虛擬數(shù)字交流電壓表設(shè)計(jì)

三、實(shí)驗(yàn)器材

1. 計(jì)算機(jī)　1臺(tái)

2. SJ-8002B電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱（817V4.5）?。迸_(tái)

3. SAMPO(FG1617)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（1Hz～1MHz）　1臺(tái)

4. TEK（TDS2012）雙蹤示波器（20MHz以上的模擬或數(shù)字示波器） 1臺(tái)

四、實(shí)驗(yàn)原理

1.交流電壓測(cè)量方法

??? 傳統(tǒng)的交流電壓測(cè)量技術(shù)，大都是采用把交流電壓變換成直流電壓（AC/DC變換）后進(jìn)行測(cè)量，即交流電壓通過(guò)檢波器后測(cè)量其直流電壓或電流。由于直流電壓及電流測(cè)量準(zhǔn)確度可做的很高，因此交流電壓測(cè)量的準(zhǔn)確度在很大程度上取決于檢波器的性能。使用檢波器類型不同，有峰值，均值，有效值方式的電壓表，各種方式的電壓表對(duì)不同的交流電壓波形（如正弦波，三角波和方波）的響應(yīng)不同，欲測(cè)量電壓，往往有波形影響的誤差。

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?? ?????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1
??? 一個(gè)交流電壓的大小，可以用有效值U，峰值，平均值等表征，若被測(cè)電壓的瞬時(shí)值為，則
?? 全波平均值為

????????????? 　　　????? （1）
?? 有效值為

? ?????????? 　　　　? （2）

?? 波形因數(shù)為??? 　　　?????????? （3）

?? 波峰因數(shù)為?? ?????????????? ?? （4）

?? 幾種典型電壓波形的U、、之間的換算關(guān)系見(jiàn)表1。

???????? ??????????? ???????????? ???????? ??????? 表1

??? 本實(shí)驗(yàn)采用了與傳統(tǒng)方法完全不同的交流電壓測(cè)量的方法，它基于高速的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)測(cè)量出交流電壓的波形瞬時(shí)值，傳給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算積按照式（1）～(3)進(jìn)行計(jì)算，得到交流電壓的各種特征值。
??? 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于虛擬儀器構(gòu)建的流數(shù)字電壓表通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集來(lái)實(shí)現(xiàn)的。被測(cè)的模擬電壓通過(guò)數(shù)據(jù)采集得到的離散的數(shù)字信號(hào)，由PC機(jī)運(yùn)行虛擬儀器軟件按各種電壓的定義計(jì)算出被測(cè)電壓的有效值、均值或峰值。
??? 離散信號(hào)的電壓平均值及峰值的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

?? 電壓有效值： ??????? 　　? 　???? （5）

?? 電壓平均值：　 ?????? 　 ???? （6）

? 電壓峰－峰值： ??????????? ????????? （7）

?? 在上面各式中，其中N為整周期倍數(shù)的采樣點(diǎn)總數(shù)，VK為第K次采樣值。

?? 與傳統(tǒng)的模擬電壓表相比，被測(cè)電壓的瞬時(shí)值數(shù)據(jù)量化更實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，而且很容易實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、傳輸、處理等。在對(duì)交流電壓的測(cè)量，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣速率必須是信號(hào)最高頻率的兩倍以上，采樣頻率越高，時(shí)間軸上的信號(hào)分辨力就越高，所獲得的信號(hào)就越能反映原始信號(hào)的瞬時(shí)變化值。電壓測(cè)量的分辨率取決于A/D采樣器件的位數(shù)。
??? Ain1通道接入同樣的采樣時(shí)鐘，同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)緩沖器，送至SRAM鎖存。當(dāng)一次采集完成后，由主機(jī)讀回?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如濾波、顯示等。
?? 數(shù)據(jù)寫入：AD9288在采樣時(shí)鐘CLK的控制下，將兩路輸入模擬信號(hào)數(shù)字離散為8bit數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)緩沖器送至SRAM。地址由同一個(gè)地址計(jì)數(shù)器提供，該地址計(jì)數(shù)器為加/減計(jì)數(shù)器（采集數(shù)據(jù)時(shí)遞增，讀取時(shí)遞減）。這樣，每次采集所得數(shù)據(jù)都會(huì)順利的存入SRAM中。

2．交流電壓表的相關(guān)參數(shù)
?? 下面主要介紹一下每個(gè)電壓表的檔位對(duì)應(yīng)的通道增益放大倍數(shù)，由于此電壓表分為了6檔，因此對(duì)應(yīng)的關(guān)系如下表所示。
????????????????????????????????????????????????表2

?? 由于選用的A/D輸入范圍為1V，再考慮適當(dāng)?shù)倪^(guò)載的情況的話，
??? 以及對(duì)應(yīng)的秒格序號(hào)（總的采集點(diǎn)數(shù)5000點(diǎn)）：
???????????????????????????????????????????????? 表3

?? 選用這些秒格序號(hào)的原因是，設(shè)采樣頻率為fs,總采樣點(diǎn)數(shù)為N，被測(cè)信號(hào)頻率為fx,則被測(cè)信號(hào)每周期采樣點(diǎn)數(shù)M=fs/fx,總的采樣點(diǎn)數(shù)為N時(shí)，信號(hào)周期數(shù)K=N/M=Nfs/fx.測(cè)量時(shí)，采樣的周期數(shù)>2，每周期采樣點(diǎn)數(shù)>100為好。

五 設(shè)計(jì)指導(dǎo)

??? 本實(shí)驗(yàn)基于“SJ8002B電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱”的高速數(shù)據(jù)采集和基于PC機(jī)的虛擬儀器軟件平臺(tái)（LabView）構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)電壓和波形的測(cè)量，完成“虛擬存直流電壓表”的設(shè)計(jì)。SJ8002B的采集通道性能的控制。
?? 1．功能與前面板設(shè)計(jì)

?? 虛擬直流電壓表主要完成的是對(duì)信號(hào)發(fā)出的數(shù)據(jù)的采集和處理，并將其顯示在LabView的前面板上。因此，在虛擬直流電壓表的前面板上需要有峰值量程，頻率范圍，三組電壓值顯示，電壓值的指針顯示，采集波形顯示，量程和頻率出錯(cuò)判斷。。根據(jù)SJ8002B高速數(shù)據(jù)采集的性能指標(biāo)，我們使用了峰值量程的其中的六個(gè)檔位，分別為：100mV,1V,2.5V,5V,10V和25V，頻率范圍分為了：1Hz-100Hz,100Hz-1KHz,1KHz-10KHz,10KHz-1MHz。此外，界面上還有運(yùn)行和退出控件，主要是執(zhí)行測(cè)量電壓值的控制和退出面板的控制。

軟件流程如下所示：
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??? 啟動(dòng)虛擬儀器labview軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，建立新的工程文件，打開(kāi)front Panel設(shè)計(jì)界面，并存儲(chǔ)，由界面文件自動(dòng)生成相關(guān)流程圖框架。

?? 本程序用到的前面板控件有：
???? ??? ?? ??? ??? ??? ?? ??? ??? ?? ??? ?? 表 4

?? 3 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的調(diào)用

??? 本程序設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實(shí)現(xiàn)），在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)可直接調(diào)用實(shí)驗(yàn)箱提供的驅(qū)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅(qū)動(dòng)函數(shù)原型及常數(shù)和變量在control_channel.prj中。程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加入動(dòng)態(tài)鏈接control_channel.dll。
?? 實(shí)現(xiàn)虛擬直流電壓表的驅(qū)動(dòng)函數(shù)如表5所示：

??????? ???????????????????? ??????????????? 表 5

?? 動(dòng)態(tài)鏈接調(diào)用舉例： int led_display(double display_data):
?? 在block panel中點(diǎn)擊右鍵：All functions>Advanced>Call library function node.

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???????????????????? ??? ?????????? 圖 2

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雙擊圖圖標(biāo)，將出現(xiàn)如圖3所示

????????????????????????? ????? 圖 3

?? 此時(shí)可根據(jù)調(diào)用函數(shù)的路徑，參數(shù)及名稱進(jìn)行設(shè)置進(jìn)行得

?? 4. 子VI的編寫與調(diào)用

??? 本程序除了調(diào)用了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)以外還編寫并調(diào)用了多個(gè)子VI，使得整個(gè)程序更加的緊湊和完善，子VI編寫過(guò)程和整個(gè)程序的編寫都是相同的。但不同的是在子VI的程序做好后要對(duì)其做輸入和輸出的引腳，以便在調(diào)用子VI的時(shí)候就能夠方便的進(jìn)行程序的編寫。本程序在編寫中主要調(diào)用了以下的幾個(gè)子VI程序，如表6

???????????????????????????????????????????????????? 表 6

六、實(shí)驗(yàn)步驟

?? 1. 采用實(shí)驗(yàn)箱提供的虛擬交流電壓表進(jìn)行測(cè)量的步驟如下：

? （1）按圖5所示各輸入輸出接頭連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

? （2）測(cè)量?jī)?nèi)部DDS信號(hào)源輸出的交流電壓：

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?

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? ? ???? ?? ???? ?? ??? ???? ??????????? 圖 5
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??? 交流數(shù)字電壓表的輸入信號(hào)有兩種接法：（1）測(cè)外部信號(hào)發(fā)生器輸出的交流電壓，如圖5所示的①，由外部的信號(hào)發(fā)生器連接Ain1的BNC插頭；一種是如圖5所示的②，由實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的信號(hào)源Aout1(或者Aout2)連接實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的采集通道輸入Ain1的BNC接頭；同時(shí)可用示波器監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)的幅度和頻率，以便對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)照和比較。

?? 軟件調(diào)試：
?? 首先對(duì)軟件的功能性測(cè)試，可以看到面板上有三組指示燈，超量程、欠量程和頻率出錯(cuò)的指示。在這里可以分別對(duì)三組指示等分別測(cè)試功能是否正確。
?? 對(duì)超量程，首先輸入一個(gè)較大的信號(hào)，如5V峰值的正弦波，而虛擬交流電壓表則選擇幅格低于5V的檔位來(lái)進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)可以看到超量程的指示燈亮起，這就說(shuō)明這個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)了超量程判定的功能。
?? 同理，對(duì)于欠量程功能的判定，我們也可以選取一個(gè)400mV的正弦信號(hào)，而幅格則用5V/div的檔位。這時(shí)如果欠量程的指示燈亮起，則說(shuō)明欠量程測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)。
?? 對(duì)于頻率出錯(cuò)，我們可以選用一個(gè)5KHz的電壓，而頻率范圍我們則選用在非5KHz的范圍，則可以看到頻率出錯(cuò)指示燈亮。這時(shí)說(shuō)明這個(gè)功能也成功實(shí)現(xiàn)。
?? 然后按照交流電壓表實(shí)驗(yàn)運(yùn)行交流電壓表程序進(jìn)行電壓值的測(cè)量．

?? 2. 使用如圖6所示虛擬交流數(shù)字電壓表的面板，進(jìn)行測(cè)量操作。

?????????????????????????????????????? 圖6 ? 虛擬交流數(shù)字電壓表面板
??? 使用說(shuō)明：

? 3.交流電壓表實(shí)驗(yàn)

表7

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?????????????????????????????????????????????? 圖? 7

??????????????????

???????????????????????????????????????????????? 圖8

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? ?? ???????? ??????? ???????????????? ??? 圖 9

? （２） 由外部信號(hào)源輸出不同頻率、峰值為1V的正弦（三角波、方波）電壓信號(hào)，用虛擬交流數(shù)字電壓表測(cè)量其有效值、平均值，并與理論值比較做誤差分析，并將測(cè)量和計(jì)算結(jié)果填入表8

?????????????????????????????????????????????????????????? 表8

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?????????????????????????????????????????? 圖 10

????????????????????????????????????????????????????? ?????? 表9