實驗四虛擬電壓表的設(shè)計和虛擬數(shù)字萬用表的使用

1、 虛擬儀器技術(shù)實 驗 報 告 學(xué)生姓名 學(xué) 號 日 期 實驗四、虛擬電壓表的設(shè)計和虛擬數(shù)字萬用表的使用一、實驗原理1）一般電壓表和萬用表的工作原理和使用方法。2）交流電各種電壓值表示的概念以及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。3）子VI的創(chuàng)建方法。二、實驗?zāi)康?）掌握虛擬電壓表和數(shù)字萬用表的設(shè)計和使用方法2）進一步掌握LabVIEW的使用，特別是控件屬性的操作以及子VI的使用。三、實驗內(nèi)容及要求1）利用LabVIEW 設(shè)計一簡易虛擬電壓表。功能要求：具有普通電壓表的基本功能，用戶可選擇直流測量和交流測量。對于直流電壓只需顯示電流值大小，對于交流電則需要顯示該交流電的峰值、有效值、平均值和直流分量（若存在）。同時能

2、夠提供虛擬輸入和實際輸入兩種測量信號，虛擬輸入時能夠顯示信號波形。其他要求：對虛擬電壓表進行初始設(shè)置，即每次運行程序時電壓表的初始界面一致，具體表現(xiàn)在開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，波形圖窗口清空，其他控件處于使能狀態(tài)下。實際輸入時禁用仿真參數(shù)設(shè)置控件，仿真輸入時測量直流電壓值時禁用信號幅度、頻率、初始相位、占空比、信號類型等控件。2）創(chuàng)建自行設(shè)計的虛擬電壓表子VI。3）使用NI ELVIS提供的數(shù)字萬用表（DMM）模塊完成電阻、電流和電壓的測量，并就其中的電壓測量部分與自行設(shè)計的虛擬電壓表進行比較和分析。四、實驗步驟1）參考程序流程圖如圖4.1所示；參考前面板設(shè)計如圖4.2所示，該前面板除具有實驗三函數(shù)發(fā)

3、生器的參考前面板中所有的輸入控件外，還添加了仿真與實際信號的切換按鈕，交流/直流測量的切換按鈕，開關(guān)按鍵，電源指示燈以及結(jié)果顯示包括：直流分量，平均值，有效值和峰峰值（可以根據(jù)需求自行添加或刪減）；參考程序框圖設(shè)計如圖4.3所示。本次虛擬電壓表的設(shè)計與實際使用的模擬/數(shù)字電壓表是存在很大差別的，為便于實驗做了大量簡化。實驗的主要目的是了解LabVIEW中對子函數(shù)的調(diào)用及使用方法，LabVIEW中有關(guān)屬性節(jié)點、局部變量的使用和有關(guān)用戶界面設(shè)計的一些基本方法，以及利用DAQ處理采集數(shù)據(jù)的方法（此部分需要結(jié)合實驗二中相關(guān)內(nèi)容）。程序框圖圖4.3看似復(fù)雜，其實大量的工作是用于完成空間的屬性操作和有關(guān)程

4、序初始化設(shè)置的問題，真正用于數(shù)據(jù)處理的模塊其實只有三個（具體見實驗提示4）。圖4.2 實驗四參考前面板設(shè)計圖4.3 部分參考程序框圖2）本次實驗的程序框圖中使用了LabVIEW中特有的一種順序結(jié)構(gòu)（Sequence Structure），這主要是緣于LabVIEW采用了多線程并行的運行機制，這是G語言不同于一般文本語言主要特點之一，即程序內(nèi)的代碼是同時運行的。所以對于控件的初始顯示可采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)（Flat Sequence Structure）或堆棧式順序結(jié)構(gòu)（Stacked Sequence Structure）的方法，在第一幀中設(shè)置各個控件的初始設(shè)置。初始化設(shè)置是通過控件的屬性控制以

5、及常量和局部變量設(shè)置完成的。如圖4.3所示，參考程序框圖采用了平鋪式順序結(jié)構(gòu)，LabVIEW在執(zhí)行程序時先從左邊的幀開始，依次執(zhí)行右面幀內(nèi)的程序（本次只有兩個幀，幀內(nèi)的程序還是同時執(zhí)行的）。左邊幀內(nèi)完成程序初始化設(shè)置，左邊一列是控件的使能控制，0是Enabled（啟用），1是Disabled（禁用），2是Disabled and Grayed out（禁用且變灰）。這是通過控件的屬性節(jié)點完成的，而右邊一列則是對變量數(shù)值的初始設(shè)置，用局部變量完成。3）虛擬輸入信號的提供可采用實驗三中自行設(shè)計的虛擬函數(shù)發(fā)生器。有關(guān)子VI的創(chuàng)建方法已介紹，本次實驗主要是使用實驗三中創(chuàng)建的子VI，在程序框圖中的函數(shù)面

6、板中選擇VI添加創(chuàng)建的子VI。自行創(chuàng)建的子VI和LabVIEW提供的各種函數(shù)模塊的使用方法相同。關(guān)于子VI屬性的設(shè)置在主菜單中選擇“文件/VI屬性”，進入VI屬性對話框，根據(jù)類別更改VI屬性。這里需要注意的是while循環(huán)對子VI的影響，建議在創(chuàng)建子VI時去掉原先程序框圖中用于使程序連續(xù)執(zhí)行的while循環(huán)，或用一布爾真常量控制while循環(huán)的結(jié)束符（即讓此while循環(huán)只循環(huán)一次）。此外，對于直流信號可以直接利用“初始化數(shù)組”模塊完成。4）有關(guān)交流電壓波形的參數(shù)如表4.1所示，可以根據(jù)表4.1中參數(shù)的關(guān)系再利用信號的波峰值求取其他參數(shù)值。事實上，LabVIEW提供用于計算這些參數(shù)的模塊。對于

7、波峰的求取，可使用波形最大最小值模塊（Waveform Min Max.vi），位于“函數(shù)面板/編程/波形/模擬波形”下，如圖4.4所示。有效值和直流分量可利用位于“函數(shù)面板/編程/波形/模擬波形/波形測量”下的基本平均直流-均方根模塊（NI_MAPro.lvlib: Basic Averaged DC-RMS.vi）實現(xiàn)，如圖4.5所示，缺省情況下均方根即有效值。求取平均值的均值模塊位于“函數(shù)面板/數(shù)學(xué)/概率與統(tǒng)計”中，如圖4.6所示。表4.1 幾種典型的交流電壓波形的參數(shù)其中U是波峰值。圖4.4 波形最大最小值模塊圖4.5 基本平均直流-均方根模塊圖4.6 均值模塊5）圖4.4、圖4.5和

8、圖4.6所示的三個數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端均可以為波形數(shù)據(jù)，求均值模塊可自行提取波形數(shù)據(jù)中的波形數(shù)組數(shù)據(jù)。這里要說明的在使用這些數(shù)據(jù)處理模塊時，對數(shù)據(jù)本身還是需要做一些其他處理。首先，求取均值時需要將波形數(shù)組數(shù)據(jù)絕對值化，這是由交流信號的平均值定義決定，如果不取絕對值那平均值都為0，失去了實際意義。其次，提供的參考程序框圖圖4.3中使用了“獲得波形成分”模塊，獲取采集信號的波形數(shù)組數(shù)據(jù)、采樣時間和采樣起始時間，用于提取采集信號中一個完整周期。要提取出信號的至少一個完整周期的采樣值的原因，是因為交流信號的有效值、平均值等都是以具備完整周期數(shù)的信號計算的，而實際采樣時很難保證采樣值為原信號的整周期倍數(shù)

9、，如果直接使用采樣值計算平均值和有效值將帶來較大誤差。因而，本次實驗中在實際采樣信號時要得到原周期信號的完整信息或是對周期信號處理時，采集到的采樣值至少要大于一個完整的周期（實際對于正弦波、三角波只要能夠測量出波峰與波谷也能計算出原波形）。要得到一個完整周期的采樣點數(shù)，首先要明白信號頻率F、采樣頻率F、采樣點數(shù)N之間的關(guān)系：其中F1是頻率為Fs的采樣信號采集Ns個采樣點數(shù)的原信號的結(jié)果為一個完整周期的原信號頻率，為實際采集到信號的周期數(shù)，N為一個完整周期的采樣點數(shù)?？梢钥闯鯪1實際就是標準頻率f=F/F的倒數(shù)，這也就是在LabVIEW的數(shù)字系統(tǒng)中都采用標準頻率的原因之一。位于“函數(shù)面板/Express/信號分析（Signal Analysis）”下的單頻測量（Tone Measurements）Express模塊能夠直接得出采樣信號的