虛擬儀器技術(shù)實驗報告

1、成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 虛擬儀器技術(shù)實驗報告 專 業(yè): 學(xué) 號: 姓 名: 2015年11月30日1 正弦信號的發(fā)生及頻率、相位的測量實驗內(nèi)容：l 設(shè)計一個雙路正弦波發(fā)生器，其相位差可調(diào)。l 設(shè)計一個頻率計l 設(shè)計一個相位計分兩種情況測量頻率和相位：l 不經(jīng)過數(shù)據(jù)采集的仿真l 經(jīng)過數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集卡為PCI9112頻率和相位的測量至少有兩種方法l FFT及其他信號處理方法l 直接方法實驗過程：1、 正弦波發(fā)生器，相位差可調(diào)雙路正弦波發(fā)生器設(shè)計程序：相位差的設(shè)計方法：可以令正弦2的相位為0，正弦1的相位可調(diào)，這樣調(diào)節(jié)正弦1的相位，即為兩正弦波的相位差。 2設(shè)計頻率計、相位計方法一：直接讀取從調(diào)

2、節(jié)旋鈕處直接讀取數(shù)值，再顯示出來。方法二：直接測量使用單頻測量模塊進(jìn)行頻率、相位的測量。方法為將模塊直接接到輸出信號的端子，即可讀取測量值。方法三：利用FFT進(jìn)行頻率和相位的測量在頻率譜和相位譜上可以直接讀取正弦信號的主頻和相位。也可通過FFT求得兩正弦波的相位差。即對信號進(jìn)行頻譜分析，獲得信號的想頻特性，兩信號的相位差即主頻率處的相位差值，所以這一方法是針對單一頻率信號的相位差。前面板如下：程序框圖：2幅頻特性的掃頻測量一、實驗?zāi)康?1、掌握BT3 D掃頻儀的使用方法。 2、學(xué)會用掃頻法測量放大電路的幅頻特性、增益及帶寬。 二、工作原理 放大電路的幅頻特性，一般在中頻段中最大，而且基本上不隨

3、頻率而變化。在中頻段以外隨著頻率的升高或降低，放大倍數(shù)都將隨之下降。一般規(guī)定放大電路的頻率響應(yīng)指標(biāo)為3dB，即放大倍數(shù)下降到中頻放大倍數(shù)的70.7%，相應(yīng)的頻率分別叫作下限頻率和上限頻率。上下限頻率之間的頻率范圍稱為放大電路的通頻帶，它是表征放大電路頻率特性的主要指標(biāo)之一。如果放大電路的性能很差，在放大電路工作頻帶內(nèi)的放大倍數(shù)變化很大，則會產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率失真，相應(yīng)的頻率響應(yīng)指標(biāo)用不均勻度表示。 放大電路幅頻特性的測量方法有許多種：點頻法、多頻法和掃頻測量法等。這里僅介紹掃頻測量法。 掃頻法測量幅頻特性的基本測量電路如下圖所示。圖中的掃描信號發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波信號，一方面輸入到示波器的輸入端實現(xiàn)示

4、波器電子束水平掃描的控制，另一方面控制掃頻信號發(fā)生器（實質(zhì)上是一個調(diào)頻振蕩器）的振蕩頻率，隨著鋸齒波電壓從低到高作線性和周期性的變化。由于掃頻信號的頻率和掃描信號的電壓自動地保持線性同步關(guān)系，故熒光屏上的水平掃描線變成了頻率坐標(biāo)線。掃頻信號加到放大電路的輸入端，由于放大電路對不同頻率的信號增益不同，故輸出電壓幅度便隨頻率的變化而變化。由“峰值檢波器”檢出的輸出信號的包絡(luò)曲線與幅頻特性曲線的形狀相同。這個包絡(luò)信號送至示波器的軸輸入端，在水平鋸齒波掃描電壓的作用下，可以在熒光屏上觀察到被測電路的幅頻特性曲線。 在幅頻特性曲線的實際測量中，需要對示波器熒光屏上幅頻特性曲線的頻率坐標(biāo)進(jìn)行“定標(biāo)”，以便

5、確定曲線各點對應(yīng)的頻率。為此，測量電路中還配備有“頻標(biāo)發(fā)生器”，它產(chǎn)生頻率為已知的頻率標(biāo)記信號，測量時疊加在頻率特性曲線上。為了使用的方便，將掃頻信號發(fā)生器、頻標(biāo)信號發(fā)生器、放大、檢波和示波顯示組合在一起，成為專門用于測量電路幅頻特性的專用設(shè)備，稱之為頻率特性測試儀。本實驗將對VHF高頻調(diào)諧器（俗稱高頻頭）作幅頻特性方面的測試。 三、實驗儀器 BT3D RF寬帶掃頻儀，穩(wěn)壓電源，高頻信號發(fā)生器，VHF高頻調(diào)諧器 四、實驗步驟 （一）、掃頻儀電氣性能的檢查(填附表一) 1、掃頻范圍（中心頻率1-300兆，掃頻寬度1-40兆連續(xù)可調(diào)） “全掃”方式下從零頻數(shù)得的50兆頻率標(biāo)記數(shù)應(yīng)大于6個，“窄掃”

6、方式下，旋轉(zhuǎn)“中心頻率”旋鈕，從零頻數(shù)得的50兆頻率標(biāo)記數(shù)應(yīng)大于6個，“掃頻寬度”旋鈕順時針到最大，數(shù)得的10兆頻率標(biāo)記數(shù)應(yīng)大于4個。 2、寄生調(diào)幅系數(shù) 將“射頻輸出”端電纜與“Y輸入”端檢波探頭對接。輸出衰減0dB, Y軸衰減X1，調(diào)Y增益使屏上顯示適當(dāng)高度（6-7格）的矩形方框，測出方框的最大高度A和最小高度B，計算寄生調(diào)幅系數(shù)M 。 3、掃頻線性 連接方法同上，“中心頻率”處于任意位置，調(diào)“掃頻寬度” 約40兆， 查屏幕顯示任一相鄰10兆范圍間隔a和b，計算掃頻非線性系數(shù)r 。 （二）、對VHF高頻調(diào)諧器的測試(填附表二) 1、測繪某頻道下的總幅頻特性曲線 按要求進(jìn)行電路連接，“外頻標(biāo)輸

7、入”送入選定頻道的圖像載頻頻率，調(diào)整掃頻儀的相關(guān)旋鈕，使屏幕上顯示出符合要求的總幅頻特性曲線并測繪之。（VHF 112 頻道頻率表參見表三） 2、測繪某頻道下高頻調(diào)諧器的增益 電路不變，記下屏幕上曲線的高度及掃頻儀的輸出衰減量（設(shè)為N1）。將檢波探頭與掃頻輸出直接相連，調(diào)節(jié)輸出衰減量，使屏幕上兩根水平亮線距離與原來曲線的高度相同，記下此時的輸出衰減量（設(shè)為N2），則高頻調(diào)諧器的增益為N1-N2(dB)（測試過程中Y增益旋鈕不能再動）。 4、測繪某頻道下高頻調(diào)諧器的通道帶寬 電路不變，測量時按帶寬的定義在曲線規(guī)定的范圍內(nèi)數(shù)出頻標(biāo)個數(shù)，再乘以頻標(biāo)所代表的頻率值，則可求得帶寬B（一般將輸出衰減量變化

8、3 dB）。 3 數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計實驗內(nèi)容：l 連續(xù)、定時采集和存儲一個電壓信號l 可回放記錄數(shù)據(jù)的圖形，回放速度可調(diào)。實驗過程：一個數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)調(diào)用（用來分析和展示）。本實驗中把“錄制波形”及“回放波形”兩大過程分別用兩個程序圖實現(xiàn)。通過寫入程序記錄波形后，可通過回放程序?qū)τ涗浀牟ㄐ芜M(jìn)行回放。電壓記錄儀中設(shè)計了信號選擇及參數(shù)調(diào)節(jié)部分來模擬電壓的變化。通過信號選擇可以實現(xiàn)電壓種類的變化，如正弦、方波、直流，通過參數(shù)調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)信號幅值頻率的變化。通過調(diào)節(jié)記錄時間可以實現(xiàn)記錄電壓波形的按需求記錄，如當(dāng)電壓變化不劇烈時可以將間隔設(shè)的大一些，而當(dāng)電壓變化

9、劇烈時將記錄時間設(shè)的短一些。收集的電壓信號存入一個波形數(shù)組，然后可以通過波形圖表顯示出來。在顯示的同時，將波形存入指定路徑的文件中。電壓回放的程序中主要實現(xiàn)了將電壓記錄儀記錄的波形數(shù)組讀入，然后顯示出來。在程序中使用一個for循環(huán)實現(xiàn)了對波形數(shù)組的索引，并通過調(diào)節(jié)for循環(huán)的延時實現(xiàn)了回放時間間隔的可調(diào)。電壓記錄儀前面板：電壓記錄儀程序框圖：電壓回放前面板：電壓回放程序框圖：4功率表的設(shè)計實驗內(nèi)容：l 一個周期（或若干個整周期）的平均功率、有功功率l 同時計算視在功率、無功功率、功率因數(shù)、相位差等首先，應(yīng)當(dāng)在環(huán)境下（不經(jīng)過數(shù)據(jù)采集,使用仿真信號源）檢查算法的效果。實驗過程：在交流電中，電壓電流

10、都隨時間而變，因此電壓與電流的乘機(jī)所表示的功率也隨時間而不斷變化。但是在交流功率中，還有許多具體的內(nèi)容。如有有功功率，功率因數(shù)，視在功率，無功功率，瞬時功率等在現(xiàn)實功率占有很高的地位。電阻元件的瞬時功率p=ui=UI(1-Cos2t)。瞬時功率是t趨近于0時的功率p=lim(t0)W/t=lim(t0) F*s*cos/t = F*v*cos。其中v是瞬時速度，W是功，s是位移，是力與位移或速度的夾角。在正弦穩(wěn)態(tài)電路中我們知道P(t)=u(t)*i(t)。在這里都是瞬時值,其中u(t)和i(t)是用正弦表示的函數(shù)。功率因數(shù)是在在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號c

11、os表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cos=P/S。在一般的單相交流電路（頻率為50Hz）中，電壓與電流之間總存在一定的相位差，可以把電壓和電流分別表示為u(t) =U0 cosw t,和i(t) = I0cos(w t-) .電源輸給該交流電路的瞬時功率可以表示為 (1)可見，瞬時功率是由兩項組成，一項是與時間無關(guān)的常數(shù)項，另一項是以二倍頻率隨時間變化的周期性函數(shù)。通常是用電流在一個周期內(nèi)所完成功率的平均值, 即平均功率來表示交流電的功率，而不是用瞬時功率。交流電的平均功率也稱有功功率，是由下式定義的 (2)將式(1)代入式(2)，得 (3)式中COS稱為功率因數(shù)，表示

12、有功功率在UI中所占比率。上式表示，交流電的有功功率等于電壓和電流的有效值與功率因數(shù)三者的乘積。在純電阻電路中，= 0，COS=1，表示電源提供給電路的有功功率為最大。在純電感或純電容電路中，=± p/2，COS= 0，。從式(1)看，在這種電路中功率的瞬時值并不總為零，只是正值功率的時間與負(fù)值功率的時間相等。瞬時值為正值，表示電源向電路提供能量；瞬時值為負(fù)值，表示電路將能量回授給電源。平均功率為零，說明電源向電路提供的能量與電路回授給電源的能量相等。在一般情況下，+ p/2 >>- p/ 2，1 > COS> 0，。這時，正值功

13、率的時間長于負(fù)值功率的時間，即電源對電路提供的能量大于電路回授給電源的能量。所以，在下述實驗中，我們以一般單相交流電路為基礎(chǔ)，其中有功功率P=UICOS，功率因數(shù)=COS，無功功率Q=UIsin，視在功率（S）、有功功率（P）和無功功率（Q）構(gòu)成一個直角三角形，我們稱為功率三角形。得S*S=P*P+Q*Q，且COS= P/Q。結(jié)構(gòu)框圖如下：電壓波形電流波形采樣有效值檢測有效值檢測視在功率功率因數(shù)COS有功功率無功功率瞬時功率相位差功率分析的結(jié)構(gòu)框圖在界面設(shè)計中，界面分為操作界面和顯示界面，如下圖所示，圖的左邊為用戶操作區(qū)，而右邊為結(jié)果顯示區(qū)。在用戶操作區(qū)中，上面為波形設(shè)計，用于生成頻率50Hz

14、的電壓波形和電流波形，通過旋鈕等器件可控制電壓和電流波形的大小和相位等參數(shù)。下面則為通過計算所得的有功功率，功率因數(shù)，視在功率，無功功率，瞬時功率和電壓電流有效值。另外，還有一個波形選擇的按鈕，也算一個總的控制選擇開關(guān)，用戶通過按鈕可以旋轉(zhuǎn)電壓波形，電流波形，電壓/電流波形，功率波形。在顯示界面區(qū)，在四個顯示屏中顯示電壓波形，電流波形，電壓/電流波形，功率波形。前面板：內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：1）電壓波形的產(chǎn)生與顯示如下圖所示，使用sine wave.vi產(chǎn)生電壓波形。改變sine wave.vi中的采樣，幅值，頻率，相位輸入的大小即可使電壓波形發(fā)生變化，等到用戶所需要的電壓波形，并顯示在graph

15、中。電壓波形內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）電流波形的產(chǎn)生與顯示如下圖所示，和電壓的產(chǎn)生一樣，使用sine wave.vi產(chǎn)生電流波形。改變sine wave.vi中的采樣，幅值，頻率，相位輸入的大小即可使電流波形發(fā)生變化，等到用戶所需要的電壓波形，并顯示在graph中。電流波形內(nèi)部結(jié)構(gòu)3）電壓和電流波形產(chǎn)生與顯示如下圖所示，此結(jié)構(gòu)的功能就是將電壓和電流共同顯示在一個屏中的，便于用戶觀察和對比。將電壓波形和電流波形（采樣后）作為數(shù)組的元素通過Build Array組成數(shù)組一起顯示在graph中Build Array電壓和電流波形內(nèi)部結(jié)構(gòu)4）功率波形的產(chǎn)生與顯示如下圖所示，功率波形的產(chǎn)生與顯示是虛擬功率的分析與設(shè)計非常重要的一個模塊，即核心模塊。 首先，先用Cycle Average and Rms.vi檢測出電壓和電流周期波形的均方根，即電壓和電流的有效值，分別記為U和I。根據(jù)在單相交流電中，視在功率S=電壓有效值U*電流有效值I，求出視在功率。Cycle Average and Rms.vi其次，由于考慮的是交流電，采集后的電壓和電流波形會產(chǎn)生一定的相位差，根據(jù)功率因數(shù)等于相位差的余弦，這樣就能等到功率因數(shù)。因此也就能計算出有功功率，無功功率。 最后，采樣后的