詢標準，可考慮選擇使用阻值為357k和4.7k的標準金屬膜電阻，其精度為1%。由分壓規(guī)律可知，輸入的峰值電壓由分壓降為4.1V，符合一般數(shù)字處理系統(tǒng)的輸入范圍。3.1.2電流的測量由于數(shù)字信號處理一般是針對電壓信號的分析，對于電流，應轉化為相應的電壓信號，作為計算機的輸入信號。電流的測量一般按電流的強弱分為大、中、小三個范圍，本設計只考慮中等電流的測量，常用的中等電流測量方法有：被測電路串電阻法和電流互感器法。圖6 串電阻法測電流圖7 電流互感器原理圖（1）被測電路串電阻法測電流。該方法取樣電壓一般要經(jīng)過放大器放大再接到測量裝置上，為了對

8、測量電路帶來影響，放大器常采用隔離放大器。為達到一定的要求對電阻R有較高的要求，a.電阻R的阻值選擇要合理，b.電阻R的熱穩(wěn)定性要好，c.交流電路中，R必須選擇為無感電阻。使用串電阻測電流的方法易于實現(xiàn)，結構簡單，電路總體成本低。工作原理如圖6所示。（2）電流互感器法。用電流互感器對原副邊電路起到了電隔離作用，對工作電路的影響減小，但是互感器的接入對電路瞬態(tài)電流的測試是不利的。電流互感器的使用過程中變壓器副邊不允許開路，否則會使原邊電流完全變?yōu)閯畲烹娏鳎⒃诟边叜a(chǎn)生極高的電壓，引起設備的損壞和人身傷害。電流互感器的工作原理如圖7所示。（3）霍爾傳感器法?；魻栯娏鱾鞲衅鞯脑O計原理與霍爾電壓傳感器

9、相似，此處不做贅述。基于便于實現(xiàn)的原則，本設計擬采用電流互感器測電流的方法。3.1.3抗混疊濾波根據(jù)采樣定理，s代表采樣頻率，max代表能分析出來的信號最高頻率， 二者之間滿足s2max，任何高于max頻率的信號經(jīng)過采樣后得到的信號頻率在0max之間，這就是混疊頻率。在數(shù)字系統(tǒng)中無法將混疊頻率和在0max的實際頻率區(qū)分開，因此在使用A/D轉換器進行采樣之前，需要使用電容濾波器從模擬信號中濾掉這些比例。系統(tǒng)要求測量頻率為50Hz的市電電壓，考慮到計算的簡便性，本系統(tǒng)僅設計分析到基波的二十次諧波，即max=1kHz。同時考慮到一定的裕量，取采樣頻率為最高頻率的10倍，即s=10kHz。設計使用由運

10、放組成的電壓跟隨器，其結構如圖4所示。使用該跟隨器不改變輸入信號的波形，但由于運放輸入端高阻輸出端低阻的特性可以很好地起到隔離的作用。電容濾波器設計使用如圖5所示的常見二階低通濾波器。其截至頻率的計算為：fH=12R1R2C1C2。 圖8 電壓跟隨器原理圖 圖9 二階低通濾波器原理圖3.2. A/D轉換模塊的分析設計本方案擬采用數(shù)字化測量技術來計算電壓的有效值、輸出波形、諧波含量等參數(shù)，因而需要將輸入的模擬信號轉換為數(shù)字信號。經(jīng)由調(diào)理電路的模擬電壓信號和由電流轉換的模擬電壓信號，計算機將通過A/D轉換器、采樣保持器和通道開關獲得被測電壓波形的離散點數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)送入微處理器進行處理。其過程

11、圖6所示。圖103.2.1分辨率。A/D轉換器的分辨率以輸出二進制數(shù)或十進制數(shù)的位數(shù)表示，它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。從理論上講，n位二進制數(shù)字輸出的A/D轉換器應能區(qū)分輸入模擬電壓的n2個不同大小的等級，能區(qū)分輸入電壓的最小差異為12nFSR（滿量程輸入的12n）。 本設計中，電壓測量的峰峰值為8.2V，如采用12位、滿刻度為10V的A/D轉換器AD574A，那么其分辨率計算為10212=10×14096=2.44mV 3.2.2量化誤差。量化誤差：由于A/D的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率A/D的階梯狀轉移特性曲線與無限分辨率A/D（理想A/

12、D）的轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、12LSB。3.2.3轉換誤差。轉換誤差通常以輸出誤差最大值的形式給出，它表示實際輸出的數(shù)字量和理論上應有的輸出數(shù)字量之間的差別，一般多以最低有效位的倍數(shù)給出。3.2.4轉換速率。轉換速率是指完成一次從模擬轉換到數(shù)字的A/D轉換所需的時間的倒數(shù)，采樣時間是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，采樣速率必須小于或等于轉換速率。3.3. 硬件設備的實現(xiàn)3.3.1電壓測量板卡NI9255根據(jù)以上的理論分析，結合具體實際，實現(xiàn)電壓的測量可以使用NI公司生產(chǎn)的NI9255測量板卡通過并聯(lián)方式測量電壓。卡

13、的一端和白色的火線連接，卡的另一端和黑色的零線連接。其接線如圖11所示。圖11 NI9255板卡接線圖圖12 NI9225板卡的部分規(guī)格說明3.3.2電流測量板卡NI9227電流的測量可以使用NI公司生產(chǎn)的NI9227板卡進行測量。由于輸入回路的電流已經(jīng)經(jīng)過電流互感器進行了轉化，測量時，只需將互感器的兩個輸出端口分別連接到數(shù)據(jù)采集卡兩端的端口即可進行電流的測量。電流測量板卡的接線圖如圖12所示。圖13 NI9227板卡接線圖NI 9227的部分規(guī)格說明四、軟件的設計4.1有效值、平均值的計算。設u0.u1,un-1,un為采樣后輸入處理器的各個離散點的采樣值，則輸入交流電壓的有效值和平均值由以

14、下兩個公式給出。有效值：Urms=TsT12u02+un2+u12+u22+un-12平均值：U=TsT12u02+un2+u12+u22+un-124.2 頻率的測量原理本系統(tǒng)采用的是基于計算機的數(shù)字測量系統(tǒng)，所以選擇過零點擬合法來實現(xiàn)頻率的測量。該方法主要適用于中低頻率的測量，而且要求采樣頻率滿足采樣定理。計算機采樣法測頻是利用計算機采樣計算出被測信號的過零點，并由此得到信號的頻率。其原理說明如下：圖15 過零點擬合測頻法原理圖如圖15所示，由于噪聲等干擾的影響，實際測量到的電壓波形不會是一個標準正弦信號，而是在基波波形的基礎上有所波動，這就使得實測電壓的過零點不會按一個穩(wěn)定的規(guī)律分布。所

15、以我們采用數(shù)據(jù)擬合的方法，假設信號過零點附近的曲線為一條直線，且過零點附近的兩個采樣點的采樣時間為t1、t2，則通過線性插值，可以得到過零點的時間為t21，同樣也可以得到下一個過零點的時間坐標為t32。這樣，信號的頻率就可以表達為f1=1t32-t21為了減小誤差，可以做多次差值，并以所得頻率做平均，作為信號的實際頻率，即f=1nf1+f2+f3+fn=1ni=1n fi 4.3 軟件設計的LAB View實現(xiàn)。4.3.1測試系統(tǒng)的前面板設計本系統(tǒng)要求測量電路的電壓和電流的相關參數(shù)，考慮到系統(tǒng)的簡易性，前面板中只安放了與測量參數(shù)有關的顯示控件。其中，以水平中線為界，分為電壓測量區(qū)域和電流測量區(qū)

16、域。其面板內(nèi)容如圖16所示。圖16 測試系統(tǒng)的前面板設計從前面板中，用戶可以清晰地得到所測試電壓和電流的波形，以及峰峰值、有效值等要求測試的參數(shù)，和電壓的傅里葉頻譜。同時，用戶可以根據(jù)需要，通過按下“停止”按鈕來結束實時測量過程，達到系統(tǒng)設計的要求。4.3.2測試系統(tǒng)的后面板設計由于沒有相應的數(shù)據(jù)采集卡和硬件設備，所以在系統(tǒng)設計時，設計使用了LAB View內(nèi)部的仿真信號發(fā)生器來模擬外部的輸入。其圖標和有關的參數(shù)設置如圖17所示。 圖17 仿真信號發(fā)生器的圖標和參數(shù)設置本程序主要用到的結構有While循環(huán)、分支結構、波形顯示等。使用While循環(huán)是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的實時采樣，要跳出該循環(huán)，結束測量

17、過程只需要按下stop按鈕即可。系統(tǒng)整體的后面板設計如圖18所示。模擬輸入通過數(shù)據(jù)分支輸入到不同的測量模塊，測量模塊的輸出經(jīng)過相應的顯示控件顯示出來。由于使用了LAB View內(nèi)部集成的模塊，使得系統(tǒng)的設計變得簡潔，清晰。圖18 測試系統(tǒng)的后面板設計五、系統(tǒng)評估本系統(tǒng)設計的目標是實現(xiàn)電壓電流波形的測量和顯示，及相關電參數(shù)的計算和顯示。經(jīng)過LAB View虛擬儀器軟件的仿真可以知道，本設計可以達到所提出的要求。在完成參數(shù)測量要求的前提下，本系統(tǒng)本著簡單，明晰，易于使用的原則，先是對各種測量方法進行了詳盡的比較，并進一步選擇了符合該原則的測試方法。因此，本系統(tǒng)具有結構簡單、便于使用、讀數(shù)明了等優(yōu)點

18、，能夠適用于常見市電供電系統(tǒng)的電壓電流的測量。但是，由于沒有相關的測量板卡及硬件設備的測試支持，本系統(tǒng)設計目前只是停留在理論和模擬階段，對于實際測試的效果還有待以后驗證，這是本設計最大的缺憾。其次，基于理論分析得到的結果可以看出本系統(tǒng)在電壓測量時選擇使用的NI9225板卡具有接近1.2V的測量誤差，雖然這從本系統(tǒng)要求的測試對象來看可以忽略不計，但終歸會影響系統(tǒng)的測試精度?？傮w來看，本系統(tǒng)在理論分析，設計計算和軟件仿真的基礎上，實現(xiàn)了對所提要求的設計，并且具有結構簡單、易于操作的特點，具有一定的現(xiàn)實可行性。六、總結經(jīng)過連續(xù)多天的資料學習，這一系統(tǒng)的設計終于告一段落。雖說只是一次普通的課程作業(yè)，但還是讓我收獲頗多。經(jīng)過本次的課程設計，我體會到將課本所學的知識合理應用出來并不是一件簡單的是。經(jīng)過這些天的學習體會，我常見電氣參數(shù)的測試方法有了更加貼切