基于虚拟仪器电压表设计
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1、目录1.设计要求22.设计原理及思路22.1设计原理22.2设计思路32.2.1前面板的设计32.2.2流程图的设计43.设计原理54.设计内容54.1虚拟信号发生器的实现54.2数据处理部分64.3开关部分74.4.整体设计流程图75.实验结果86.问题及解决方案87.参考文献98.心得体会9附录:课程设计成绩评定表101.设计要求1) 掌握电压表的基本原理和方法;2) 基于LabView设计电压表并实现3) 能显示波形和峰值、有效值、平均值、频率等参数4) 待测信号由软件产生,可提供各种信号。5) 界面友好,易于操作,实现最基本的功能。2.设计原理及思路2.1设计原理电压是电路中常用的电信
2、号,通过电压测量,利用基本公式可以导出其他的参数。因此,电压测量是其他许多电参数和非电参数量的基础。测量电压相当普及的一种测量仪表就是电压表,但常用的是模拟电压表。模拟电压表根据检波方式的不同。分为峰值电压表、均值电压表和平均值电压表,它们都各自做成独立的仪表。这样,使用模拟电压表进行交流电压测量时,必须根据测量要求选择仪表。另外,多数电压表的表头是按正弦交流有效值刻度的,而测量非正弦波时,必须经过换算才能得到正确的测量结果,从而给实际工作带来不便。采用虚拟电压表,可将表征交流电压特征的峰值、平均值和有效值集中显示在一块面板上,测量时可根据波形在面板上选择仪表,用户仅通过面板指示值就能对测量结
3、果进行分析比较,大大简化了测量步骤。2.2设计思路2.2.1前面板的设计前面板模拟真实电压表的前面板,用于设置输入数值和观察输出量。由于虚拟面板直接面向用户,是虚拟电压表控制软件的核心。设计这部分时,主要考虑界面美观、操作简洁,用户能通过面板上的各种按钮、开关等控件来控制虚拟电压表进行测量工作。根据传统电压表面板控件的功能,利用LabVIEW中的控制模板,分别在设计面板上放入模拟实际电压表控件的数据输入控件、显示器、数据输出控件、开关、选择器,显示器用于显示输入的信号波形;数据输入控件主要用于输入被测信号的信号频率、采样频率、采样数、振幅和相位;数据输出控件则用于输出被测信号经过处理后得到的峰
4、值、平均值和有效值及标准频率的有效显示。打开LabVIEW前面板的编辑窗口,点击鼠标右键,显示控制模板,选择图形一波形图,作为电压表的显示器。在显示器模板上点击鼠标右键,对其进行属性设置,例如根据示波器的频率与幅度值的变化,利用工具模板中的文字工具,对示波器横(时间)、纵(幅度)坐标的刻度进行重新设置。用Graph控件设计的示波器是完全同步的,且波形稳定。选择控件数值数值输入控件/数值显示控件,作为电压表参数设置中输入和测试结果的数据显示。选择控件下拉列表与枚举菜单下拉列表,放置对输入波形选择开关,在下拉列表中单击鼠标右键,选择“编辑项”对其进行编辑。“电源开关”控件选择经典经典布尔方形按钮,
5、当按下开关时,虚拟电压表开始运行,同时电源开关的指示灯亮。同样,当弹起开关时,虚拟电压表停止运行。图1.前面板-显示界面图2. 模拟信号生成2.2.2流程图的设计每一个前面板都对应一个流程图程序。前面板的设计完成后,可对流程图程序进行设计。打开LabVIEW设计环境中的窗口显示程序框图,进入流程图编辑窗口,与前面板各控件对应的端口图标自动出现在流程图编辑窗口中。利用LabVIEW中的功能模块,根据虚拟示波器前面板各控件的作用和联系,虚拟示波器运作后数据流的控制,分别在流程图设计面板中放置各个功能模块,合理摆放后,在用连线工具依次连接,以实现虚拟示波器的功能。数据流的编辑主要是对端口图标的连接。
6、用连线工具进行连线时,如果端口闪烁,说明相连的数据类型匹配,否则不能连接.3.设计原理电压是电路中常用的电信号,通过电压测量,利用基本公式可以导出其他 的参数。因此,电压测量是其他许多电参数和非电参数量的基础。测量电压相当普及的一种测量仪表就是电压表,但常用的是模拟电压表。模拟电压表根据检波方式的不同。分为峰值电压表、均值电压表和平均值电压表,它们都各自做成独立的仪表。这样,使用模拟电压表进行交流电压测量时,必须根据测量要求选择仪表。另外,多数电压表的表头是按正弦交流有效值刻度的,而测量非正弦波时,必须经过换算才能得到正确的测量结果,从而给实际工作带来不便。采用虚拟电压表,可将表征交流电压特征
7、的峰值、平均值和有效值集中显示在一块面板上,测量时可根据波形在面板上选择仪表,用户仅通过面板指示值就能对测量结果进行分析比较,大大简化了测量步骤。4.设计内容 4.1虚拟信号发生器的实现由于虚拟电压表主要用于演示,所以为了方便,可直接利用LabVIEW软件产生仿真信号。在该设计中,设置了正弦波、锯齿、波方波和三角波以及由公式确定的任意波形等基本波形。 在程序设计框图中,使用一个Case(选择)语句对四种波形进行选择。Case语句中,每一个数字(0,1,2,3,4)都代表一种波形,与前面板控件中5种状态相对应。至于Case语句的制作,只需将5个图标中的一个,例如正弦波发生程序,用Case框起来,
8、然后在上面的空白处写上相应的数字,例如1;然后点击箭头,可以设置第二个图标,如果要添加一个Case的话,可以点击鼠标右键,直接添加,编辑相应的基本信号发生器VI中相应的节点即可。在添加公式波时,要把基本信号发生器VI换成公式波形VI,本文给出了Case结构的一个分支,公式波形的流程图如图2所示。该子可使用指定时间函数的公式字符串生成一个函数波形,它要求公式的自变量必须是t,它所支持的运算符和常用的函数。公式是用于生成信号输出波形的表达式,一般为频率,为幅度,为目前生成的采样数,为已经过去的秒数,w为2*pi*f。另外,在模拟状态下,信号频率以赫兹或者每秒周期数为单位。但是在数字系统中,通常使用
9、数字频率,它是信号频率与采样频率的比值,被称为标准频率。所以,在框图程序中,应当在信号频率与采样频率之间加载一个除法器。 在波形发生程序按照规定的参数产生波形后,如果将波形直接输入波形显示控件,那将是错误的。因为波形显示控件,并不像数据显示控件那样只需要一个或一组数据,因此波形能否按规定显示出来,取决于输入的几组不同且具有决定性的数据,例如周期、相位等。4.2数据处理部分数据处理部分的作用,就是将产生出的信号通过不同形式的检波、计算,得出规定的不同的结果。在该设计中同时显示交流有效值、峰值和平均值。对于一个纯粹的交流电压,正半周期信号与负半周期信号对称,U的平均值等于零,所以一般不直接测量平均
10、值。在设计时,按函数数值绝对值取交流电压的绝对值,然后求平均值,取全波平均值。交流电压中的最大值,即为峰值。可以通过比较数据求出最大值,这需要使用波形最大、最小子虚拟仪器来处理框图。有效值显示:在函数信号处理波形测量中选择基本平均直流均方根。上图中,DC 均值为测量的直流分量;均方根测量有效值;reset用于重启过去记录的时间信号、平均测量的参数;在单个模块VI中,可依据输入记录长度自动设置平均时间;Window是在DC/RMS计算之前,用于记录时间的窗;erroe in是在该VI运行之前描述错误环境,默认值为no error。如果错误已经发生,该VI在errorout端返回错误代码,子VI在
11、无错误时才正常运行4.3开关部分用一个while条件语句设计整个框图程序,当模拟电压开关为“1”时,虚拟电压表工作,条件语句中的程序开始运行;当模拟开关为“0”即关时,条件语句中的程序停止运行,虚拟电压表不工作4.4.整体设计流程图5.实验结果 6.问题及解决方案问题1:布尔灯未被开关控制,只是被整体的条件循环的“真”“假”状态控制,处于失效状态。解决方案:设计布尔灯与开关的连接,让开关直接控制布尔灯。问题2:未设计电压表的显示周期;解决方案:在设计时,添加“显示周期“,周期数值为频率的倒数。7.参考文献1 宋吉超. 基于USB2.0接口的虚拟仪器研究D. 西安电子科技大学 , 2005 2
12、杜秋姣. 基于虚拟仪器的高速数据采集系统的研究D. 华中科技大学 , 2004 3 熊秀. 基于虚拟仪器的控制系统D. 西北工业大学 , 2005 4周继明,江世明传感技术与应用M长沙:中南大学出版社,2006 5储永雄新编单片机原理与应用M西安:西安电子科技大学出版社,20038.心得体会在这次设计过程中,通过VI设计出一个电压表,能测出我们所需要的均值、峰值、有效值、周期和频率等。完成课程设计的过程中,我体会到了团队合作的力量。组员们各自分工,分别负责不同的任务,运用平时的学习成果,顺利完成了本次课程设计。同时,我也发现了自己平时学习的不足和薄弱环节,从而加以弥补。通过本次设计我意识到了理论和实践的重要性,学会了耐心。这对于我们的将来也有很大的帮助。在此感谢我们的xx老师,老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样,这次虚拟仪器课程设计的每个实验细节和每个数据,都离不开老师的细心指导。感谢老师帮助我们能够很顺利的完成了这次课程设计。8
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