电子测量课程设计基于LabVIEW和Multisim的温度测量系统

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1、电子测量课程设计 题目 基于LabVIEW和Multisim 的温度测量系统 系 别 物理与电子信息学院 班 级 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 完 成 时 间 基于LabVIEW和Multisim的温度测量系统摘要：随着科学技术的不断发展和当今工业生产技术的不断完善，测控成为许多工业中不可或缺的技术，尤其是在要求精度很高的生产系统中更是离不开检测控制系统。本文就是介绍一种基于LabVIEW和 Multisim的温度测量系统。温度与人类生活和科学研究密切相关，在生产过程和科学研究中几乎没有不要求温度检测的。在工农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制始终占据着重要地位。关键词：虚拟仪器

2、；labview；温度测量；multis1LabVIEW和 Multisim简介1.1虚拟仪器与LabVIEW所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。LabVIEW是Laboratory Virtual Workbench（实验室虚拟仪器集成环境）简称，是一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具。LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式（G语言）

3、，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。1.2 Multisim的功能Multisim提供了一种易于使用的电路教学环境，易于操作，能够很好的达到简化电路设计的目的。Multisim让用户可以专注于理解电路概念，而不用为学习应用环境而烦恼。在Multisim中，用户可以在线修改电路值，然后查看实时仿真结果。 图2.1 铂电阻模型使用Multisim提供的20个功能强大的分析工具（包括瞬态分析、噪音

4、分析、Monte Carlo应用分析、最难案例分析、I-V分析器等），可以对电路特性进行深入分析，从而获得对电路特性的直观认识。使用者可以探索不同的电路配置、元件选择、噪音以及信号源如何影响电路的设计。使用NI Grapher可以对数据进行可视化操作，该工具可以用标签标注显示的数据，并可以将数据以不同文件格式导出，或进行其他操作。2电路设计2.1传感器模型的建立金属铂电阻性能十分稳定，在-260到+630度之间，铂电阻可做标准温度计；在0到-100度之间，铂电阻与温度的关系： RT=RO1+At+Bt2+C(t-100)t3把参数代入得Rt=-4.22*10-10t4+4.22*10-8t3-

5、5.84*10-5T2+0.394T+100 （2.1）由于本设计所测温度范围在0到-100度之间,且上式的3次项4次项的系数很小，使得温度变化时3次项4次项的值对阻值影响很小，故可省去近似为一个二次多项式。 即 Rt=-5.84*10-5T2+0.394T+100 （2.2）有了温度与铂电阻的关系式，就可建立如图2.1的模型，以V1代表温度T，压控多项式函数模块用来实现上述函数，其输出为电压值，由铂电阻的原理，模型模拟的是电阻值，所以在加上一个比例系数为1的压控电阻，因此输出电阻值按算式随温度质的变化而变化。 2.2电路的组成与原理2.2.1稳压电路稳压环节用于为后面的电路提供基准电压，如图

6、2.2所示。稳压二极管稳压电路的输出端接电压跟随器来稳定输出电压。电压跟随器具有高输入阻抗、地输出阻抗的优点。 图2.2稳压环节图2.3稳压二极管稳压特性曲线稳压二极管稳压电路是最简单的一种稳压电路，它由一个稳压二极管和一个限流电阻组成。从图2.3二极管的稳压特性曲线可以看到，只要稳压过的电流IzminIDZIzmax，则稳压管就使输出稳定在Uz附近，其中Uz是在规定的稳压管反向工作电流下所对应的反向工作电压。限流电阻的作用是起到限流作用，以保护稳压管；另外，当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。设计稳压二级管电路，首先需要

7、根据设计要求和实际电路的情况来合适的选出所要求的输出电压U0，一般选输入电压Ui为U0的2至3倍。例如，如果要获得10V的输出电压，那么整流滤波电路的输出电压应在20-30V，然后选取合适的变压器，以提供合适的电压。稳压二极管的参数有三个，即稳压值Uz、最小稳定电流Izmin和最大稳定电流Izmax，选择稳压二极管时，应首先根据要求的输出电压U0=Uz，确定了稳压值以后，可根据负载的变化范围来确定稳定电流的最小值Iz和最大值Izm，一般要求额定稳定电流的变化范围大于实际负载电流的变化范围，即Izm-IzIlmax-Ilmin。同时，最大稳定电流的选择应留有一定的裕量，以免稳压二极管被击穿。综上

8、所述，稳压二级管应满足 U0=Uz （2.3） Izm-IzIlmax-Ilmin （2.4） Izm ILMAX+Iz （2.5）2.2.2基本放大电路本设计没有采用电桥法测量铂电阻，这是因为铂电阻测温采用单臂电桥，单臂电桥，单臂电桥本身存在一定的非线性，为了避免电桥引入的非线性，所以采用放大电路测温。基本放大电路如图2.4，它可以分解为下图2.5中（a）、（b）的两个简单的放大电路。图2.5（a）中是一个反向比例放大器其输出2.2.3校正环节铂电阻的总体测温电路如图2.6。虽然铂电阻模型中温度的二次项系数很小，但仍然存在一定的非线性度，电路中由运算放大器U3和电阻R8、R9、R15组成的反

9、向比例放大器为电路引入负反馈，可使电路输出地线性度变好。图中还由电阻Rw1引入了电流并联负反馈。由于铂电阻的阻值小且变化范围小，为了使输出变化明显，总体电路上又加了反向比例放大电路，通过调节Rw3的值可以调节输出电压的范围。 图2.6测量电路 3.整体电路的分析3.1稳压环节分将图2.6所示的稳压环节的输出端接一个负载电阻，如图3.1所示。为了确定这一负载电阻的大致范围，将与稳压环节相连的放大电路的输入端图3.3传递函数分析结果改接一个10V的直流源，然后对电路进行传递函数分析，其设置如图3.2所示，将新加入的直流源作为输入源，电路的总输出端作为输出节点，接地端作为参考节点。传递函数分析的结果

10、如图3.3所示输入阻抗为1.9K。图3.2传递函数的分析设置图3.5 参数扫描分析结果图3.4参数扫描分析设置将图3.1中的R2设为1.9k，然后对R1进行参数扫描，确定其取值。参数扫描的设置如图3.4所示，将R1从101k之间取10个扫描点，然后选择扫描直流工作点，输出节点5，其扫描结果如图3.5所示，可知工作点较稳定，取R1为200下面分析电压跟随器在电路中的作用。将图3.1中运算放大器的正输入端接一个10V的直流源，然后对修改后的电路进行传递函数分析，结果如图3.6所示，可见电压跟随器具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗。图3.6传递函数分析结果对图3.1所示电路进行参数扫描分析，观察负载

11、电阻R2变化对输出电压的影响。使R2在1-10k之间均匀的取10个值，然后对输出节点进行直流工作点扫描，结果如图3.7所示，由图可知，由于电压跟随器的输入电阻较大，则流过R1的电流基本全部流向稳压二极管，且电压跟随器隔离了负载变化对二极管稳压电路的影响，所以加电压跟随器的稳压电路，在稳压范围内输出电压较稳定，并且约等于10V。图3.7稳压环节分析3.2铂电阻温度特性的分析在图2.6的总测量电路中，对铂电阻模块进行直流扫描分析，观察测量温度与铂电阻阻值的关系。直流扫描分析的设置如图3.8所示，扫描电源为模拟测量温度数值的电压源V1，扫描范围为0到-100V（即模拟0到-100的变化），观察节点4

12、和3之间的电压差变化（模拟铂电阻的变化）。直流扫描分析的结果如图3.9所示，实线的是分析所得数据，虚线是连接两端点所得的直线，可见铂电阻的阻值与温度的关系存在非线性。因此需要调节Rw2来调节反馈的程度，从而矫正输出电压与温度的非线性关系。图3.8直流扫描分析参数页设置图3.9铂电阻阻值与温度的关系3.3反馈电路分析由上述对铂电阻温度特性分析可知，在没有加入由Rw2构成的反馈系统时，铂电阻的阻值与温度的关系存在非线性，下面研究加入Rw2构成的反馈系统对输出非线性的影响。对铂电阻模块进行直流扫描分析，观察测量温度与输出电压的关系。直流扫描分析参数页设置同图3.8（a），输出页设置如图3.10。扫描

13、电源为模拟测量温度数值的电压源V1，扫描范围为0到-100V，观察输出结点26电压差变化（模拟输出电压的变化）。分析结果如图3.11所示，可见加入Rw2后，分析所得数据与连接两端点所得的直线几乎重合，反馈电路对非线性程度有很好的调节。 图3.10直流扫描输出参数页设置图3.11温度与输出电压的关系4.LabVIEW虚拟仪器的设计4.1据显示子程序设计根据铂电阻随温度变化时，电压和温度的关系可以设计数据显示子VI。由式 （2.2） Rt=-5.847*10-5T2+0.39684T+100 可得 （4.1）由铂电阻的测温范围 （4.2） 由式（3.2）(4.2），可建立一个子VI，步骤如下：（a

14、） 从开始菜单中运行“ National LabVIEW 8.6,在“Getting Started窗口左边的Files控件里，选择Blank VI 建立一个新程序。图4.1 程序框图图4.2 设计时域信号采集器（b） 框图程序的绘制:图4.1所示为本设计程序的的程序框图。考虑到输入是关于时间和电压的2维数组，设计一个时域信号采集器，它由控制面板I/O模块里的波形函数经过矩阵化而成，如图4.2所示。利用FOE LOOP的自动索引功能，完成数组的转换。这里FOE LOOP的自动索引是指使循环外的数组成员逐个依次进入循环框内，或使循环框内的数据累加成一个数组输出循环框外面的功能。这样数据类型的转换

15、就可以直接在VI程序中完成。（c） 通过时域信号采集器，将电压的波形提取出来，在将连续电压值作为VI的输入。循环时会将数据单个的输出，所以很重要的一点是循环结束时不能使用自动索引，否则输出将是一维数组而不是单个的数值。While循环的条件端口选择“Stop If True”,连接的常数设为“T”。（d）定义图标与连接器，创建子VI：双击创建好的子VI，用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在快捷菜单中选择显示连接器。接下来是建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联，把输入端口与时域信号采集器“电压”相连;把两输出端口分别于“Rt”“温度计”两显示模块相连。完成上述工作后，即完成了子VI的建立4

16、.2LabVIEW与Multisim接口电路的设计如果要在multisim中启动和运行labview仪器，所安装的Multisim中必须包含LabVIEW RUN-Time Engine这个模块，该模块是两软件的接口软件，本设计接口部分的目的是把以上LabVIEW中设计的子程序镶嵌到Multisim中进行温度及其他参数的显示。其过程可分以下几个步骤。（1） 把Multisim安装目录下Sampling/LabVIEW Instrument/Templates/ Input文件夹复制到另外一个地方，这样做是为了避免更改了原始模板。（2） 在LabVIEW中打开步骤（1）中所复制的StarterI

17、nputstrument.lvproj工程，接口电路的设计是在StarterInputstrument.vit中进行的。 图4.4 接口电路设计(3)打开StarterInputstrument.vit的框图模板，完成接口框图的设计。在数据处理部分选择“Update DATA”选项进行修改。按框图的说明，在结构框图中单击鼠标右键选择“选择VI”，把在LabVIEW完成的子VI添加在“Update DATA”选项中，子程序的接口连接multism的输出数据接口，在子程序的输出端创建指示器，如图4.4所示。此 时只能在已有的框图的基础上增加新的内容，而不能删除原有的模块。 程序框图设计好以后，要进

18、行前面板的设计，除了要完成功能外，还要兼顾美观。设计好的前面板如图4.5。信号采集部分位于左下框内，t0是采集起始时间，dt是时间间隔，Y是采样值。完成后选择重命名，保存为wendu.vit。图4.5 前面板的设计 (4)在编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设置，打开subVIs下的Start Input Instrument_multisimInformation.vi的后面板，在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标志“wendu”。同时把输入端口数设为“1”，因为只有一个电压输入；同时把输出端口设为“0”，此模块不需要输出。设置完后，另存为wendu multisim Information

19、.vi,注意前半部分的名字和接口部分的命名必须一致。（5）最后要对文件进行编译，编译过后会在Input文件夹下生成一个Build文件夹，打开后把里面的文件复制到Electronics Workbench下的Lvinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入，打开multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示设计的模块。4.3LabVIEW与Multisim联合仿真上述内容已将温度测量系统的设计完成，打开前面在Multisim10中设计的电路，在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示设计的模块。把设计好的电路和显示模块相连接，电路调整后，进行仿真，验证电路设计是否合理。图4

20、.7为所取的4个不同温度时的仿真，可以看出，本设计的非线性误差不大，约为2%，符合设计要求。 （a）-90 （b）-70 （c）-50 （d）-30 图4.7仿真结果结论经过1个月的努力，我的电子测量课程设计最终完成，完成过程让我受益匪浅。在本次设计中，借助NI公司两款功能强大的软件LabVIEW和Multisim，利用铂电阻的温度特性，实现了温度测量系统。该系统通过稳压环节为后面的电路提供基准电压，基本放大电路将信号放大转换，并引入负反馈调节非线性。通过本次设计，我在以下几个方面又获得了一些新的认识：（1）在本设计中，大量的使用了Multisim以及Labview各种仿真分析，使得对电路特性

21、的直观认识，并使我对对这两款软件的用法与用途有了更深刻的认识。（2）通过设计本系统，进一步了解了铂电阻测温的工作原理，并对热电式传感器有有了进一步的掌握（3）在做设计的过程中，遇到了各种各样的困难，从刚开始的完全没有概念，到后来的深刻理解，是一个不断面对困难、解决困难过程，只有经历这个学习解决困难的过程才是真正的财富。但整个系统涉及的技术和知识比较多，在开发过程中受时间限制，还有一些不完善的地方，需要进一步的研究与开发。参考文献1周润景,郝晓霞. Multisim&LabVIEW虚拟仪器设计技术.北京航空航天大学出版社，2008.8.2张永瑞.电子测量技术基础.西安电子科技大学出版社,2010.8.3谢自美.电子线路设计实验测试.华中科技大学出版社，2010.7.4牛德芳.半导体传感器原理及其应用.大连理工大学出版社，1993.2.