《傳感器與檢測技術（第3版）》課件 第15、16章 熱電偶的應用、位移測量系統(tǒng)的設計

第15章熱電偶溫度測量系統(tǒng)的設計15.1設計任務115.2電路原理與設計15.3LabVIEW虛擬儀器設計3215.4

將Multisim導入LabVIEW415.1設計任務15.1設計任務本設計用K型熱電偶設計量程范圍為0～100℃的溫度顯示器，并在電路設計中加入冷端補償器對冷端溫度進行補償，最后利用LabVIEW設計虛擬儀器顯示測量溫度值。通過本設計須掌握以下幾點：1）了解K型熱電偶測量溫度的方法，和電橋補償法。2）掌握利用熱電偶的原理建立仿真模型。3）會使用LabVIEW進行編程。15.2電路原理與設計15.2.1傳感器模型的建立◆熱電偶是把溫度轉化為電勢大小的熱電式傳感器。表15-1為K型熱電偶的分度表，這是在冷端溫度為0℃時測定的數(shù)值。對大量數(shù)據(jù)進行分析，可得熱電偶的數(shù)學模型如下：

式中：tR表示測量溫度；tAMR表示測溫參考點。15.2電路原理與設計

表15-1K型熱電偶的分度表15.2電路原理與設計◆根據(jù)上式在Multisim中建立熱電偶的仿真模型如圖15-1所示。

圖15-1熱電偶模型◆以上模型只是對熱電偶性能的一個近似，是線性的，而實際熱電偶的具有一定的非線性。圖15-2電橋補償15.2.2溫度補償電路的設計◆若用熱電偶測量溫度時，熱電偶的工作端（熱端）被放置在待測溫場中，而自由端（冷端）通常被放在0℃的環(huán)境中。若冷端溫度不是0℃，則會產(chǎn)生測量誤差，此時要進行冷端補償?！舯驹O計的冷端補償采用電橋補償，如圖15-2所示。15.2電路原理與設計

◆三極管基極與集電極相連，相當于一個負溫度系數(shù)的PN結。三極管可選用9013，由于Multisim器件庫中沒有，選用三極管2N2222代替?！綦姌蛑蠷3的值應和R4的值相等，調(diào)節(jié)滑動變阻器使上面的左右兩橋臂的總電阻值也相等，才能使電橋平衡。調(diào)整電橋上下兩臂的電阻的比值，可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，即補償電壓的大小，合理選擇這個比值，可使補償電路的電壓正好等于熱電偶自由端溫度上升而降低的電壓值，從而起到電壓補償?shù)淖饔?。圖12-2（a）框圖面板及函數(shù)模板15.2電路原理與設計15.2電路原理與設計◆注意：電橋調(diào)零時，應使三極管2N2222的參數(shù)測量溫度為0攝氏度，即此時自由端溫度為0攝氏度，不用進行溫度補償?！粞a償電路的輸出端接HB/SC連接器，將該電路全部選中，鼠標右鍵點擊該電路然后選擇用子電路替換，將該子電路的名稱設為K，子電路模塊的兩輸出端分別為補償電路的正負輸出端。圖12-2（b）前面板及控件模板15.2電路原理與設計15.2.3放大電路設計◆放大電路部分與13.2節(jié)的金屬應變片放大電路相似，由儀用放大和比例放大環(huán)節(jié)組成，如圖15-3所示，其中RW1可調(diào)節(jié)儀用放大器的放大倍數(shù)，RW2用于電路調(diào)零。電路設計好后，要進行電橋、比例放大的調(diào)零和增益的調(diào)整。15.2電路原理與設計

圖15-3電路設計15.2電路原理與設計15.2.4直流穩(wěn)壓源設計◆電路中的供電電源都采用15V直流電源直接供電，實際應用中需要設計直流穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)交-直流的轉換，以及穩(wěn)定供電電壓。直流穩(wěn)壓電源電路如圖15-4所示。

圖15-4直流穩(wěn)壓源電路15.2電路原理與設計圖12-3修飾子模塊

15.2.5綜合電路仿真◆綜合電路如圖15-3所示，下面我們主要來對各子電路模塊進行仿真分析。1）熱電偶及熱電偶補償子電路分析

◆在圖15-2的電橋補償電路中，對三極管2N2222進行溫度參數(shù)掃描分析，掃描參數(shù)設為temp（溫度），從0℃～3℃每隔1℃掃描一個值。輸出電壓值為三極管的集電極與發(fā)射極電壓之差，掃描的分析是瞬態(tài)分析。分析的結果如圖15-5所示，溫度每增加1℃，三極管兩端電壓下降約2mV。15.2電路原理與設計圖15-5PN結負溫度特性15.2電路原理與設計◆補償電橋電路應首先調(diào)零，調(diào)零的方法是首先雙擊三極管，打開如圖15-6所示的屬性設置對話框，單擊“EditModel”按鈕，可打開元件模型編輯窗口，如圖15-7所示，將參數(shù)測量溫度設為0℃，然后調(diào)節(jié)滑動變阻器RW，使電橋兩輸出端12盒IO2之間的電壓近似為0。當自由端溫度（即環(huán)境溫度）為25℃時，將模擬環(huán)境溫度的V1的值設為25V，將三極管的參數(shù)測量溫度設為25℃，然后對電路進行參數(shù)掃描分析，其設置如圖15-8所示。

圖12-4圖標編輯15.2電路原理與設計圖15-6三極管2N2222屬性設置對話框圖15-7元件模型編輯窗口15.2電路原理與設計圖12-7連接器和顯示器件關聯(lián)（a）分析參數(shù)設置（b）輸出端設置圖15-8參數(shù)掃描設置15.2電路原理與設計◆選擇模擬溫度變化的電壓源作為掃描對象，在0V到100V的范圍內(nèi)，每隔10V掃描一次，設置掃描直流工作點，輸出變量選擇子電路的兩輸出端之差，如圖15-8（b）所示。掃描結果如圖15-9所示，將該仿真數(shù)據(jù)與表15-1的K型熱電偶分度表進行比較，可知經(jīng)補償后，在表15-1所列的各溫度下，子電路總的輸出電壓和分度表中的值基本相符。◆注意：因仿真中所用的仿真模型只是對熱電偶的近似，所以在自由端溫度為0攝氏度的情況下，熱電偶模型的輸出電壓值就有誤差，而補償電橋的設計只是保證0攝氏度時仿真電橋電路的輸出為0，所以仿真子電路輸出的電壓值和K型熱電偶分度表的相應值會有一定誤差。15.2電路原理與設計

圖15-9參數(shù)掃描分析結果15.2電路原理與設計2）直流穩(wěn)壓源子電路分析下面對這個電路進行如下仿真：①橋式整流輸出電壓：整流橋輸出接負載后，用示波器觀察波形如圖15-10所示。正弦波經(jīng)整流后輸出單一方向的波動。圖15-10整流橋輸出15.2電路原理與設計②濾波后輸出電壓整流橋后接濾波器，輸出接電阻后電路輸出波形如圖15-11所示。由圖可以看到，交流成分減小，但仍然存在小的波動。圖15-11濾波后輸出15.2電路原理與設計③接三端穩(wěn)壓后輸出接三端穩(wěn)壓后，正端接負載后輸出電壓如圖15-12所示。輸出電壓基本穩(wěn)定。圖15-12穩(wěn)壓源輸出15.2電路原理與設計④電壓調(diào)整率輸入220V交流電，變化范圍為＋15%～－20%，所以電壓波動范圍為176V～253V。在額定輸入電壓下，當輸出滿載時，調(diào)整輸出電阻，使電流約為最大輸出電流，即0.1A，得滿載時電阻為138Ω。當輸入電壓為176V、負載為138Ω時，輸出電壓U1為14.832V；當輸入電壓為220V、負載為138Ω時，輸出電壓U0為14.839V；當輸入電壓為253V，負載為138Ω時，輸出電壓U2為14.842V?！袢為U1和U2中相對U0變化較大的值，則U=14.832，所以電壓調(diào)整率：15.2電路原理與設計⑤電流調(diào)整率

設輸入信號為額定220V交流電，當輸出滿載（138Ω）時，輸出電壓U0為14.839V；當輸出空載時，輸出電壓U為15.26V；當輸出為50%滿載時，輸出電壓U0為14.98所以電壓調(diào)整率：⑥紋波電壓：

在額定220V輸入電壓下，輸出滿載，即負載電阻為138Ω時，在示波器中觀察輸出波形，如圖15-13所示。因只選擇了觀察交流成分，所以所觀察到的信號即紋波電壓信號，其峰峰值為2.143nV。15.2電路原理與設計圖15-13波紋電壓示意圖15.2電路原理與設計⑦輸出抗干擾電路分析圖15-14(a)為未加抗干擾電路前系統(tǒng)的幅頻響應圖，可以看到交流成分的幅值很小。當輸出加了抗干擾電路后，輸出的幅頻響應如圖15-14(b)所示，可以看到高頻噪聲得到一定程度的抑制。(a)(b)圖15-14抗干擾電路交流分析15.2電路原理與設計

◆電路分析完成后，對電路進行仿真得到實驗結果如表15-2所示。表15-2實驗數(shù)據(jù)15.3LabVIEW虛擬儀器設計15.3.1數(shù)據(jù)顯示子程序設計

將上節(jié)中表15-2的數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB多項式擬和后，得下式：（15-2）反解得到:

（15-3）15.3LabVIEW虛擬儀器設計①從開始菜單中運行“NationalInstrumentsLabVIE-W”，在GettingStarted窗口左邊的Files控件里，選擇BlankVI建立一個新程序。②框圖程序的繪制：設計的子程序框圖如圖15-15所示。本設計關于數(shù)據(jù)的轉換采用第三種方法設計程序框圖，用這種方法設計的子程序在接口電路設計時不用考慮數(shù)據(jù)轉換。由設計2的方法想到利用ForLoop進行兩次自動索引，便可以使數(shù)據(jù)變?yōu)閱蝹€值顯示，這里省去了矩陣索引函數(shù)。需要注意的是，后面的數(shù)據(jù)通道不能設為自動索引，否則輸出將不再是單個數(shù)值。15.3LabVIEW虛擬儀器設計圖15-15程序框圖15.3LabVIEW虛擬儀器設計

◆圖中U0為時域信號采集器，它將電壓的波形提取出來，再將連續(xù)電壓值作為VI的輸入。時域信號的采集器由控制模板I/O模塊里的波形函數(shù)經(jīng)矩陣化而成。連續(xù)的電壓波形在外層For循環(huán)內(nèi)必須加一個波形元素提取模塊把Y值提取出來，否則數(shù)據(jù)在里層For循環(huán)中不能利用自動索引，達不到數(shù)據(jù)轉換的目的。根據(jù)式15-3在里層For循環(huán)中用常數(shù)和運算函數(shù)構建程序框圖，輸出包括電壓數(shù)顯和溫度計。15.3LabVIEW虛擬儀器設計③定義圖標與連接器◆雙擊右上角圖標進行編輯后，用鼠標右鍵單擊前面板窗口中的圖標窗格，在快捷菜單中選擇ShowConnector，定義連接。◆建立前面板上的控件和連接器窗口的端子關聯(lián)。連接器輸入只有一個，與時域波形采集器相關聯(lián)，輸出有兩個，分別與電壓數(shù)顯模塊和溫度計相關聯(lián)。完成上述工作后，將設計好的VI保存。下次調(diào)用該VI時，圖標與端口如圖15-16所示。圖15-16子VI圖標15.3LabVIEW虛擬儀器設計15.3.2接口電路的設計與編譯◆子程序設計好后，需要設計接口電路。本設計中接口電路的設計與編譯分以下幾步：①把Multisim安裝目錄下Sampling>>LabVIEWInstrum-ents>>Templates>>Input文件夾拷貝到另外一個地方。②在LabVIEW中打開步驟①中所拷貝的StarterInputIn-strument.lvproj工程，如圖15-17。接口電路的設計是在StarterInputInstrument.vit中進行。15.3LabVIEW虛擬儀器設計圖15-17StarterInputInstrument.lvproj工程圖15.3LabVIEW虛擬儀器設計③打開StarterInputInstrument.vit的框圖面板，完成接口框圖的設計。在數(shù)據(jù)處理部分，選擇CASE結構下拉菜單中的UpdateDATA選項進行修改。按框圖中的說明，在結構框中右鍵選擇SelectaVI，把在L-abVIEW完成的子VI添加在UpdateDATA框中即可。此時只能添加功能，不可修改框圖面板的原狀，如圖15-18所示。由于數(shù)據(jù)的轉換在子VI的設計中已經(jīng)實現(xiàn)，所以子VI的輸入直接與Multisim的輸出數(shù)據(jù)相連即可。為子VI的輸出創(chuàng)建指示器，并設置室溫T0為25?？驁D面板設計好后，在前面板中還需進一步地調(diào)整，并用控制模板下的修飾（Decorations）子模板對界面進行美化。最后保存修改，并重命名為proj3.vit。圖15-18數(shù)據(jù)處理部分框圖15.3LabVIEW虛擬儀器設計15.3LabVIEW虛擬儀器設計④注意虛擬儀器信息的設置也可在InstrumentTempl-ate下proj3.vit的程序框圖里設計，如圖15-19所示。打開MultisimInstrInfo子程序設置各項，在儀器ID中和顯示名稱中填入唯一的標識，同時把輸入端口數(shù)設為1，因為只有一個電壓輸入；把輸出端口設為0，此模塊不需要向Multisim輸出。修改后選另存為后把它重命名為proj3_multisimInformation.vi。保存后查看工程文件StarterInputInstrument.lvproj下的SubVIs，它下面的子程序已被修改。15.3LabVIEW虛擬儀器設計

圖15-19ID號A置的另一種方法15.3LabVIEW虛擬儀器設計⑤打開BuildSpecifications，右鍵點擊SourceDistributi-on，選擇屬性設置，在保存目錄和支持目錄中，都將編譯完成后要生成的庫文件重命名，如proj3（.lib）。同時在原文件設置中選擇總是包括所有包含的條目，如圖15-20所示。屬性設置完成并保存后，再在SourceDistribution上點擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Build即可。

15.3LabVIEW虛擬儀器設計

圖15-20屬性設置15.3LabVIEW虛擬儀器設計⑥編譯完成后，在Input文件夾下生成一個Build文件夾，打開后把里面的文件復制到ElectronicsWorkbench\EWB9下的lvinstruments文件夾中，這樣就完成了虛擬儀器的導入，當再打開Multisim時，在LabVIEW儀器下拉菜單下就會顯示你所設計的模塊?！舸蜷_熱電偶的測溫電路，把設計好的顯示模塊接電路輸出，電路調(diào)零后得如圖15-21在不同溫度下的驗證結果，可見誤差較小。15.3LabVIEW虛擬儀器設計（a）20攝氏度

（b）50攝氏度（d）90攝氏度（c）70攝氏度圖5-21顯示結果

15.4將Multisim導入Labview1．在Multisim中添加LabVIEW交互接口：這些Multisim中的接口是分級模塊(HierarchicalBlock)和子電路(Sub-Circuit)接口(Hierarchicalconnector)，用來與LabVIEW仿真引擎之間進行數(shù)據(jù)收發(fā)。1）右鍵點擊鼠標并從彈出的快捷菜單中選擇

Placeonschematic/Hierarchicalconnector。如圖15-22所示。放置一個接口在電路圖的左上方，另一個放置在右上方。按照圖15-23將電路與接口連接起來。15.4將Multisim導入Labview圖15-22選擇交互接口15.4將Multisim導入Labview圖15-23接口電路15.4將Multisim導入Labview2）設置接口：打開View菜單下的LabVIEWCo-simulationTerminals窗口，設置針對LabVIEW的輸入或者輸出。為了將各個接口配置為輸入或者輸出，在模式設置中選擇所需要的選項，然后可以在類型設置中將各個接口設置為電壓或者電流輸出/輸出。如圖15-24所示為設置好的LabVIEWCo-simulationTerminals窗口，圖15-25為即將被Labview調(diào)用的MultisimdesignVIpreview圖標。圖15-24設置接口圖15-25設置好的MultisimdesignVIpreview15.4將Multisim導入Labview2.在Labview中創(chuàng)建一個數(shù)字控制器：要在LabVIEW和Multisim之間傳送數(shù)據(jù)，首先需要使用LabVIEW中的控制與仿真循環(huán)(Control&SimulationLoop)。這里需要注意的是，Multisim安裝包中沒有這個模塊，需要從/labview/cd-sim/zhs/網(wǎng)站下載，然后安裝在Multisim的安裝路徑下。15.4將Multisim導入Labview1）打開Labview的程序框圖（后面板），右鍵點擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到ControlDesign&Simulation?Simulation?Control&SimulationLoop。左鍵點擊，并將其拖放到程序框圖上。如圖15-26所示。圖15-26放置控制與仿真模塊15.4將Multisim導入Labview2）要修改控制仿真循環(huán)的求解算法和時間設置，雙擊輸入節(jié)點，打開ConfigureSimulationParameters窗口。輸入如圖15-27的參數(shù)；在這些選項中使用本文后面提供參數(shù)，可以有效地在LabVIEW的波型圖表中顯示數(shù)據(jù)。也可以根據(jù)自己的需求改變這些參數(shù)。圖15-27節(jié)點參數(shù)設置15.4將Multisim導入Labview3）在VI中添加仿真掛起(HaltSimulation)函數(shù)來停止控制仿真循環(huán)。右鍵點擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到ControlDesign&Simulation?Simulation?Utilities?HaltSimulation。左鍵點擊，并將其拖放到程序框圖上，然后在布爾輸入上右鍵點擊并選擇Create?Control。這樣就可以在VI的前面板上創(chuàng)建一個布爾控件來控制程序的掛起，來停止仿真VI的運行。如圖15-28所示。圖15-28添加HaltSimulation函數(shù)15.4將Multisim導入Labview3.放置MultisimDesignVI1）右鍵點擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到ControlDesign&Simulation?Simulation?ExternalModels?Multisim?MultisimDesign，左鍵點擊，并將其拖放到控制與仿真循環(huán)之中，注意，這個VI必須放置到控制仿真循環(huán)中。如圖15-29所示。圖15-29放置MultisimdesignVIpreview15.4將Multisim導入Labview2）調(diào)用Labview子VI：在Labview的程序框圖中，打開函數(shù)選板，選擇前面設計好的子VI，放在控件與仿真循環(huán)中。如圖15-30所示。圖15-30調(diào)用子VI15.4將Multisim導入Labview3）分別為MultisimDesignVI和Labview子VI創(chuàng)建輸入和顯示控件。右鍵點擊輸入接線端，然后選擇Create?Control來完成創(chuàng)建命令。如圖15-31所示。圖15-31創(chuàng)建輸入及顯示控件15.4將Multisim導入Labview4）連接MultisimDesignVI和Labview子VI：這里涉及到數(shù)據(jù)匹配問題，打開Labview的即時幫助，可以看到Labview子VI的輸入端需要接入的數(shù)據(jù)類型。如圖15-32所示。圖15-32即時幫助15.4將Multisim導入Labview右擊程序框圖，打開函數(shù)選板，Programming?Array?BuildArray（編程>>數(shù)組>>創(chuàng)建數(shù)組）,如圖15-33所示。然后點擊左鍵并將其拖放到程序框圖中，將鼠標指針放到BuildArray函數(shù)下面中間位置，會變成大小調(diào)整指針，然后左鍵點擊，拖動函數(shù)，將BuildArray函數(shù)調(diào)整會兩個輸入端口。將MultisimDesignVI的位移（輸入端）連接到數(shù)組上面的輸入端口，電壓（輸出端）連接到數(shù)組下面的端口。這樣就可以創(chuàng)建一個兩個元素的一位數(shù)組。如圖15-34所示。15.4將Multisim導入Labview圖15-33創(chuàng)建數(shù)組圖15-34連接接口組成一維數(shù)組15.4將Multisim導入Labview現(xiàn)在需要創(chuàng)建一個仿真時間波形來達到數(shù)據(jù)類型的匹配。打開程序框圖，單擊鼠標右鍵，選擇ControlDesign&Simulation?Simulation?GraphUtilities?SimTimeWaveform，VI會自動地放置一個波型圖表（Waveform），如圖15-33.但是我們這里不需要這個圖表（Waveform），所以要將它刪除。然后將SimulationTimeWaveform的輸出端與子Labview的VI連接。如圖15-35所示。圖15-35SimulationTimeWaveform圖標15.4將Multisim導入Labview5）整理前面板：打開前面板窗口，前面板的控件如圖15-36所示。圖15-36前面板圖15.4將Multisim導入Labview6）開始仿真：單擊仿真開始按鈕開始仿真。如圖15-37所示.由結果可知設計基本符合要求。結果如下圖15-38所示。圖15-37仿真控制按鈕15.4將Multisim導入Labview(d)測量溫度為90℃(c)測量溫度為70℃(b)測量溫度為50℃(a)測量溫度為20℃圖15-38實驗結果習題與思考題1.熱電偶補償電橋中，若沒有所提到的三極管，請用其它元件代替，并調(diào)整電橋電路，使補償后的輸出誤差最小。2.試在MATLAB中用最小二乘法對表15-1的數(shù)據(jù)進行擬和，以得到熱電偶的近似模型。3.本設計中LabVIEW虛擬儀器是如何對Multisim輸出的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)類型的轉換的？習題與思考題第16章位移測量系統(tǒng)的設計16.1設計要求116.2電路原理與設計16.3LabVIEW顯示模塊設計316.4將Multisim導入LabVIEW4216.5

硬件驗證與數(shù)據(jù)采集卡的應用516.1設計要求

用霍爾傳感器設計一個量程范圍為-0.6mm～0.6mm的位移測量儀。霍爾傳感器是利用霍爾效應實現(xiàn)磁電轉換的一種傳感器。當霍爾元件作線性測量時，最好選用靈敏度低一點、不等位電位小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。當物體在一對相對的磁鐵中水平運動時，在一定的范圍內(nèi)，磁場的大小隨位移的變化而發(fā)生線性變化，利用此原理可制成位移測量器。通過本設計，要掌握以下內(nèi)容：16.1設計要求16.1設計要求1）了解霍爾傳感器測量位移的原理；2）掌握霍爾元件的測量電路；3）測量電路硬件實現(xiàn)后，當輸出模擬信號，會用數(shù)據(jù)采集卡進行采集；4）掌握采集后的信號在LabVIEW中的處理，實現(xiàn)位移值的顯示；5）了解分別采用軟件仿真和實際硬件電路時，在Lab-VIEW中編程與處理的不同。16.2電路原理與設計16.2.1傳感器模型建立

霍爾傳感器基于霍爾效應，用公式表示如下：（16-1）◆式中:

UH為霍爾電壓；

KH為霍爾元件靈敏度；

I為控制電流；

B為垂直于霍爾元件表面的磁感應強度?！魞蓧K相對的磁鐵間形成磁場，當物體在沿垂直于磁場方向運動時，在一定的測量范圍內(nèi)，磁感應強度與位移的關系是近似線性的。所以輸出電壓與位移也存在線性關系。16.2電路原理與設計◆圖16-1為實際霍爾傳感器測量位移的特性。圖16-1霍爾位移傳感器的特性16.2電路原理與設計◆可見在-0.6mm～0.6mm之間，電壓位移關系近似線性。對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，由于實際數(shù)據(jù)是經(jīng)過放大后的數(shù)據(jù)，在擬合前要將數(shù)據(jù)除以放大倍數(shù)。擬合后的數(shù)學表達式為：式中：UH為霍爾元件輸出電壓，單位為mV；X為被測位移量，單位為mm?！粲梢陨戏治隹芍?，霍爾位移傳感器只在很小的范圍內(nèi)呈線性，所以它是用來測量微小位移的。16.2電路原理與設計◆在Mulitisim中霍爾傳感器模型的建立如圖16-2所示，它的測量范圍是-0.6mm～0.6mm。V1可模擬位移，壓控電壓源V2模擬霍爾元件隨位移而變化的輸出電壓UH。（a）（b）圖16-2霍爾傳感器模型圖中1、2為激勵電極；3、4為霍爾電極16.2電路原理與設計16.2.2放大電路設計◆霍爾電勢一般在毫伏量級，在實際使用時必須加放大電路，此處加的是差分放大電路，如圖16-3所示。圖16-3測量電路16.2電路原理與設計

16.2.3電路仿真分析1）交流分析◆將圖16-3所示電路的1和2節(jié)點之間改接一個交流電壓源，設其幅值和相位分別為1V和50Hz，然后對電路進行交流分析，設開始和終止頻率分別為1Hz和1MHz，輸出節(jié)點選擇節(jié)點12，其它設置按默認設置，仿真結果如圖16-4所示，該放大電路的帶寬約100KHz。16.2電路原理與設計

圖16-4交流分析結果圖12-1為GettingStarted窗口2）傅立葉分析◆電路的輸入端仍然接上面的交流源，對電路進行傅立葉分析，其設置如圖16-5所示，頻率分辨率（基本頻率）項和采樣停止時間項都可通過點擊其后的“Estimate”按鈕進行估計，輸出節(jié)點仍然選擇12點，分析結果如圖16-6所示，由圖中表格可知電路的總諧波失真（THD）較小，各次諧波的幅值也非常小。16.2電路原理與設計16.2電路原理與設計

圖16-5傅立葉分析設置

圖12-2（a）框圖面板及函數(shù)模板圖16-6傅立葉分析結果16.2電路原理與設計16.2電路原理與設計3）直流掃描分析◆按圖16-3所示輸入端接霍爾傳感器模型，對模擬實際位移量的電壓源V1進行直流參數(shù)掃描，分析設置如圖16-7所示，掃描的范圍為-0.6V到0.6V，每0.2V掃描一次，輸出節(jié)點選擇節(jié)點12，掃描的結果如圖16-8所示，可見在-0.6mm～0.6mm位移范圍內(nèi)，電路的輸出近似線性。圖12-2（b）前面板及控件模板16.2電路原理與設計

圖16-7直流掃描分析設置圖16-8直流掃描分析結果

16.2電路原理與設計4）傳遞函數(shù)分析◆將放大電路的輸入端改接一小信號直流電壓源作為輸入源，然后進行傳遞函數(shù)分析，結果如圖16-9所示，放大電路的放大倍數(shù)約為-4.8倍，電路輸入阻抗約為20KΩ，輸出阻抗約為0.024Ω。圖16-9傳遞函數(shù)分析結果16.2電路原理與設計5）參數(shù)掃描分析◆滑動變阻器RW1的中心抽頭打在中間位置不變，對電阻R3的阻值進行參數(shù)掃描，分析其大小的變化對電路放大倍數(shù)的影響。參數(shù)掃描的設置如圖16-10（a）和（b）所示，要分析的輸出變量設為輸出節(jié)點與兩輸入節(jié)點之差的比值，即放大電路的放大倍數(shù)。參數(shù)掃描的分析結果如圖16-11所示，由于電阻R4為51K，所以當反饋回路上總的電阻和R4的阻值不相等，即參數(shù)不對稱時，放大倍數(shù)并不等于反饋回路總電阻與R1阻值的比值，還和R4有關。16.2電路原理與設計（a）分析參數(shù)設置（b）輸出變量設置圖16-10參數(shù)分析設置16.2電路原理與設計圖16-11參數(shù)分析結果16.2電路原理與設計6）實驗數(shù)據(jù)處理◆電路調(diào)好后進行仿真，可得表16-1的實驗結果。

表16-1實驗結果圖12-4圖標編輯用MATLAB進行對表16-1的實驗結果擬合后得：

16.3LabVIEW顯示模塊設計16.3.1位移測量子程序的設計

由上節(jié)式16-3可得位移表達式：

◆根據(jù)式16-4可建立一個子VI，具體步驟如下：①從開始菜單中運行“NationalInstrumentsLabVIEW2019”，在“GettingStarted”窗口左邊的File控件里，選擇NewVI建立一個新程序。16.3LabVIEW顯示模塊設計②框圖程序的繪制：◆為了解決數(shù)據(jù)轉換問題，采用上個設計中采用的數(shù)據(jù)轉換的第3種實現(xiàn)方法設計程序框圖。用這種方法設計的子程序在接口電路設計時就不用考慮數(shù)據(jù)轉換了。利用ForLoop進行兩次自動索引，使數(shù)據(jù)變?yōu)閱蝹€值顯示，這里省去了矩陣索引函數(shù)。需要注意的是，后面的數(shù)據(jù)通道不能設為自動索引，否則輸出將不再是單個數(shù)值。圖中Input為時域信號采集器，它由控制模板I/O模塊里的波形函數(shù)經(jīng)矩陣化而成。連續(xù)的電壓波形在外層For循環(huán)內(nèi)必須加一個波形元素提取模塊把Y值提取出來，否則數(shù)據(jù)在里層For循環(huán)中不能利用自動索引，達不到數(shù)據(jù)轉換的目的。根據(jù)式（16-4）在里層For循環(huán)中用常數(shù)和運算函數(shù)構建程序框圖，輸出為位移值，如圖16-12所示。16.3LabVIEW顯示模塊設計圖12-7連接器和顯示器件關聯(lián)圖16-12程序框圖16.3LabVIEW顯示模塊設計③定義圖標與連接器◆雙擊右上角圖標編輯后如圖16-13（a）所示。用鼠標右鍵單擊前面板窗口中的圖標窗格，在快捷菜單中選擇“ShowConnector”，此時連接窗格為默認模式，用鼠標右鍵點選一種單輸入單輸出的模式，左邊窗格與時域信號采集器Input相關聯(lián)，右邊窗格與位移顯示相關聯(lián)。關聯(lián)后的連接器窗格如圖16-13（b）所示。完成上述工作后，將設計好的VI保存。a）（b）圖16-13圖標與連接器16.3LabVIEW顯示模塊設計

16.3.2接口電路的設計與編譯◆關于接口的研究及LabVIEW儀器向Multisim的導入的原理請參照第12章的內(nèi)容。本設計中接口電路的設計與編譯分以下幾步：①把Multisim安裝目錄下Samples/LabVIEWInstruments/Templates/Input文件夾復制到另外一個地方。16.3LabVIEW顯示模塊設計②在LabVIEW中打開步驟①中所復制的StarterInputInstrument.lvproj工程，如圖16-14所示。接口電路的設計是在StarterInputInstrument.vit中進行的。

圖16-14StarterInputInstrument.lvproj工程圖16.3LabVIEW顯示模塊設計③打開StarterInputInstrument.vit的框圖面板，完成接口框圖的設計。在數(shù)據(jù)處理部分，選擇CASE結構下拉菜單中的“UpdateDATA”選項進行修改。按框圖中的說明，在結構框中右鍵點擊選擇SelectaVI，把在LabVIEW完成的子VI添加在“UpdateDATA”選項中即可。子VI輸入端Input與Multisim的對儀器的輸入端相連，在子VI的輸出端單擊鼠標右鍵創(chuàng)建位移指示表，如圖16-15所示。程序框圖設計好后，要進行前面板的設計，除了要完成功能外，還要兼顧美觀。設計好的前面板如圖16-16所示。完成修改后選擇重命名，保存為proj4.vit。16.3LabVIEW顯示模塊設計圖16-15接口部分設計圖16-16前面板設計16.3LabVIEW顯示模塊設計④編譯之前，要對虛擬儀器進行基本信息設置。打開subVIs下的StarterInputInstrument_multisimInformation.vi的后面板，如圖16-17所示，在儀器ID中和顯示名稱中填入唯一的標志，如一起設為plotterproj4。同時把輸入端口數(shù)設為“1”，因為只有一個電壓輸入；把輸出端口設為“0”，此模塊不需要輸出。設置完后另存為proj4_multisimInformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必須一致。16.3LabVIEW顯示模塊設計圖16-17虛擬儀器基本信息的修改16.3LabVIEW顯示模塊設計⑤編譯屬性設置：打開BuildSpecifications，用鼠標右鍵單擊“SourceDistribution”，選擇屬性設置，在保存目錄和支持目錄中，都將編譯完成后要生成的庫文件重命名，如proj4（.lib）。同時在原文件設置中選擇總是包括所有包含的條目，如圖16-18所示。屬性設置完成并保存后，再在“SourceDistribution”上單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選擇“Build”即可。16.3LabVIEW顯示模塊設計圖16-18編譯屬性設置16.3LabVIEW顯示模塊設計⑥編譯完成后，在Input文件夾下生成一個Build文件夾，打開后把里面的文件復制到NationalInstruments\CircuitDesignSuite14.2下的lvinstruments文件夾中，這樣就完成了虛擬儀器的導入，當再打開Multisim時，在LabVIEW儀器下拉菜單下就會顯示所設計的模塊（plotterproj4），如圖16-19所示。圖16-19Multisim下LabVIEW儀器菜單16.3LabVIEW顯示模塊設計◆霍爾位移測量電路的輸出接設計好的顯示模塊，對電路調(diào)零后可得圖16-20所示的部分結果，可見設計結果基本符合要求。（a）-0.2mm結果（b）0.4mm結果圖16-20實驗結果16.4將Multisim導入Labview1．在Multisim中添加LabVIEW交互接口：這些Multisim中的接口是分級模塊(HierarchicalBlock)和子電路(Sub-Circuit)接口(Hierarchicalconnector)，用來與LabVIEW仿真引擎之間進行數(shù)據(jù)收發(fā)。1）右鍵點擊鼠標并從彈出的快捷菜單中選擇

Placeonschematic/Hierarchicalconnector。如圖16-21所示。放置一個接口在電路圖的左上方，另一個放置在右上方。按照圖16-22將電路與接口連接起來。16.4將Multisim導入Labview圖16-21選擇交互接口16.4將Multisim導入Labview圖16-22接口電路16.4將Multisim導入Labview2）設置接口：打開View菜單下的LabVIEWCo-simulationTerminals窗口，設置針對LabVIEW的輸入或者輸出。為了將各個接口配置為輸入或者輸出，在模式設置中選擇所需要的選項，然后可以在類型設置中將各個接口設置為電壓或者電流輸出/輸出。最后，如果你想將放置的輸入輸出接口設置為不同的功能對，你可以選擇NegativeConnection。將IO1配置為輸入，然后將IO2配置為輸出。如圖16-23所示為設置好的LabVIEWCo-simulationTerminals窗口，圖16-24為即將被Labview調(diào)用的MultisimdesignVIpreview圖標。16.4將Multisim導入Labview圖16-23設置接口圖16-24設置好的MultisimdesignVIpreview16.4將Multisim導入Labview2.在Labview中創(chuàng)建一個數(shù)字控制器：要在LabVIEW和Multisim之間傳送數(shù)據(jù)，首先需要使用LabVIEW中的控制與仿真循環(huán)(Control&SimulationLoop)。這里需要注意的是，Multisim安裝包中沒有這個模塊，需要從/labview/cd-sim/zhs/下載，然后安裝在Multisim的安裝路徑下。16.4將Multisim導入Labview1）打開Labview的程序框圖（后面板），右鍵點擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到ControlDesign&Simulation?Simulation?Control&SimulationLoop。左鍵點擊，并將其拖放到程序框圖上。如圖16-25所示。圖16-25放置控制與仿真模塊16.4將Multisim導入Labview2）要修改控制仿真循環(huán)的求解算法和時間設置，雙擊輸入節(jié)點，打開ConfigureSimulationParameters窗口。輸入如圖16-26的參數(shù)；在這些選項中使用本文后面提供參數(shù)，可以有效地在LabVIEW的波型圖表中顯示數(shù)據(jù)。也可以根據(jù)自己的需求改變這些參數(shù)。圖16-26節(jié)點參數(shù)設置16.4將Multisim導入Labview3）在VI中添加仿真掛起(HaltSimulation)函數(shù)來停止控制仿真循環(huán)。右鍵點擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到ControlDesign&Simulation?Simulation?Utilities?HaltSimulation。左鍵點擊，并將其拖放到程序框圖上，然后在布爾輸入上右鍵點擊并選擇Create?Control。這樣就可以在VI的前面板上創(chuàng)建一個布爾控件來控制程序的掛起，來停止仿真VI的運行。如圖16-27所示。圖16-27添加HaltSimulation函數(shù)16.4將Multisim導入Labview3.放置MultisimDesignVI1）右鍵點擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到ControlDesign&Simulation?Simulation?ExternalModels?Multisim?MultisimDesign，左鍵點擊，并將其拖放到控制與仿真循環(huán)之中，注意，這個VI必須放置到控制仿真循環(huán)中。將MultisimDesignVI放置到程序框圖上以后，會彈出選擇一個Multisim設計（SelectaMultisimDesign）對話框。在對話框中你可以直接輸出文件的路徑，或者瀏覽到文件所在的位置來進行指定。如圖16-28所示。MultisimDesignVI會生成接線端，接線端的形式與Multisim環(huán)境中的MultisimDesignVI預覽一致，具有相對應的輸入與輸出。如果接線端沒有顯示出來。左鍵點擊下雙箭頭，展開接線端。16.4將Multisim導入Labview圖16-28放置MultisimdesignVIpreview16.4將Multisim導入Labview2）調(diào)用Labview子VI：在Labview的程序框圖中，打開函數(shù)選板，選擇前面設計好的子VI，放在控件與仿真循環(huán)中。如圖16-29所示。圖16-29調(diào)用子VI16.4將Multisim導入Labview3）分別為MultisimDesignVI和Labview子VI創(chuàng)建輸入和顯示控件。右鍵點擊輸入接線端，然后選擇Create?Control來完成創(chuàng)建命令。如圖16-30所示。圖15-31創(chuàng)建輸入及顯示控件16.4將Multisim導入Labview4）連接MultisimDesignVI和Labview子VI：這里涉及到數(shù)據(jù)匹配問題，打開Labview的即時幫助，可以看到Labview子VI的輸入端需要接入的數(shù)據(jù)類型。如圖16-31所示。圖16-31即時幫助16.4將Multisim導入Labview右擊程序框圖，打開函數(shù)選板，Programming?Array?BuildArray（編程>>數(shù)組>>創(chuàng)建數(shù)組）,如圖16-32所示。然后點擊左鍵并將其拖放到程序框圖中，將鼠標指針放到BuildArray函數(shù)下面中間位置，會變成大小調(diào)整指針，然后左鍵點擊，拖動函數(shù)，將BuildArray函數(shù)調(diào)整會兩個輸入端口。將MultisimDesignVI的位移（輸入端）連接到數(shù)組上面的輸入端口，電壓（輸出端）連接到數(shù)組下面的端口。這樣就可以創(chuàng)建一個兩個元素的一位數(shù)組。如圖16-33所示。16.4將Multisim導入Labview圖16-32創(chuàng)建數(shù)組圖16-33連接接口組成一維數(shù)組16.4將Multisim導入Labview現(xiàn)在需要創(chuàng)建一個仿真時間波形來達到數(shù)據(jù)類型的匹配。打開程序框圖，單擊鼠標右鍵，選擇ControlDesign&Simulation?Simulation?GraphUtilities?SimTimeWaveform，VI會自動地放置一個波型圖表（Waveform），如圖16-34.但是我們這里不需要這個圖表（Waveform），所以要將它刪除。然后將SimulationTimeWaveform的輸出端與子Labview的VI連接。如圖16-35所示。圖16-35

設計完成的控件與仿真循環(huán)圖16-34SimulationTimeWaveform圖標16.4將Multisim導入Labview5）整理前面板：打開前面板窗口，前面板的控件如圖16-36所示。圖16-36前面板圖16.4將Multisim導入Labview這里我們可以把輸入控件替換成其他的樣式，例如我們用一個滑竿或者旋鈕代替輸入控件。右鍵單擊位移輸入控件，單擊替換，然后選擇需要的數(shù)字輸入控件。這里我們選擇一個垂直的填充滑竿代替。并設置他的標尺范圍為-0.6~0.6.如圖16-37所示。圖16-37整理好的前面板圖16.4將Multisim導入Labview6）開始仿真：單擊仿真開始按鈕開始仿真。如圖16-39所示.由結果可知設計基本符合要求。結果如下圖16-40所示。圖16-39仿真控制按鈕16.4將Multisim導入Labview(b)測量位移為0.4mm(a)測量位移為-0.2mm圖16-40實驗結果16.5硬件驗證與數(shù)據(jù)采集卡的應用16.5.1硬件連接

霍爾位移傳感器的安裝如圖16-40所示，電路調(diào)理部分和上面Multisim仿真的電路相同。16-40霍爾傳感器安裝示意圖16.5硬件驗證與數(shù)據(jù)采集卡的應用◆開啟電源，調(diào)節(jié)測微頭使霍爾片在磁鋼中間位置，再調(diào)節(jié)控制電流使霍爾調(diào)理電路輸出為零。連接電路輸出到數(shù)據(jù)采集卡NIPCI6014，由于輸入信號為接地信號，且輸入干擾少，所以采用非參考單端方式在通道0進行信號采集，電路連接示意圖如圖16-41所示，其中V1正極就是霍爾位移測量電路的輸出電壓，和數(shù)據(jù)采集卡的通道0相連；負極為地信號，和數(shù)據(jù)采集卡的AISENSE端相連。16-41接地信號的連接16.5硬件驗證與數(shù)據(jù)采集卡的應用

16.5.2軟件設計

1）數(shù)據(jù)采集卡的配置◆連接好數(shù)據(jù)采集卡，并安裝硬件驅(qū)動程序。打開資源管理程序Measurement&AutomationExplorer，如圖16-42所示，本機系統(tǒng)DevicesandInterfaces子樹下可以看到數(shù)據(jù)采集卡PCI6014已經(jīng)安裝好，且知PCI6014只限于傳統(tǒng)NI-DAQ系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

16.5硬件驗證與數(shù)據(jù)采集卡的應用圖16-42Measurement&AutomationExplorer界面16.5硬件驗證與數(shù)據(jù)采集卡的應用◆使用前需要對數(shù)據(jù)采集卡的屬性進行設置，同時測試用到的輸入/輸出通道是否正常工作。在PCI6014上單擊鼠標右鍵選擇“Properties…”可對設備進行設置，如圖16-43所示。在這個對話框中可對硬件作如下設置。圖16-43設備屬性對話框16.5硬件驗證與數(shù)據(jù)采集卡的應用●System：包括設備的編號和Windows給卡分配的系統(tǒng)資源，在這個標簽下單擊“TestResources”按鈕，彈出一個對話框，說明資源已