基于LabVIEW交流電參數(shù)測試儀

1、沈 陽 工 程 學(xué) 院虛擬儀器課 程 設(shè) 計設(shè)計題目：基于LabVIEW交流參數(shù)測試儀的設(shè)計 系 別 班級 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 職稱 起止日期： 2016年 2月29日起至2016年3月11日止沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計題目：基于LabVIEW的交流參數(shù)測試儀的設(shè)計 系 別 班級 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 職稱 課程設(shè)計進行地點： F430 任 務(wù) 下 達(dá) 時 間： 2016年 2月29日 起止日期： 2016年2月29日起至2016年3月11日止教研室主任 年 月 日批準(zhǔn)1.設(shè)計主要內(nèi)容及要求；通過DAQ卡產(chǎn)生交流電壓、電流信號；測量交流電壓、電流信號的有效值或幅值、頻率、相位

2、差等；計算一個周期（或若干個整周期）的平均功率，即有功功率；同時計算視在功率、無功功率、功率因數(shù)等；l首先，應(yīng)當(dāng)在環(huán)境下（不經(jīng)過數(shù)據(jù)采集，使用仿真信號源）檢查算法的效果。2.對設(shè)計論文撰寫內(nèi)容、格式、字?jǐn)?shù)的要求；（1）.課程設(shè)計論文是體現(xiàn)和總結(jié)課程設(shè)計成果的載體，一般不應(yīng)少于3000字。（2）.學(xué)生應(yīng)撰寫的內(nèi)容為：中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻等。課程設(shè)計論文的結(jié)構(gòu)及各部分內(nèi)容要求可參照沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范執(zhí)行。應(yīng)做到文理通順，內(nèi)容正確完整，書寫工整，裝訂整齊。（3）.論文要求打印，打印時按沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范的要求進行打印。（4）.課程設(shè)計論文裝訂順序

3、為：封面、任務(wù)書、成績評審意見表、中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻。3.時間進度安排；順序階段日期計 劃 完 成 內(nèi) 容備注12月29日教師講解題目，學(xué)生查閱相關(guān)資料23月1日進行方案論證，確定程序流程，熟悉NI-DAQ使用方法33月2日-9日程序設(shè)計43月10日調(diào)試程序53月11日撰寫論文，成果驗收沈 陽 工 程 學(xué) 院 虛擬儀器 課程設(shè)計成績評定表系（部）： 自動化學(xué)院 班級： 學(xué)生姓名： 指 導(dǎo) 教 師 評 審 意 見評價內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評 分加權(quán)分調(diào)研論證能獨立查閱文獻,收集資料；能制定課程設(shè)計方案和日程安排。0.15432工作能力態(tài)度工作態(tài)度認(rèn)真，遵守紀(jì)律，出勤情況是否良

4、好，能夠獨立完成設(shè)計工作， 0.25432工作量按期圓滿完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)，工作量飽滿，難度適宜。0.25432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.55432指導(dǎo)教師評審成績（加權(quán)分合計乘以12） 分加權(quán)分合計指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 年 月 日評 閱 教 師 評 審 意 見評價內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評 分加權(quán)分查閱文獻查閱文獻有一定廣泛性；有綜合歸納資料的能力0.25432工作量工作量飽滿，難度適中。0.55432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號統(tǒng)一，編號齊

5、全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.35432評閱教師評審成績（加權(quán)分合計乘以8）分加權(quán)分合計評 閱 教 師 簽 名： 年 月 日課 程 設(shè) 計 總 評 成 績分沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計論文中 文 摘 要虛擬儀器技術(shù)及其labview開發(fā)環(huán)境為各個科學(xué)的儀器研制提供了一個通用的軟、硬件平臺。基于labview的交流電參數(shù)測試儀是通過虛擬儀器技術(shù)和LABVIEW開發(fā)環(huán)境所開發(fā)的一種測量交流電的有效電壓、有效電流、有功功率、無功功率、頻率等交流電參數(shù)的儀器。被測信號通過相關(guān)外部電路后，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集形成本儀器可測量的信號，其中包含正弦信號、三角波信號和方波信號。當(dāng)信號進入儀器后，經(jīng)過相關(guān)模塊計算，得到

6、相關(guān)參數(shù)。本設(shè)計用戶不僅在系統(tǒng)的開發(fā)或升級維護階段能夠較為準(zhǔn)確的估算系統(tǒng)各項性能參數(shù),而且能夠?qū)λ_發(fā)系統(tǒng)在不同計算機平臺上的運行性能進行測試與比較,為虛擬儀器的開發(fā)與性能參數(shù)的確定提供了評價依據(jù)、系統(tǒng)功能升級擴充方便快捷、可與電腦等設(shè)備方便的互聯(lián)。本設(shè)計前面板使用圖形化界面，操作簡單快捷。關(guān)鍵詞 虛擬儀器 頻率測量 交流參數(shù)測量 LabVIEW 目 錄課程設(shè)計（論文）任務(wù)書課程設(shè)計（論文）成績評定表中 文 摘 要 .1 設(shè)計任務(wù)描述11.1 設(shè)計題目：基于LabVIEW的交流參數(shù)測試儀的設(shè)計11.2 設(shè)計要求11.2.1 設(shè)計目的11.2.2 基本要求11.2.3 發(fā)揮部分12 設(shè)計思路23

7、 設(shè)計方框圖34 各部分電路設(shè)計及參數(shù)計算44.1 關(guān)于虛擬儀器44.2 DAQ仿真信號的設(shè)計模塊設(shè)計44.2.1 DAQ簡介44.2.2 DAQ仿真信號設(shè)計44.3 基本參數(shù)子VI設(shè)計模塊設(shè)計64.3.1 有效電壓電流子vi設(shè)計64.3.2 頻率子vi設(shè)計74.4 三種波信號相關(guān)參數(shù)值測量模塊84.4.1 相位差、無功功率等參數(shù)測量84.5 頻率測量模塊設(shè)計84.5.1 濾波器設(shè)計84.5.2 頻率測量總體設(shè)計94.6 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計模塊與操作界面104.6.1 測量數(shù)據(jù)存儲104.6.2 操作界面設(shè)計115 工作過程分析13小 結(jié)14致 謝15參考文獻16附 錄 A 邏輯電路圖17I1 設(shè)計

8、任務(wù)描述1.1 設(shè)計題目：基于LabVIEW的交流參數(shù)測試儀的設(shè)計 1.2 設(shè)計要求1.2.1 設(shè)計目的(1) 掌握虛擬儀器的結(jié)構(gòu)特點及其設(shè)計方法。(2) 掌握交流電擦數(shù)測試儀的組成。1.2.2 基本要求(1) 通過DAQ卡產(chǎn)生交流電壓、電流信號；測量交流電壓、電流信號的有效值或幅值、頻率、相位差等；計算一個周期（或若干個整周期）的平均功率，即有功功率；同時計算視在功率、無功功率、功率因數(shù)等；(2) 應(yīng)當(dāng)在環(huán)境下（不經(jīng)過數(shù)據(jù)采集，使用仿真信號源）檢查算法的效果。1.2.3 發(fā)揮部分 （1）對測量的數(shù)據(jù)進行存儲。 （2）標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率校驗。 2 設(shè)計思路本文介紹了一種基于LABVIEW的交流電參

9、數(shù)測試儀的設(shè)計，其中，本儀器可以對頻率為250Hz以下的正弦信號、三角信號、方波信號的相關(guān)參數(shù)測量，總體設(shè)計思想是做出相關(guān)參數(shù)測量的子VI，然后通過相關(guān)結(jié)構(gòu)和功能實現(xiàn)總體功能。其中，本基于LABVEW的交流電參數(shù)測試儀設(shè)計包含以下模塊：1、 DAQ仿真信號的設(shè)計模塊：本模塊的功能是仿真出一對電壓、電流信號。本信號可改變電流、電壓的峰值、頻率、相位角和添加噪聲，可以完全仿真DAQ的輸出信號。2、基本參數(shù)子VI設(shè)計模塊：本模塊是實現(xiàn)有效電壓、有效電流、和有功功率和頻率的子模塊的設(shè)計，其功能是實現(xiàn)這四個數(shù)據(jù)的測量，實現(xiàn)方法是通過程序面板的相關(guān)數(shù)學(xué)計算的程序設(shè)計，然后將其設(shè)計成子VI。3、三種波信號相

10、關(guān)參數(shù)值測量模塊：本模塊的功能是測量出三種信號的相位差、峰值和無功功率。實現(xiàn)方法為相關(guān)參數(shù)的計算。4、頻率測量模塊：本模塊的功能是測量輸入信號的頻率。其中，在測量信號測量前，首先對信號進行濾波，然后進行測量。另外，本設(shè)計中還提供標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率校準(zhǔn)功能5、數(shù)據(jù)存儲設(shè)計模塊：本模塊的功能是實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的存儲。操作界面有相關(guān)的文件選擇位置，新建.txt文件選擇后運行即可。6、操作界面設(shè)計：本模塊設(shè)計出完美的操作界面和先關(guān)說明。3 設(shè)計方框圖4 各部分電路設(shè)計及參數(shù)計算4.1 關(guān)于虛擬儀器 虛擬儀器采用計算機開放體系結(jié)構(gòu)來取代傳統(tǒng)的單機測量儀器。將傳統(tǒng)測量儀器中的公共部分（如電源、操作面板、顯示屏幕

11、、通信總線和CPU）集中起來用計算機共享，通過計算機儀器擴展板卡和應(yīng)用軟件在計算機上實現(xiàn)多種物理儀器。虛擬儀器的突出優(yōu)點是與計算機技術(shù)結(jié)合，儀器就是計算機，主機供貨渠道多、價格低、維修費用低，并能進行升級換代；虛擬儀器功能由軟件確定，不必?fù)?dān)心儀器永遠(yuǎn)保持出廠時既定的功能模式，用戶可以根據(jù)實際生產(chǎn)環(huán)境變化的需要，通過更換應(yīng)用軟件來拓展虛擬儀器功能，適應(yīng)實際科研、儀器設(shè)計等。4.2 DAQ仿真信號的設(shè)計模塊設(shè)計4.2.1 DAQ簡介數(shù)據(jù)采集是labview的核心技術(shù)之一。通過數(shù)據(jù)采集卡能夠方便地將現(xiàn)實世界中各個物理變量通過傳感器檢測后，采集到計算機中，從而使計算機在測量領(lǐng)域發(fā)揮其強大的功能提供了基

12、礎(chǔ)。模擬輸入是數(shù)據(jù)采集卡的基本功能。數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)參數(shù)有：分辨率、電壓范圍、增益、精度、建立時間等?？梢远嗤ǖ啦杉瘮?shù)據(jù)。使用助手設(shè)相關(guān)設(shè)置就可以創(chuàng)建出測量任務(wù)4.2.2 DAQ仿真信號設(shè)計 當(dāng)變量經(jīng)過傳感器測量后通過DAQ輸入到計算機后，其形式是一種波形。在設(shè)計階段，采用利用LABVIEW仿真DAQ輸出的信號，信號類型分別為正弦波、三角波和方波。三種信號的頻率、峰值、相位均可以改變；另外，仿真信號可以添加噪聲，噪聲的幅值同樣可以改變。 DAQ仿真信號的原理是通過下拉列表選擇事件結(jié)構(gòu)的輸出類型。事件結(jié)構(gòu)中每一個分支放入兩個仿真信號控件，分別為電壓、電流仿真信號。分別設(shè)置為正弦波、三角波和方波。

13、之后建立多個輸入控件控制頻率、幅值等參數(shù)。程序顯示面板程序如圖4.2.2.1。在前面板上，放置了一個波形圖顯示控件，可以明顯的看見信號輸出。前面板設(shè)置如圖4.2.2.2。圖4.2.2.1 DAQ仿真信號程序框圖圖4.2.2.2 DAQ仿真信號4.3 基本參數(shù)子VI設(shè)計模塊設(shè)計4.3.1 有效電壓電流子vi設(shè)計 在交流信號中，電流、電壓信號的值是測量者必須測量準(zhǔn)確的物理量。在電工理論中，交流電壓、電流的有效值定義為：交流電在一個周期T內(nèi)，通過某個純電阻負(fù)載所產(chǎn)生的熱量，與一個電壓、電流在同一個負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時，則該電流電壓或電流的數(shù)值就是該交流電電壓、電流有效值。 在本次設(shè)計中，計算電壓、

14、電流的有效值是采用均方根的方法。均方根就是將N個項的平方和除以N后開平方的結(jié)果，即均方根的結(jié)果。計算公式如下： 根據(jù)上述公式和設(shè)計需求，設(shè)計出了電壓、電流有效值、有功功率的子VI，程序框圖如下：圖4.3.1.1 電流有效值程序框圖圖4.3.1.2 電壓有效值程序框圖圖4.3.2.3 有功功率程序框圖4.3.2 頻率子vi設(shè)計 頻率是交流電的重要參數(shù)之一。在本次設(shè)計中，是采用波峰檢測的方法來測量波形頻率的。通過波峰檢測得到每個波峰所在的時間點，形成一個一維數(shù)組a(n)。對于正弦波、三角波、鋸齒波而言，我們可以直接將數(shù)組內(nèi)的時間點相鄰遞減（均采用后一項減去前一項，即A(n)=a(n+1)-a(n)

15、）。對重組的數(shù)組A(n)進行求倒等變換后輸出得到另一個數(shù)組B(n), 數(shù)組B(n)中的元素為每個采樣信號的頻率。用FOR循環(huán)加移位寄存器對數(shù)組B(n)進行求和然后除以數(shù)組B(n)的元素個數(shù)n，即可得到平均頻率，也就是測得頻率。 值得注意的是在我們測量方波信號的時候，這種方式就不適用了。 按照理論分析可知，用波峰檢測得到的一組時間點數(shù)組即a(n),其中相鄰兩項的差值僅為一個完整周期的一部分，故我們應(yīng)采用間隔遞減的方式（即A(n)=a(n+1)-a(n-1)）得到數(shù)組B(n)，其余步驟同上。頻率子vi如圖4.3.2.1，同中的下拉列表可選擇方波還是非方波測量。圖4.3

16、.2.1 頻率子vi程序框圖4.4 三種波信號相關(guān)參數(shù)值測量模塊4.4.1 相位差、無功功率等參數(shù)測量 在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)： =cos。在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cos=P/S。視在功率的值是有效電壓與有效電流的乘積。根據(jù)以上，相關(guān)參數(shù)的測量的程序框圖為：圖4.4.1.1 相關(guān)參數(shù)測量程序框圖 4.5 頻率測量模塊設(shè)計4.5.1 濾波器設(shè)計頻率的測量對信號的要求較高，本次設(shè)計的交流電測試儀在測量頻率時，雖然需要外部的處理電路處理，但是為了測量的精度比較高，總體在設(shè)計上增加了濾波器模塊的設(shè)計。帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分

17、量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路。這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產(chǎn)生。其工作原理為：一個理想的濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶，例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常，濾波器的設(shè)計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計更加接近。

18、然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。根據(jù)需求，本文設(shè)計了一個基于labview的濾波器模塊，濾波器模塊可對小于250Hz的信號進行處理，可選擇檔位，每個檔位之間差值為50Hz。用戶可根據(jù)需求選擇。圖4.5.1.1 濾波器程序框圖4.5.2 頻率測量總體設(shè)計通過4.2講到已經(jīng)完成了頻率測量的子vi設(shè)計，現(xiàn)在，將頻率測量的子vi和濾波器連接即可測頻率。另外，本測量儀可以對外部標(biāo)準(zhǔn)信號進行頻率測量。在前面板上有標(biāo)準(zhǔn)頻率測量的開關(guān)，實現(xiàn)原理為使用時間結(jié)構(gòu)選擇分之就可以完成。4.5.2.1 頻率測量程序框圖圖4.5.2.

19、2 頻率測量前面板及其濾波顯示4.6 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計模塊與操作界面 4.6.1 測量數(shù)據(jù)存儲對于交流電參數(shù)的測量值存儲問題，本設(shè)計也給出相應(yīng)的功能。數(shù)據(jù)存儲對于測量者來說尤為重要。本設(shè)計存儲的文件格式為.txt格式。首先選在文件存儲位置建立文件，寫好文件名稱，然后操作儀器操作界面，選擇存儲位置，選中事先創(chuàng)建的文件即可測量存儲。圖4.6.1.1 測量數(shù)據(jù)存儲程序框圖圖4.6.1.2 數(shù)據(jù)存儲4.6.2 操作界面設(shè)計操作界面對于測量者快速準(zhǔn)確的測量尤為重要，本次設(shè)計的交流電參數(shù)測量儀的界面包含了數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)選擇、開關(guān)、波形顯示、相關(guān)說明、時間日期等。 圖4.6.2.1 操作界面圖5 工作過程分析本

20、次設(shè)計是基于labview的交流電參數(shù)測試儀，設(shè)計過程中實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的測量，包含頻率、電壓電流的有效值、峰值、視在功率、無功功率等參數(shù)。操作界面便捷。測量者結(jié)果中有一定誤差。、 在非方波測試頻率得到模式下，儀器對輸入信號標(biāo)準(zhǔn)度要求較高，需要外部濾波整形電路處理后輸入到測量儀器中。儀器內(nèi)部應(yīng)當(dāng)優(yōu)化。、 數(shù)據(jù)存儲功能應(yīng)當(dāng)在儀器運行前進行選擇所創(chuàng)建的.txt文件。小 結(jié)本次課程設(shè)計的虛擬儀器是交流電信號參數(shù)測量儀。交流電信號在我們的生活中是不可或缺的，但是，交流電參數(shù)的測量是我們生活中必須要掌握的技能之一。本測儀可以對頻率為250Hz以下的交流信號的電壓有效值、峰值、電流有效值、峰值、實在功率、有功功率、電流信號與電壓信號的