虛擬數(shù)字交流電壓表設計

三、實驗器材

1. 計算機　1臺

2. SJ-8002B電子測量實驗箱（817V4.5）?。迸_

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

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

四、實驗原理

1.交流電壓測量方法

??? 傳統(tǒng)的交流電壓測量技術，大都是采用把交流電壓變換成直流電壓（AC/DC變換）后進行測量，即交流電壓通過檢波器后測量其直流電壓或電流。由于直流電壓及電流測量準確度可做的很高，因此交流電壓測量的準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不同的交流電壓波形（如正弦波，三角波和方波）的響應不同，欲測量電壓，往往有波形影響的誤差。

??????????

?? ?????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1
??? 一個交流電壓的大小，可以用有效值U，峰值，平均值等表征，若被測電壓的瞬時值為，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、、之間的換算關系見表1。

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

??? 本實驗采用了與傳統(tǒng)方法完全不同的交流電壓測量的方法，它基于高速的A/D轉(zhuǎn)換技術測量出交流電壓的波形瞬時值，傳給計算機，由計算積按照式（1）～(3)進行計算，得到交流電壓的各種特征值。
??? 本實驗系統(tǒng)基于虛擬儀器構建的流數(shù)字電壓表通過實驗箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集來實現(xiàn)的。被測的模擬電壓通過數(shù)據(jù)采集得到的離散的數(shù)字信號，由PC機運行虛擬儀器軟件按各種電壓的定義計算出被測電壓的有效值、均值或峰值。
??? 離散信號的電壓平均值及峰值的數(shù)學表達式如下所示：

?? 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，被測電壓的瞬時值數(shù)據(jù)量化更實時準確，而且很容易實現(xiàn)存儲、傳輸、處理等。在對交流電壓的測量，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣速率必須是信號最高頻率的兩倍以上，采樣頻率越高，時間軸上的信號分辨力就越高，所獲得的信號就越能反映原始信號的瞬時變化值。電壓測量的分辨率取決于A/D采樣器件的位數(shù)。
??? Ain1通道接入同樣的采樣時鐘，同時進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖器，送至SRAM鎖存。當一次采集完成后，由主機讀回數(shù)據(jù)，進行進一步的處理，如濾波、顯示等。
?? 數(shù)據(jù)寫入：AD9288在采樣時鐘CLK的控制下，將兩路輸入模擬信號數(shù)字離散為8bit數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖器送至SRAM。地址由同一個地址計數(shù)器提供，該地址計數(shù)器為加/減計數(shù)器（采集數(shù)據(jù)時遞增，讀取時遞減）。這樣，每次采集所得數(shù)據(jù)都會順利的存入SRAM中。

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

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

?? 選用這些秒格序號的原因是，設采樣頻率為fs,總采樣點數(shù)為N，被測信號頻率為fx,則被測信號每周期采樣點數(shù)M=fs/fx,總的采樣點數(shù)為N時，信號周期數(shù)K=N/M=Nfs/fx.測量時，采樣的周期數(shù)>2，每周期采樣點數(shù)>100為好。

五 設計指導

??? 本實驗基于“SJ8002B電子測量實驗箱”的高速數(shù)據(jù)采集和基于PC機的虛擬儀器軟件平臺（LabView）構建，實現(xiàn)交流信號電壓和波形的測量，完成“虛擬存直流電壓表”的設計。SJ8002B的采集通道性能的控制。
?? 1．功能與前面板設計

?? 虛擬直流電壓表主要完成的是對信號發(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，量程和頻率出錯判斷。。根據(jù)SJ8002B高速數(shù)據(jù)采集的性能指標，我們使用了峰值量程的其中的六個檔位，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，界面上還有運行和退出控件，主要是執(zhí)行測量電壓值的控制和退出面板的控制。

軟件流程如下所示：
??????? ???

??? 啟動虛擬儀器labview軟件開發(fā)環(huán)境，建立新的工程文件，打開front Panel設計界面，并存儲，由界面文件自動生成相關流程圖框架。

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

?? 3 動態(tài)鏈接庫的調(diào)用

??? 本程序設計的主要實現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實現(xiàn)），在程序?qū)崿F(xiàn)時可直接調(diào)用實驗箱提供的驅(qū)動函數(shù)動態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅(qū)動函數(shù)原型及常數(shù)和變量在control_channel.prj中。程序設計時，應加入動態(tài)鏈接control_channel.dll。
?? 實現(xiàn)虛擬直流電壓表的驅(qū)動函數(shù)如表5所示：

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

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

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

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

?

雙擊圖圖標，將出現(xiàn)如圖3所示

????????????????????????? ????? 圖 3

?? 此時可根據(jù)調(diào)用函數(shù)的路徑，參數(shù)及名稱進行設置進行得

?? 4. 子VI的編寫與調(diào)用

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

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

六、實驗步驟

?? 1. 采用實驗箱提供的虛擬交流電壓表進行測量的步驟如下：

? （1）按圖5所示各輸入輸出接頭連接實驗系統(tǒng)。

? （2）測量內(nèi)部DDS信號源輸出的交流電壓：

?

?

?

? ? ???? ?? ???? ?? ??? ???? ??????????? 圖 5
????????????
??? 交流數(shù)字電壓表的輸入信號有兩種接法：（1）測外部信號發(fā)生器輸出的交流電壓，如圖5所示的①，由外部的信號發(fā)生器連接Ain1的BNC插頭；一種是如圖5所示的②，由實驗箱內(nèi)的信號源Aout1(或者Aout2)連接實驗箱內(nèi)的采集通道輸入Ain1的BNC接頭；同時可用示波器監(jiān)測輸入信號的幅度和頻率，以便對測量結果進行對照和比較。

?? 軟件調(diào)試：
?? 首先對軟件的功能性測試，可以看到面板上有三組指示燈，超量程、欠量程和頻率出錯的指示。在這里可以分別對三組指示等分別測試功能是否正確。
?? 對超量程，首先輸入一個較大的信號，如5V峰值的正弦波，而虛擬交流電壓表則選擇幅格低于5V的檔位來進行測量，這時可以看到超量程的指示燈亮起，這就說明這個軟件實現(xiàn)了超量程判定的功能。
?? 同理，對于欠量程功能的判定，我們也可以選取一個400mV的正弦信號，而幅格則用5V/div的檔位。這時如果欠量程的指示燈亮起，則說明欠量程測量功能實現(xiàn)。
?? 對于頻率出錯，我們可以選用一個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指示燈亮。這時說明這個功能也成功實現(xiàn)。
?? 然后按照交流電壓表實驗運行交流電壓表程序進行電壓值的測量．

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

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

? 3.交流電壓表實驗

表7

?

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

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

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

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

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

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

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

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

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