虛擬儀器技術(shù)試驗報告要點

1、成都理工大學工程技術(shù)學院虛擬儀器技術(shù)實驗報告專業(yè):.學號:姓名:2015年11月30日1正弦信號的發(fā)生及頻率、相位的測量實驗內(nèi)容：設(shè)計一個雙路正弦波發(fā)生器，其相位差可調(diào)設(shè)計一個頻率計設(shè)計一個相位計分兩種情況測量頻率和相位：不經(jīng)過數(shù)據(jù)采集的仿真經(jīng)過數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集卡為 PCI9112頻率和相位的測量至少有兩種方法FFT及其他信號處理方法直接方法實驗過程:1、正弦波發(fā)生器，相位差可調(diào)雙路正弦波發(fā)生器設(shè)計程序:相位差的設(shè)計方法：可以令正弦 2的相位為0,正弦1的相位可調(diào), 這樣調(diào)節(jié)正弦1的相位，即為兩正弦波的相位差2 設(shè)計頻率計、相位計方法一：直接讀取從調(diào)節(jié)旋鈕處直接讀取數(shù)值，再顯示出來。方法二：直

2、接測量使用單頻測量模塊進行頻率、相位的測量。方法為將模塊直接接 到輸出信號的端子，即可讀取測量值方法三：利用FFT進行頻率和相位的測量在頻率譜和相位譜上可以直接讀取正弦信號的主頻和相位。也可通過FFT求得兩正弦波的相位差。即對信號進行頻譜分析，獲得信號的想頻特性，兩信號的相位差即主頻率處的相位差值， 所以 這一方法是針對單一頻率信號的相位差。前面板如下：IE弓玄信號的發(fā)生及步頁率、相位的測量謔偲莊竝 oral正建2煩亦-z1OO _"1O0ISO isCiD % JMa-3003600FJrIOim力垃RAWifriK 糅一.力性zij*«-|t. £1j 7 .

3、 SOT-E L7. SL073|l4iD |7|joj HO. 1 LTf-e 43TS2H-50 IDO 150 EDO 25030D 350 鳴 00 利！50 500FFT < 41 ffil J 4呂位正（FFT I*電"程序框圖：頻時曲I呈I峰垃J *-茹詛斷出*BfS：L1相電*目應(yīng)引 j"*和連苗喜信號£ 正恣扌&te¥單傾剛號E 砂fS號< 無僧犧噌iW 2 信昌FFT - C > 相位 單城iWifi譽 相位FFT和窣1丨|WPB1 l|正弦1熬宰；圈，wais 號正強1卜1相應(yīng)干FPT <嵯花）-甄率

4、FFTP嘩疽，-相CE固檸止2幅頻特性的掃頻測量一、實驗目的1、掌握BT3 D掃頻儀的使用方法。2、學會用掃頻法測量放大電路的幅頻特性、增益及帶寬二、工作原理放大電路的幅頻特性，一般在中頻段K 中最大，而且基本上不隨 頻率而變化。在中頻段以外隨著頻率的升高或降低， 放大倍數(shù)都將隨 之下降。一般規(guī)定放大電路的頻率響應(yīng)指標為 3dB,即放大倍數(shù)下降 到中頻放大倍數(shù)的70.7%,相應(yīng)的頻率分別叫作下限頻率和上限頻率。 上下限頻率之間的頻率范圍稱為放大電路的通頻帶，它是表征放大電路頻率特性的主要指標之一。如果放大電路的性能很差，在放大電路工作頻帶內(nèi)的放大倍數(shù)變化很大，則會產(chǎn)生嚴重的頻率失真，相應(yīng)的頻率

5、響應(yīng)指標用不均勻度表示。放大電路幅頻特性的測量方法有許多種： 點頻法、多頻法和掃頻測量法等。這里僅介紹掃頻測量法。圖中的掃描信號生鋸齒波信號，發(fā)生器產(chǎn)一方面輸另一方面掃頻法測量幅頻特性的基本測量電路如下圖所示。入到示波器的X輸入端實現(xiàn)示波器電子束水平掃描的控制，控制掃頻信號發(fā)生器（實質(zhì)上是一個調(diào)頻振蕩器）的振蕩頻率，隨著 鋸齒波電壓從低到高作線性和周期性的變化。 由于掃頻信號的頻率和 掃描信號的電壓自動地保持線性同步關(guān)系， 故熒光屏上的水平掃描線 變成了頻率坐標線。掃頻信號加到放大電路的輸入端，由于放大電路對不同頻率的信號增 益不同，故輸出電壓幅度便隨頻率的變化而變化。由“峰值檢波器” 檢出的

6、輸出信號的包絡(luò)曲線與幅頻特性曲線的形狀相同。 這個包絡(luò)信 號送至示波器的Y軸輸入端，在水平鋸齒波掃描電壓的作用下， 可以 在熒光屏上觀察到被測電路的幅頻特性曲線。在幅頻特性曲線的實際測量中，需要對示波器熒光屏上幅頻特性 曲線的頻率坐標進行“定標”，以便確定曲線各點對應(yīng)的頻率。為此, 測量電路中還配備有“頻標發(fā)生器”，它產(chǎn)生頻率為已知的頻率標記 信號，測量時疊加在頻率特性曲線上。為了使用的方便，將掃頻信號發(fā)生器、頻標信號發(fā)生器、放大、 檢波和示波顯示組合在一起，成為專門用于測量電路幅頻特性的專用 設(shè)備，稱之為頻率特性測試儀。本實驗將對 VHF高頻調(diào)諧器（俗稱高 頻頭）作幅頻特性方面的測試。三、實

7、驗儀器BT3D RF寬帶掃頻儀，穩(wěn)壓電源，高頻信號發(fā)生器，VHF高頻調(diào)諧器四、實驗步驟（一）、掃頻儀電氣性能的檢查（填附表一）1、掃頻范圍（中心頻率1-300兆，掃頻寬度1-40兆連續(xù)可調(diào)）“全掃”方式下從零頻數(shù)得的50兆頻率標記數(shù)應(yīng)大于6個，“窄 掃”方式下，旋轉(zhuǎn)“中心頻率”旋鈕，從零頻數(shù)得的 50兆頻率標記 數(shù)應(yīng)大于6個，“掃頻寬度”旋鈕順時針到最大，數(shù)得的10兆頻率標 記數(shù)應(yīng)大于4個。2、寄生調(diào)幅系數(shù)將“射頻輸出”端電纜與“ 丫輸入”端檢波探頭對接。輸出衰減 OdB,Y軸衰減X1,調(diào)丫增益使屏上顯示適當高度（6-7格）的矩形方框,測出方框的最大高度A和最小高度B,計算寄生調(diào)幅系數(shù) M。3

8、、掃頻線性連接方法同上，“中心頻率”處于任意位置，調(diào)“掃頻寬度”約40兆，查屏幕顯示任一相鄰10兆范圍間隔a和b,計算掃頻非線性系數(shù)r。（二）、對VHF高頻調(diào)諧器的測試（填附表二）1、測繪某頻道下的總幅頻特性曲線按要求進行電路連接，“外頻標輸入”送入選定頻道的圖像載頻 頻率，調(diào)整掃頻儀的相關(guān)旋鈕，使屏幕上顯示出符合要求的總幅頻特 性曲線并測繪之。（VHF 112頻道頻率表參見表三）2、測繪某頻道下高頻調(diào)諧器的增益電路不變，記下屏幕上曲線的高度及掃頻儀的輸出衰減量（設(shè)為N1）。將檢波探頭與掃頻輸出直接相連，調(diào)節(jié)輸出衰減量，使屏幕上 兩根水平亮線距離與原來曲線的高度相同，記下此時的輸出衰減量（設(shè)為

9、N2），則高頻調(diào)諧器的增益為 N1-N2（dB）（測試過程中丫增益 旋鈕不能再動）。4、測繪某頻道下高頻調(diào)諧器的通道帶寬 電路不變，測量時按帶寬的定義在曲線規(guī)定的范圍內(nèi)數(shù)出頻標個數(shù)， 再乘以頻標所代表的頻率值，則可求得帶寬 B （一般將輸出衰減量變 化 3 dB ）。3數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計實驗內(nèi)容：連續(xù)、定時采集和存儲一個電壓信號可回放記錄數(shù)據(jù)的圖形，回放速度可調(diào)。實驗過程：一個數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲以 及數(shù)據(jù)調(diào)用（用來分析和展示）。本實驗中把“錄制波形”及“回放波形”兩大過程分別用兩個程 序圖實現(xiàn)。通過寫入程序記錄波形后，可通過回放程序?qū)τ涗浀牟ㄐ?進行回放。電壓記

10、錄儀中設(shè)計了信號選擇及參數(shù)調(diào)節(jié)部分來模擬電壓的變 化。通過信號選擇可以實現(xiàn)電壓種類的變化，如正弦、方波、直流， 通過參數(shù)調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)信號幅值頻率的變化。 通過調(diào)節(jié)記錄時間可以 實現(xiàn)記錄電壓波形的按需求記錄，如當電壓變化不劇烈時可以將間隔 設(shè)的大一些，而當電壓變化劇烈時將記錄時間設(shè)的短一些。 收集的電壓信號存入一個波形數(shù)組，然后可以通過波形圖表顯示出來。 在顯示的同時，將波形存入指定路徑的文件中電壓回放的程序中主要實現(xiàn)了將電壓記錄儀記錄的波形數(shù)組讀入，然后顯示出來。在程序中使用一個for循環(huán)實現(xiàn)了對波形數(shù)組的索引，并通過調(diào)節(jié)for循環(huán)的延時實現(xiàn)了回放時間間隔的可調(diào)。電壓記錄儀前面板:電壓記錄彳義

11、記逮時問間Mi% 1": MfocufhHrits. g也q 1rjfO.Ss電壓記錄儀程序框圖:電壓回放前面板:電壓回放. 3D15360.75 1 I.2S 1. 5 1.75 2 2.25 2,5 2.75 3 3.25 3.5 3.15 4 4 25 4.5 4.75 S. 20B538吋間電壓回放程序框圖:4功率表的設(shè)計實驗內(nèi)容：一個周期（或若干個整周期）的平均功率、有功功率同時計算視在功率、無功功率、功率因數(shù)、相位差等首先，應(yīng)當在環(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。實驗過程：在交流電中，電壓電流都隨時間而變，因此電壓與電流的乘機所 表示的功率也隨時間而

12、不斷變化。但是在交流功率中，還有許多具體的內(nèi)容。如有有功功率，功率因數(shù)，視在功率，無功功率，瞬時功率 等在現(xiàn)實功率占有很高的地位。電阻元件的瞬時功率 p=ui=UI(1-Cos2 3 t)。瞬時功率是 t趨近于0時的功率p=lim( t - 0)W/ t=lim( t0) F*s*cos 0 / t = F*v*cos 0。其中v是瞬時速度，W是功，s是位移，0是力與位移或速度的 夾角。在正弦穩(wěn)態(tài)電路中我們知道P(t)=u(t)*i(t)。在這里都是瞬時值，其中u(t)和i(t)是用正弦表示的函數(shù)。功率因數(shù)是在在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余 弦叫做功率因數(shù)，用符號cos表示，在數(shù)

13、值上，功率因數(shù)是有功功 率和視在功率的比值，即cos二P/S。在一般的單相交流電路(頻率為50Hz)中，電壓與電流之間總存在一定的相位差©，可以把電壓和電流分別表示為u(t) = U0 cos w t ,和i (t)= I ocos(w t- © ).電源輸給該交流電路的瞬時功率可以表示為p(t) = U&Q- V)=UqJq cos* JZq Jq cos(2護)(1)=UI cos 卩 + UI cos(2o>f - p)可見，瞬時功率是由兩項組成，一項是與時間無關(guān)的常數(shù)項，另 一項是以二倍頻率隨時間變化的周期性函數(shù)。通常是用電流在一個周期內(nèi)所完成功率的平

14、均值 ，即平均功率 來表示交流電的功率，而不是用瞬時功率。交流電的平均功率也稱有 功功率，是由下式定義的將式(1)代入式，得I rP=亍tffco 聊 + Lff cos(2arf - 5>)dt = U7co?g>式中CO©稱為功率因數(shù)，表示有功功率在 UI中所占比率。上式表示，交流電的有功功率等于電壓和電流的有效值與功率因數(shù)三者 的乘積。在純電阻電路中，© = 0 , co® =1,表示電源提供給電路的有功功率為最大。在純電感或純電容電路中，©二士 p/2 , COSh = 0, U-I。從式（1）看，在這種電路中功率的瞬時值并不總為零，

15、只是正值功率的時 間與負值功率的時間相等。瞬時值為正值，表示電源向電路提供能量； 瞬時值為負值，表示電路將能量回授給電源。平均功率為零，說明電 源向電路提供的能量與電路回授給電源的能量相等。在一般情況下，+ p/2 > © >- p/ 2 , 1 > COS© > 0，丄.。 這時，正值功率的時間長于負值功率的時間，即電源對電路提供的能量大于電路回授給電源的能量。所以，在下述實驗中，我們以一般單相交流電路為基礎(chǔ)，其中有 功功率P=UICO©，功率因數(shù)二CO©，無功功率Q=Ulsin ©，視在功 率（S）、有功功率（P）和

16、無功功率（Q）構(gòu)成一個直角三角形，我們 稱為功率三角形。得 S*S=P*P+Q*Q且CO© = P/Q。結(jié)構(gòu)框圖如下：功率分析的結(jié)構(gòu)框圖在界面設(shè)計中，界面分為操作界面和顯示界面，如下圖所示，圖的左邊為用戶操作區(qū)，而右邊為結(jié)果顯示區(qū)。在用戶操作區(qū)中，上面為波形設(shè)計，用于生成頻率50Hz的電壓波形和電流波形，通過旋鈕等器件可控制電壓和電流波形的大小和相 位等參數(shù)。下面則為通過計算所得的有功功率，功率因數(shù)，視在功率, 無功功率，瞬時功率和電壓電流有效值。另外，還有一個波形選擇的按鈕，也算一個總的控制選擇開關(guān)， 用戶通過按鈕可以旋轉(zhuǎn)電壓波形，電流波形，電壓 /電流波形，功率 波形。在顯示界面

17、區(qū)，在四個顯示屏中顯示電壓波形，電流波形，電壓/電流波形，功率波形。前面板:虛擬 珀率分 析 與設(shè)計波形坦討來4孚功菇w¥隹.巴嗾球唳？t!吋fB4S|-M3¥r電匡啊fEVlLfl *316F-弋跖珈3F|3 U&LtFT汪:!的事|o qee-qe-IT. rSLTTT#!- ri3£j HI J LJU3TZ T內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：1）電壓波形的產(chǎn)生與顯示如下圖所示，使用 sine wave.vi產(chǎn)生電壓波形位樣值率入 相采幅頻輸 置 位 重 相波輸改變sine wave.vi中的采樣，幅值，頻率，相位輸入的大小即 可使電壓波形發(fā)生變化，等到用戶所需要

18、的電壓波形，并顯示在graph 中。電壓波形內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）電流波形的產(chǎn)生與顯示如下圖所示，和電壓的產(chǎn)生一樣，使用sine wave.vi產(chǎn)生電流波形。改變sine wave.vi中的采樣，幅值，頻率，相位輸入的大小 即可使電流波形發(fā)生變化，等到用戶所需要的電壓波形，并顯示在 graph 中。電流波形內(nèi)部結(jié)構(gòu)3）電壓和電流波形產(chǎn)生與顯示如下圖所示，此結(jié)構(gòu)的功能就是將電壓和電流共同顯示在一個屏 中的，便于用戶觀察和對比。將電壓波形和電流波形（采樣后）作為數(shù)組的元素通過BuildArray組成數(shù)組一起顯示在 graph中數(shù)齟 元索 無索 元索忝加的數(shù)組Build Array電壓和電流波形內(nèi)部結(jié)構(gòu)4）功率波形的產(chǎn)生與顯示如下圖所示，功率波形的產(chǎn)生與顯示是虛擬功率的分析與設(shè)計非常重要的一個模塊，即核心模塊。首先，先用Cycle Average and Rms.vi 檢測出電壓和電流周期波形的均方根，即電壓和電流的有效值，分別記為 U和I。根據(jù)在 單相交流電中，視在功率 S二電壓有效值U*電流有效值I，求出視在 功率。周期平均周期均方根 "錯逞輸出 巾測量信息周期號ci）信號輸入?yún)⒖茧娖街T誤輸入（無諸誤）百分比電平設(shè)置Cycle Average and Rms.vi其次，由于考慮的是交流電，采集后的電壓和電流波形會產(chǎn)生一 定的相位差根據(jù)功率因數(shù)等于相位差的余弦，這樣就能等