實(shí)驗(yàn)四虛擬電壓表的設(shè)計(jì)和虛擬數(shù)字萬用表的使用

1、 虛擬儀器技術(shù)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 日 期 實(shí)驗(yàn)四、虛擬電壓表的設(shè)計(jì)和虛擬數(shù)字萬用表的使用一、實(shí)驗(yàn)原理1）一般電壓表和萬用表的工作原理和使用方法。2）交流電各種電壓值表示的概念以及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。3）子VI的創(chuàng)建方法。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）掌握虛擬電壓表和數(shù)字萬用表的設(shè)計(jì)和使用方法2）進(jìn)一步掌握LabVIEW的使用，特別是控件屬性的操作以及子VI的使用。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1）利用LabVIEW 設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)易虛擬電壓表。功能要求：具有普通電壓表的基本功能，用戶可選擇直流測(cè)量和交流測(cè)量。對(duì)于直流電壓只需顯示電流值大小，對(duì)于交流電則需要顯示該交流電的峰值、有效值、平均值和直流分量（若存在）。同時(shí)能

2、夠提供虛擬輸入和實(shí)際輸入兩種測(cè)量信號(hào)，虛擬輸入時(shí)能夠顯示信號(hào)波形。其他要求：對(duì)虛擬電壓表進(jìn)行初始設(shè)置，即每次運(yùn)行程序時(shí)電壓表的初始界面一致，具體表現(xiàn)在開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，波形圖窗口清空，其他控件處于使能狀態(tài)下。實(shí)際輸入時(shí)禁用仿真參數(shù)設(shè)置控件，仿真輸入時(shí)測(cè)量直流電壓值時(shí)禁用信號(hào)幅度、頻率、初始相位、占空比、信號(hào)類型等控件。2）創(chuàng)建自行設(shè)計(jì)的虛擬電壓表子VI。3）使用NI ELVIS提供的數(shù)字萬用表（DMM）模塊完成電阻、電流和電壓的測(cè)量，并就其中的電壓測(cè)量部分與自行設(shè)計(jì)的虛擬電壓表進(jìn)行比較和分析。四、實(shí)驗(yàn)步驟1）參考程序流程圖如圖4.1所示；參考前面板設(shè)計(jì)如圖4.2所示，該前面板除具有實(shí)驗(yàn)三函數(shù)發(fā)

3、生器的參考前面板中所有的輸入控件外，還添加了仿真與實(shí)際信號(hào)的切換按鈕，交流/直流測(cè)量的切換按鈕，開關(guān)按鍵，電源指示燈以及結(jié)果顯示包括：直流分量，平均值，有效值和峰峰值（可以根據(jù)需求自行添加或刪減）；參考程序框圖設(shè)計(jì)如圖4.3所示。本次虛擬電壓表的設(shè)計(jì)與實(shí)際使用的模擬/數(shù)字電壓表是存在很大差別的，為便于實(shí)驗(yàn)做了大量簡(jiǎn)化。實(shí)驗(yàn)的主要目的是了解LabVIEW中對(duì)子函數(shù)的調(diào)用及使用方法，LabVIEW中有關(guān)屬性節(jié)點(diǎn)、局部變量的使用和有關(guān)用戶界面設(shè)計(jì)的一些基本方法，以及利用DAQ處理采集數(shù)據(jù)的方法（此部分需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)二中相關(guān)內(nèi)容）。程序框圖圖4.3看似復(fù)雜，其實(shí)大量的工作是用于完成空間的屬性操作和有關(guān)程

4、序初始化設(shè)置的問題，真正用于數(shù)據(jù)處理的模塊其實(shí)只有三個(gè)（具體見實(shí)驗(yàn)提示4）。圖4.2 實(shí)驗(yàn)四參考前面板設(shè)計(jì)圖4.3 部分參考程序框圖2）本次實(shí)驗(yàn)的程序框圖中使用了LabVIEW中特有的一種順序結(jié)構(gòu)（Sequence Structure），這主要是緣于LabVIEW采用了多線程并行的運(yùn)行機(jī)制，這是G語言不同于一般文本語言主要特點(diǎn)之一，即程序內(nèi)的代碼是同時(shí)運(yùn)行的。所以對(duì)于控件的初始顯示可采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)（Flat Sequence Structure）或堆棧式順序結(jié)構(gòu)（Stacked Sequence Structure）的方法，在第一幀中設(shè)置各個(gè)控件的初始設(shè)置。初始化設(shè)置是通過控件的屬性控制以

5、及常量和局部變量設(shè)置完成的。如圖4.3所示，參考程序框圖采用了平鋪式順序結(jié)構(gòu)，LabVIEW在執(zhí)行程序時(shí)先從左邊的幀開始，依次執(zhí)行右面幀內(nèi)的程序（本次只有兩個(gè)幀，幀內(nèi)的程序還是同時(shí)執(zhí)行的）。左邊幀內(nèi)完成程序初始化設(shè)置，左邊一列是控件的使能控制，0是Enabled（啟用），1是Disabled（禁用），2是Disabled and Grayed out（禁用且變灰）。這是通過控件的屬性節(jié)點(diǎn)完成的，而右邊一列則是對(duì)變量數(shù)值的初始設(shè)置，用局部變量完成。3）虛擬輸入信號(hào)的提供可采用實(shí)驗(yàn)三中自行設(shè)計(jì)的虛擬函數(shù)發(fā)生器。有關(guān)子VI的創(chuàng)建方法已介紹，本次實(shí)驗(yàn)主要是使用實(shí)驗(yàn)三中創(chuàng)建的子VI，在程序框圖中的函數(shù)面

6、板中選擇VI添加創(chuàng)建的子VI。自行創(chuàng)建的子VI和LabVIEW提供的各種函數(shù)模塊的使用方法相同。關(guān)于子VI屬性的設(shè)置在主菜單中選擇“文件/VI屬性”，進(jìn)入VI屬性對(duì)話框，根據(jù)類別更改VI屬性。這里需要注意的是while循環(huán)對(duì)子VI的影響，建議在創(chuàng)建子VI時(shí)去掉原先程序框圖中用于使程序連續(xù)執(zhí)行的while循環(huán)，或用一布爾真常量控制while循環(huán)的結(jié)束符（即讓此while循環(huán)只循環(huán)一次）。此外，對(duì)于直流信號(hào)可以直接利用“初始化數(shù)組”模塊完成。4）有關(guān)交流電壓波形的參數(shù)如表4.1所示，可以根據(jù)表4.1中參數(shù)的關(guān)系再利用信號(hào)的波峰值求取其他參數(shù)值。事實(shí)上，LabVIEW提供用于計(jì)算這些參數(shù)的模塊。對(duì)于

7、波峰的求取，可使用波形最大最小值模塊（Waveform Min Max.vi），位于“函數(shù)面板/編程/波形/模擬波形”下，如圖4.4所示。有效值和直流分量可利用位于“函數(shù)面板/編程/波形/模擬波形/波形測(cè)量”下的基本平均直流-均方根模塊（NI_MAPro.lvlib: Basic Averaged DC-RMS.vi）實(shí)現(xiàn)，如圖4.5所示，缺省情況下均方根即有效值。求取平均值的均值模塊位于“函數(shù)面板/數(shù)學(xué)/概率與統(tǒng)計(jì)”中，如圖4.6所示。表4.1 幾種典型的交流電壓波形的參數(shù)其中U是波峰值。圖4.4 波形最大最小值模塊圖4.5 基本平均直流-均方根模塊圖4.6 均值模塊5）圖4.4、圖4.5和

8、圖4.6所示的三個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端均可以為波形數(shù)據(jù)，求均值模塊可自行提取波形數(shù)據(jù)中的波形數(shù)組數(shù)據(jù)。這里要說明的在使用這些數(shù)據(jù)處理模塊時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)本身還是需要做一些其他處理。首先，求取均值時(shí)需要將波形數(shù)組數(shù)據(jù)絕對(duì)值化，這是由交流信號(hào)的平均值定義決定，如果不取絕對(duì)值那平均值都為0，失去了實(shí)際意義。其次，提供的參考程序框圖圖4.3中使用了“獲得波形成分”模塊，獲取采集信號(hào)的波形數(shù)組數(shù)據(jù)、采樣時(shí)間和采樣起始時(shí)間，用于提取采集信號(hào)中一個(gè)完整周期。要提取出信號(hào)的至少一個(gè)完整周期的采樣值的原因，是因?yàn)榻涣餍盘?hào)的有效值、平均值等都是以具備完整周期數(shù)的信號(hào)計(jì)算的，而實(shí)際采樣時(shí)很難保證采樣值為原信號(hào)的整周期倍數(shù)

9、，如果直接使用采樣值計(jì)算平均值和有效值將帶來較大誤差。因而，本次實(shí)驗(yàn)中在實(shí)際采樣信號(hào)時(shí)要得到原周期信號(hào)的完整信息或是對(duì)周期信號(hào)處理時(shí)，采集到的采樣值至少要大于一個(gè)完整的周期（實(shí)際對(duì)于正弦波、三角波只要能夠測(cè)量出波峰與波谷也能計(jì)算出原波形）。要得到一個(gè)完整周期的采樣點(diǎn)數(shù)，首先要明白信號(hào)頻率F、采樣頻率F、采樣點(diǎn)數(shù)N之間的關(guān)系：其中F1是頻率為Fs的采樣信號(hào)采集Ns個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)的原信號(hào)的結(jié)果為一個(gè)完整周期的原信號(hào)頻率，為實(shí)際采集到信號(hào)的周期數(shù)，N為一個(gè)完整周期的采樣點(diǎn)數(shù)。可以看出N1實(shí)際就是標(biāo)準(zhǔn)頻率f=F/F的倒數(shù)，這也就是在LabVIEW的數(shù)字系統(tǒng)中都采用標(biāo)準(zhǔn)頻率的原因之一。位于“函數(shù)面板/Express/信號(hào)分析（Signal Analysis）”下的單頻測(cè)量（Tone Measurements）Express模塊能夠直接得出采樣信號(hào)的