-z. 電氣參數(shù)測(cè)量的虛擬儀器研制 摘要虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器，它與傳統(tǒng)儀器相比有很多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)開(kāi)展迅速。為了滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展、創(chuàng)新的需要，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的要求，我們研制了電工教學(xué)虛擬儀器儀表系統(tǒng)。本系統(tǒng)完成了對(duì)電工實(shí)驗(yàn)中的常見(jiàn)電氣參數(shù)如：交流電壓、電流；直流電壓、電流；電阻、電容、電感的測(cè)量，以及包含了數(shù)字示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器功能模塊。本系統(tǒng)硬件由調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。本文重點(diǎn)闡述了交流調(diào)理電路、直流調(diào)理電路、RLC調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)中，我們通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的DO口輸出儀器的控制信號(hào)，控制繼電器實(shí)現(xiàn)測(cè)量電路的量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換。我們選用雙諾公司的AC6111型數(shù)據(jù)采集卡。虛擬儀器應(yīng)用程序用VisualBasic6.0編寫(xiě)。本虛擬儀器以虛擬面板作為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的測(cè)量計(jì)算，波形顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。本系統(tǒng)有著重模塊化的程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)思路，包含了數(shù)據(jù)采集、量程轉(zhuǎn)換和控制、數(shù)字波形、參數(shù)測(cè)量、以及線(xiàn)性修正等子程序模塊。本文還給出了作者對(duì)各個(gè)局部的電路性能的測(cè)量。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，系統(tǒng)到達(dá)了設(shè)計(jì)的要求。文章最后提出了本系統(tǒng)有待進(jìn)一步研究的主要問(wèn)題。關(guān)鍵詞：電氣參數(shù)；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集AbstractVirtualInstrumentisthemeasuringinstrumentbasedonputers.Ithasmoreadvantagesthantraditionalmeasuringinstrumentandhasmadegreatimprovementinrecentyears.WedeveloptheVirtualInstrumentsystemofelectricale*perimentstosatisfytheneedsofe*perimentalteachingdevelopment,andtorealizethedemandsofintelligentandnetworke*periment.Thesystemcanmeasuremostusefulparametersinelectricale*periments,suchasACvoltage,ACcurrent,DCvoltage,DCcurrent,resistance,capacitance,inductance,andaswellashavingcontainedthefunctionmodulesofdigitaloscilloscopeandsignalgeneratingdevice.Thehardwareofsystemisposedofsignaladjustmentcircuit,dataacquisitioncardandputer.Thispapere*patiatesthedesigningschemeofACsignaladjustmentcircuit,DCsignaladjustmentcircuitandRLCsignaladjustmentcircuit.Inhardwaredesign,wee*portthesignalswhichcontrolelectricalrelaystochangemeasuringrangesofmeasuringinstrumentthroughtheDOportofdataacquisitioncard.WeselectAC6111datacollectioncardmadeinW&WLABtocollectmeasuringdataofsignal.WedesigntheapplicatorprograminVB6.0.TheVirtualInstrumentusesvirtualpanelastheinterfaceofhuman-puter,andperformsthetasksofsignalmeasurement,waveformdisplayanddatastore.Theideaofmodularizeddesignisemphasizedinthispaper,includingthedataacquisition,rangeswitching&control,digitalfilter,parametersmeasuring,linearrevisionandsoon.Inthispaper,theautherliststhete*teddatainallthecircuitsoftheinstrument.Theresultshowstheinstrumentadaptsthedesignrequirement.Attheendofthepaper,itproposesthemainproblemsneedtoimproveandtheaspectsneedtoresearchdeeper.Keywords:ElectricalParameter;VirtualInstrument;DataAcquisition目錄摘要………………1Abstract…………2第一章緒論………41.1基于PC的測(cè)控技術(shù)的開(kāi)展及虛擬儀器…41.2虛擬儀器簡(jiǎn)介………………51.3本文研究?jī)?nèi)容………………6第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)……………72.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)………………72.2系統(tǒng)組成及測(cè)量原理………82.3PC-DAQ系統(tǒng)…………………11第三章硬件平臺(tái)的構(gòu)建及硬件抗干擾……………133.1交流信號(hào)的測(cè)量………………133.2直流信號(hào)的測(cè)量………………163.3RLC參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)………173.4數(shù)字接口電路…………………183.5系統(tǒng)的硬件抗干擾措施………19第四章程序設(shè)計(jì)………204.1應(yīng)用程序設(shè)計(jì)……………………204.2軟面板設(shè)計(jì)………24第五章系統(tǒng)結(jié)果測(cè)試和誤差分析………255.1系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果……………………255.2誤差分析…………26結(jié)論………………………27致謝………………………28參考文獻(xiàn)…………………291緒論1.1基于PC的測(cè)控技術(shù)的開(kāi)展及虛擬儀器隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)展，基于PC的測(cè)試測(cè)量與控制技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其主要表達(dá)在以下兩個(gè)方面：一方面為數(shù)據(jù)采集和控制部件的進(jìn)步，另一方面是測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步。從部件技術(shù)上，老式的測(cè)控系統(tǒng)中各主要部件和信號(hào)調(diào)理器、模擬開(kāi)關(guān)、A/D及D/A轉(zhuǎn)換器等多由分立元件或小規(guī)模集成電路組成。由于其集成度較低，致使系統(tǒng)體積龐大，穩(wěn)定性及可靠性也較差。90年代以后微電子技術(shù)迅猛開(kāi)展，各種集成電路的集成度越來(lái)越高，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的*一局部功能得以在一塊集成電路中完成，其可靠性及其他技術(shù)性能也大大提高。以A/D轉(zhuǎn)換芯片為例，目前的A/D芯片分辨率最高可以到達(dá)20-24bits;在轉(zhuǎn)換速度上，8位和12位的ADC轉(zhuǎn)換速度可達(dá)每秒上百兆次，16位的ADC目前也可到達(dá)每秒1兆次的速度水平。轉(zhuǎn)換速度的提高極大的拓展了測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用范圍，如可以對(duì)更高頻的數(shù)字信號(hào)進(jìn)展計(jì)算機(jī)處理。此外，由于電路的集成度越來(lái)越高，出現(xiàn)了將多個(gè)測(cè)控單元部件集成于一個(gè)芯片的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品。如將信號(hào)調(diào)理模塊、模擬開(kāi)關(guān)、采樣保持器及A/D模塊集成在一塊板卡上的數(shù)據(jù)采集卡。這種產(chǎn)品的測(cè)量輸出已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)，而模塊化的單元即為智能化數(shù)字傳感器。測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，根本來(lái)源于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。作為測(cè)控系統(tǒng)根本功能單元的各種測(cè)試儀器，其開(kāi)展經(jīng)歷了模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器直到智能儀器。由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速開(kāi)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚摗y(cè)量方法及儀器構(gòu)造不斷出現(xiàn)，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用已發(fā)生質(zhì)的變化，其中計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)更嚴(yán)密的結(jié)合成一個(gè)整體，導(dǎo)致儀器的構(gòu)造、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等也發(fā)生突破性的變化。在上述背景下，出現(xiàn)了新的儀器概念——虛擬儀器。而虛擬儀器的開(kāi)展，已經(jīng)超越了狹義上的單純的功能部件——“儀器〞，其正作為整體的系統(tǒng)解決方案逐漸成為行業(yè)的主流。1.2虛擬儀器簡(jiǎn)介所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，其功能由用戶(hù)設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。由于儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此國(guó)際上把這類(lèi)新型的儀器稱(chēng)為“虛擬式儀器〞或稱(chēng)“軟件即儀器〞。同智能儀器相比，虛擬儀器的鍵盤(pán)、CRT、微處理器等都借助于計(jì)算機(jī)的資源，其硬件大為減少，因此具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、一機(jī)多用等特點(diǎn)。虛擬儀器盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。虛擬儀器可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以完成過(guò)去在智能儀器上難以做到的數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)操作，創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。虛擬儀器是面向應(yīng)用的系統(tǒng)構(gòu)造，可以由用戶(hù)自己定義、修改、增減功能，可方便的與網(wǎng)絡(luò)、外涉及其他應(yīng)用連接，輕松實(shí)現(xiàn)儀器的網(wǎng)絡(luò)化。按照L/O接口設(shè)備的不同，虛擬儀器主要有5種構(gòu)成方式。虛擬儀器的硬件構(gòu)成有多種方案，通常采用以下幾種：〔1〕基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)通過(guò)A/D變換將模擬、數(shù)字信號(hào)采集入計(jì)算機(jī)進(jìn)展分析、處理、顯示等，并可通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)反響控制。根據(jù)需要還可參加信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)DSP等硬件模塊。〔2〕基于通用接口總線(xiàn)GPIB接口的儀器系統(tǒng)GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)儀器系統(tǒng)的構(gòu)成是邁向虛擬儀器的第一步，即利用GPIB接口卡將假設(shè)干GPIB一起連接起來(lái)，用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能，組織大型柔性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，技術(shù)易于升級(jí)，維護(hù)方便，儀器功能和面板自定義，開(kāi)發(fā)和使用容易。它可高效靈活的完成各種不同規(guī)模的測(cè)試測(cè)量任務(wù)。利用GPIB技術(shù)，可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測(cè)試測(cè)量誤差。同時(shí)，由于可預(yù)先編制好測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，因此提高了測(cè)試效率。〔3〕利用V*I總線(xiàn)儀器實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)V*I(VMEbusE*tensionforInstrumentation)總線(xiàn)為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個(gè)更為廣闊的開(kāi)展空間。V*I總線(xiàn)是一種高速計(jì)算機(jī)總線(xiàn)——VME(VersaModuleEurocard)總線(xiàn)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。由于其標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步準(zhǔn)確、模塊化設(shè)計(jì)、構(gòu)造緊湊、使用方便靈活，已越來(lái)越受人們的重視。它便于組織大規(guī)模、集成化系統(tǒng)，是儀器開(kāi)展的一個(gè)方向。V*I儀器價(jià)格昂貴，目前又推出了一種較為廉價(jià)的P*I標(biāo)準(zhǔn)儀器。〔4〕基于串行口或其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)的系統(tǒng)將*些串行口儀器和工業(yè)控制模塊連接起來(lái)，組成實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。無(wú)論哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都是將硬件儀器搭裁到筆記本電腦、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成。因而，虛擬儀器的開(kāi)展已經(jīng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)展步伐完全同步，同時(shí)也顯示出虛擬儀器的靈活性與強(qiáng)大的生命力，已在電子測(cè)量、物理探傷、電子工程、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、物礦勘探、故障分析及教學(xué)科研等方面的數(shù)據(jù)采集和分析中廣泛應(yīng)用。1.3本文研究?jī)?nèi)容〔1〕虛擬儀器技術(shù)改變了實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器學(xué)習(xí)使用的舊觀念，可由學(xué)生隨心所欲的根據(jù)自己的需要選擇儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的，這不僅使實(shí)驗(yàn)教學(xué)從驗(yàn)證為目的向發(fā)揮學(xué)生個(gè)人的才能、想象力方面開(kāi)展，而且對(duì)提高學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)起推動(dòng)作用。〔2〕虛擬儀器中，“軟件是儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵〞，通過(guò)使用開(kāi)發(fā)軟件如VB的編程方法，可以很方便的改變虛擬儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。〔3〕由于虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比較的優(yōu)越性，例如虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)放、數(shù)據(jù)自動(dòng)記憶和處理、各項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)量的同時(shí)性、通用、服用并且價(jià)格低等，因而降低了測(cè)量?jī)x器的本錢(qián)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的電子儀器更新?lián)Q代具有現(xiàn)實(shí)意義，也為儀器的維護(hù)和管理帶來(lái)了方便。我們開(kāi)發(fā)了電工教學(xué)虛擬儀器儀表系統(tǒng)，該系統(tǒng)有五個(gè)局部組成。交流局部實(shí)現(xiàn)了交流電壓電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)等常見(jiàn)電氣參數(shù)的測(cè)量；直流局部實(shí)現(xiàn)了直流電壓電流的測(cè)量；示波器局部實(shí)現(xiàn)了信號(hào)波形顯示、相位差測(cè)量、數(shù)據(jù)存取等功能；RLC局部實(shí)現(xiàn)了電阻、電容和電感的測(cè)量；函數(shù)信號(hào)發(fā)生器局部實(shí)現(xiàn)了輸出幅度頻率可調(diào)的正弦波、三角波、鋸齒波、方波以及脈沖波功能。作者主要完成如下工作：〔1〕電工教學(xué)虛擬儀器儀表的總體方案設(shè)計(jì)〔2〕信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試〔3〕數(shù)據(jù)采集卡I/O驅(qū)動(dòng)程序的熟練調(diào)用〔4〕基于VB的應(yīng)用程序編程〔5〕測(cè)試儀器性能并對(duì)誤差進(jìn)展分析2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)及應(yīng)用軟件四局部組成。調(diào)理電路分為交流調(diào)理電路、直流調(diào)理電路、RLC調(diào)理電路、示波器調(diào)理電路以及函數(shù)信號(hào)發(fā)生器調(diào)理電路。其中，直流調(diào)理電路和示波器調(diào)理電路共用。他們分別用來(lái)測(cè)量交流電壓、電流；直流電壓、電流；電阻、電容、電感；適時(shí)顯示兩路波形狀態(tài)；適時(shí)發(fā)出各種常用波形。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：〔1〕交流多功能測(cè)量局部測(cè)量對(duì)象：交流電壓〔兩路〕；測(cè)量范圍：0-500V；設(shè)計(jì)精度：0.5級(jí)測(cè)量對(duì)象：交流電流〔兩路〕；測(cè)量范圍：0-1A；設(shè)計(jì)精度：0.5級(jí)測(cè)量對(duì)象：視在功率〔兩路〕；測(cè)量范圍：0-500VA；設(shè)計(jì)精度：1級(jí)測(cè)量對(duì)象：功率因數(shù)〔兩路〕；測(cè)量范圍：0-0.9999；設(shè)計(jì)精度：1級(jí)〔2〕直流測(cè)量局部測(cè)量對(duì)象：直流電壓〔兩路〕；測(cè)量范圍：0-30V；設(shè)計(jì)精度：0.5級(jí)測(cè)量對(duì)象：直流電流；測(cè)量范圍：0-1000mA；設(shè)計(jì)精度：0.5級(jí)測(cè)量對(duì)象：直流電流；測(cè)量范圍：0-20mA；設(shè)計(jì)精度：0.5級(jí)測(cè)量對(duì)象：直流電流；測(cè)量范圍：0-1000A；設(shè)計(jì)精度：0.5級(jí)〔3〕RLC測(cè)量局部測(cè)量對(duì)象：電阻；測(cè)量范圍：1-1M；設(shè)計(jì)精度：1級(jí)測(cè)量對(duì)象：電容；測(cè)量范圍：300pF-100F；設(shè)計(jì)精度：5級(jí)測(cè)量對(duì)象：電感；測(cè)量范圍：2mH-100H；設(shè)計(jì)精度：1級(jí)〔4〕數(shù)字示波器局部具有兩個(gè)信道，能夠測(cè)量波形的峰值、有效值、平均值、頻率和周期，且上述測(cè)量對(duì)象精度到達(dá)1級(jí)，能根據(jù)需要顯示信號(hào)的YT或*Y方式?！?〕函數(shù)信號(hào)發(fā)生器局部波形：正弦波、三角波、鋸齒波、方波和脈沖波，可發(fā)出單個(gè)周期或持續(xù)發(fā)出。峰值范圍：1-25Vpp頻率范圍：20Hz-1000Hz偏置范圍：0-5V2.2系統(tǒng)組成及測(cè)量原理虛擬儀器的工作過(guò)程：先把由傳感器變化來(lái)的電信號(hào)輸入儀器的信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，在經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡存入內(nèi)存，整個(gè)過(guò)程由軟件控制，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)展分析和處理。通過(guò)不同功能模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各種儀器的功能。如：交流電壓電流表、直流電壓電流表等。一般很少把傳感器或來(lái)自被測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)直接插入數(shù)據(jù)采集板，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集板可能會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，從而影響系統(tǒng)操作；同時(shí)還需把信號(hào)范圍控制在數(shù)據(jù)采集卡的量程之中，并要防止噪聲。系統(tǒng)中有很多噪聲源，包括傳感器、電纜串音及A/D轉(zhuǎn)換等都會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量?？傊畟鞲衅鞯碾娦盘?hào)必須符合數(shù)據(jù)采集卡所能承受的格式，否則就必須轉(zhuǎn)換調(diào)理，調(diào)理方式包括放大、隔離、濾波、鼓勵(lì)、線(xiàn)性化等。交流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后送入數(shù)據(jù)采集卡，采集卡的AD局部對(duì)信號(hào)進(jìn)展采樣計(jì)算，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果斷定要不要轉(zhuǎn)換量程；直流信號(hào)先經(jīng)過(guò)量程轉(zhuǎn)換，然后才經(jīng)過(guò)傳感器，再送入AD進(jìn)展采樣計(jì)算；RCL測(cè)量是先產(chǎn)生488.3Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，然后標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻和待測(cè)元件分壓，兩分壓信號(hào)分別送入AD進(jìn)展采樣計(jì)算；對(duì)于數(shù)字示波器，由信道CH1、CH2引入的信號(hào)只是簡(jiǎn)單的經(jīng)過(guò)傳感器就送入采集卡的AD局部采樣，然后由軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展集中處理；對(duì)于函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，則將采集卡DA轉(zhuǎn)換出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后直接提供給用戶(hù)使用。交流多功能測(cè)量由電路理論知，電壓、電流的有效值為：式中，N=T/，為采樣時(shí)間間隔。假設(shè)電壓和電流信號(hào)的相位差，則通過(guò)功率因數(shù)cos有功功率可表示為：視在功率無(wú)功功率兩個(gè)一樣頻率信號(hào)之間的相位差有多種測(cè)量法，如過(guò)零比較法、FFT譜分析法、正弦波參數(shù)法及相關(guān)函數(shù)分析法。后三種方法是基于軟件手段的數(shù)字化算法，大量應(yīng)用于以計(jì)算機(jī)為中心構(gòu)成的檢測(cè)系統(tǒng)中。相關(guān)函數(shù)分析法利用兩同須正弦信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)零時(shí)刻值與其相位差的余弦值成正比的原理獲得相位差。由于噪聲通常與信號(hào)不相關(guān)，因而該方法有很好的噪聲抑制能力。本系統(tǒng)采用的就是這種方法。直流電量測(cè)量直流信號(hào)經(jīng)傳感器后直接送入采集卡采集數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)需要由4051選取一路信號(hào)，信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送入另一AD通道進(jìn)展采樣。我們對(duì)后一采集數(shù)據(jù)分析，如果原直流信號(hào)是一純直流，則分析結(jié)果是我們找不到它的周期，這樣我們把所有采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展一次平均來(lái)確定該直流的平均值；如果原直流信號(hào)含有交流分量，則經(jīng)調(diào)理電路后它變?yōu)楹驮械慕涣餍盘?hào)頻率一樣的方波，我們可以找到它一個(gè)整周期的采樣值，根據(jù)這個(gè)周期我們確定他的平均值。這樣，該電路就具有測(cè)量含有交流分量的直流信號(hào)的能力。對(duì)直流信號(hào)v(t)進(jìn)展連續(xù)采樣，則連續(xù)信號(hào)變?yōu)殡x散信號(hào)序列v(0)，v(t)，……v(N-1)，直流電量的平均值為：RLC參數(shù)測(cè)量Z*為被測(cè)電阻，Rr為采樣電阻，U*為頻率為488.3Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)。由此可知：另被測(cè)阻抗Z*=R*+j*，則有：式中為U*和Ur的相位差。假設(shè)阻抗Z*為電阻、電容的串聯(lián)阻抗，即：則有：被測(cè)信號(hào)U*和Ur直接送入數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換局部進(jìn)展采樣測(cè)量。為了能準(zhǔn)確測(cè)量較大范圍的電阻、電容和電感，我們把取樣電阻Rr分為了8個(gè)量級(jí)。這樣，測(cè)量RLC時(shí)就有8個(gè)量程，根本能滿(mǎn)足教學(xué)的需要。而要準(zhǔn)確測(cè)量RLC，我們還得準(zhǔn)確的測(cè)量出相位差的值。在本設(shè)計(jì)中，采用交流多功能局部所述的相關(guān)函數(shù)分析法測(cè)量相位差。數(shù)字示波器CH1、CH2信道輸入的信號(hào)經(jīng)傳感器調(diào)理后，一方面直接送入采集卡采集數(shù)據(jù)，另一方面由4051選取后，經(jīng)放大、濾波、整形調(diào)理后也送入采集卡采集數(shù)據(jù)。對(duì)后一采集數(shù)據(jù)進(jìn)展分析，我們可以測(cè)試出原信號(hào)的頻率和周期。對(duì)前一采集數(shù)據(jù)進(jìn)展分析，我們可以測(cè)試出原信號(hào)的峰值、均方根值和平均值。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器根據(jù)實(shí)際信號(hào)我們由軟件構(gòu)造出它的函數(shù)模型，然后由采集卡的D/A輸出相應(yīng)的模擬信號(hào)，再由外部電路予以功率放大，提供給用戶(hù)使用。本設(shè)計(jì)可以提供正弦波、三角波、齒波、方波和脈沖波。2.3PC-DAQ系統(tǒng)虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)、硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件組成的。從構(gòu)成方式上講，以數(shù)據(jù)采集卡〔或多功能卡〕配以信號(hào)調(diào)理電路為根本功能單元的虛擬儀器系統(tǒng)，稱(chēng)為PC-DAQ系統(tǒng)〔DAQ為DATAACQUISITION的縮寫(xiě)〕。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室建立來(lái)說(shuō)，我們可以利用現(xiàn)有的資源，采用PC-DAQ系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣參數(shù)測(cè)量的虛擬儀器系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)工作。系統(tǒng)各組成局部功能：〔1〕傳感器完成信號(hào)的獲得，它將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號(hào)，被測(cè)參量可以是各種非電氣參量，也可以是電氣參量。如電力輸電線(xiàn)高電壓電網(wǎng)，可通過(guò)電壓互感器將高電壓變?yōu)?00V電壓、通過(guò)電流互感器將電網(wǎng)大電流變?yōu)?A后，仍需采用電壓、電流傳感器或變送器再將100V電壓及5A電流分別轉(zhuǎn)換成5V低電壓，然后送入數(shù)據(jù)采集卡〔板〕中的A/D轉(zhuǎn)換器?！?〕信號(hào)調(diào)理來(lái)自傳感器的輸出信號(hào)通常是含有干擾噪聲的微弱信號(hào)。因此，后面配接的信號(hào)調(diào)理電路的根本作用有兩個(gè)：其一是放大，將信號(hào)放大到與數(shù)據(jù)采集卡〔板〕中的A/D轉(zhuǎn)換器相適配；其二是濾波，抑制干擾噪聲信號(hào)的高頻分量，將頻帶壓縮以降低采樣頻率，防止產(chǎn)生混淆。此外，根據(jù)需要還可進(jìn)展信號(hào)隔離與變換等。〔3〕數(shù)據(jù)采集卡主要功能有三：其一是由衰減器和增益可控放大器進(jìn)展量程自動(dòng)改換；其二是有多路切換開(kāi)關(guān)完成對(duì)多點(diǎn)多通道信號(hào)的分時(shí)采樣；其三是將信號(hào)的采樣值由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為幅值離散化的數(shù)字量。如時(shí)間連續(xù)信號(hào)*(t)經(jīng)過(guò)采樣后變?yōu)殡x散時(shí)間序列*(n)，n=0，1,2……〔4〕計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，它是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)成為一個(gè)智能化的有機(jī)整體，在軟件導(dǎo)引下按規(guī)定的程序自動(dòng)進(jìn)展信號(hào)采集與存貯，自動(dòng)進(jìn)展數(shù)據(jù)的運(yùn)算分析與處理，以適當(dāng)形式輸出、顯示或記錄測(cè)量結(jié)果。本系統(tǒng)選用雙諾公司的數(shù)據(jù)采集卡AC6111，它具有16路模擬輸入、2路12位D/A輸出、16路可編程開(kāi)關(guān)量、一路16位計(jì)數(shù)器、采集轉(zhuǎn)換支持多種觸發(fā)形式、AC6111采用大規(guī)?？删幊涕T(mén)陣列設(shè)計(jì)，提高了可靠性。其主要特點(diǎn)、功能如下：AD局部a.16路輸入，支持通道掃描及偽同時(shí)采樣掃描模式〔注：偽同步模式：既模擬同步采樣模式，采樣被定時(shí)器或外部時(shí)鐘啟動(dòng)后，6111以400kHz的最大速度對(duì)用戶(hù)設(shè)置的一組通道采樣，完畢后等待下一次啟動(dòng)，如此循環(huán)采樣〕，支持16路單端/8路差分輸入。b.12位400kHzA/D轉(zhuǎn)換器，A/D內(nèi)置采樣保持器，多通道采集速度可以到達(dá)最大采樣速度。c.模擬輸入通道支持自動(dòng)掃描模式，可以設(shè)置任意起始、截止通道。d.程控模擬輸入范圍，雙極性輸入幅度：5V、10V，單極性輸入幅度：5V、10V輸入，精度為0.1%，分辨率為1LSB。e.輸入通道模式：SH/NORMAL，既：偽同步/等時(shí)間間距通道掃描模式。f.AD啟動(dòng)模式：軟件、外部硬件觸發(fā)。觸發(fā)可以選擇上升、下降邊沿有效。g.AD定時(shí)器模式：板上16位定時(shí)器〔基準(zhǔn)時(shí)鐘4MHz〕、外部同步時(shí)鐘〔OCLK〕，OCLK可以選擇時(shí)鐘上升或下降邊沿有效。時(shí)鐘觸發(fā)在“SH〞模式，每個(gè)觸發(fā)轉(zhuǎn)換N個(gè)通道：“NORMAL〞模式，每個(gè)時(shí)鐘觸發(fā)轉(zhuǎn)換一個(gè)通道。h.AD與計(jì)算機(jī)采用FIFO接口，容量：4K字，提供：FIFO空、半滿(mǎn)、溢出標(biāo)志。半滿(mǎn)標(biāo)志支持中斷。i.采集數(shù)據(jù)支持：起始通道標(biāo)志、觸發(fā)標(biāo)志。用戶(hù)可以檢測(cè)采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性及支持預(yù)觸發(fā)功能。②DA局部二路12位D/A，輸出電壓10V,每路輸出可以分別軟件設(shè)置。精度：10V:0.1%，-10V-+10V：0.2%；輸出驅(qū)動(dòng)能力：電流大于5mA，電容驅(qū)動(dòng)能力：100p；輸出建立時(shí)間：小于50S〔0.1%精度〕。開(kāi)關(guān)量局部：16位開(kāi)關(guān)量的二個(gè)8位可以分別設(shè)置為輸入、輸出。輸出高電壓>3V，低電壓<0.4V；輸出下拉電流>20mA/路，上拉>6mA；輸入電流<0.1mA，輸入高電壓門(mén)限>2.5V；低電壓<0.8V；最大輸入耐壓：-0.3V-+7V。④軟件支持Win98、2000、*P、NT驅(qū)動(dòng)。3硬件平臺(tái)的構(gòu)建及硬件抗干擾本章著重介紹了電工教學(xué)虛擬儀器儀表的硬件平臺(tái)的構(gòu)建。在設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路過(guò)程中分析了其關(guān)鍵指標(biāo)和重要環(huán)節(jié)，給出了局部電路設(shè)計(jì)圖，并設(shè)置了工作參數(shù)。3.1交流信號(hào)的測(cè)量在進(jìn)展交流電氣參數(shù)測(cè)量時(shí)，要同時(shí)輸入電壓、電流信號(hào)，而輸入信號(hào)與數(shù)據(jù)采集卡的隔離是一個(gè)優(yōu)先考慮的問(wèn)題。傳統(tǒng)的方法是采用電壓、電流互感器進(jìn)展信號(hào)衰減、隔離，并把經(jīng)過(guò)濾波之后的信號(hào)送往A/D口進(jìn)展模數(shù)轉(zhuǎn)換?？紤]到互感器的相移特性，對(duì)其進(jìn)展補(bǔ)償可以得到較好的結(jié)果。我們選用星格測(cè)控技術(shù)**的傳感器，根據(jù)該公司的產(chǎn)品手冊(cè)，我們具體講述一下所選用的傳感器的使用方法。交流傳感器電路毫安級(jí)精細(xì)電壓互感器SPT204A，輸入額定電流為2mA,輸出額定電流為2mA,非線(xiàn)性度優(yōu)于0.1%。使用時(shí)需要將電壓信號(hào)變換成電流信號(hào)。F1是限流電阻，不管額定輸入電壓多大，調(diào)整F1的值，使額定輸入電流為2mA,就滿(mǎn)足使用條件。副邊電路是電流/電壓變換電路，當(dāng)需要電壓輸出時(shí)采用。調(diào)整反響電阻R和r的值可得到所需要的電壓輸出。電容C1及可調(diào)電阻r是用來(lái)補(bǔ)償相移的。一般R取V/0.002，r取R/10，C1取值約為65/R()，r取200k。電容C2是400至1000pF的小電容，用來(lái)防震和濾波。C1起抗干擾作用，但其數(shù)值不得大于400pF。兩個(gè)反接的二極管是起保護(hù)運(yùn)算放大器作用的。運(yùn)算放大器使用OP07系列，使用性能較好的運(yùn)算放大器較容易到達(dá)較高的精度和較好的穩(wěn)定性。電阻R和F1要求精度于1%，溫度系數(shù)優(yōu)于50PPM，F(xiàn)1的功率要求有2倍的余量。精細(xì)電流互感器SCT254AK，輸入額定電流為5A,額定輸出電流為2.5mA，非線(xiàn)性度優(yōu)于0.1%。調(diào)整反響電阻R和r的值可得到所需要的電壓輸出。電容C1及可調(diào)電阻r是用來(lái)補(bǔ)償相移的。電容C2是400至1000pF的小電容，用來(lái)防震和濾波。C3起抗干擾作用，其數(shù)值不得大于400pF。兩個(gè)反接的二極管是起保護(hù)運(yùn)算放大器作用的。運(yùn)算放大器使用OP07系列，使用性能較好的運(yùn)算放大器較容易到達(dá)較高的精度和較好的穩(wěn)定性。電阻R要求精度優(yōu)于1%，溫度系數(shù)優(yōu)于50PPM。在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)槭菧y(cè)量交流量，所以A/D轉(zhuǎn)換的最大值對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)的峰值，是其有效值的倍。所以當(dāng)波形不失真時(shí)，峰值5V對(duì)應(yīng)的交流采樣信號(hào)有效值為5/=3.536V，峰值為4.8V對(duì)應(yīng)的有效值為4.8/=3.394V。為了留有余量，故在量程適當(dāng)時(shí)，交流采樣電壓有效值應(yīng)<=3.4V。假設(shè)用SPT204A設(shè)計(jì)電路，其額定輸入交流電壓有效值為500V，輸出電壓有效值為3.4V。其參數(shù)如下：確定電路參數(shù)首先要確定限流電阻F1和反響電阻R的值。首先選擇初級(jí)額定電流為2mA，計(jì)算限流電阻F1=500V/2mA=250k，選F1=240k,2W。此時(shí)實(shí)際初級(jí)額定電流約為I=500V/240.11k=2.082mA(0.11k為SPT204A的初級(jí)電阻)，初級(jí)額定電流的選擇并不要求很準(zhǔn)確。反響電阻：R=3.4V/2.082mA=1.633k，選R=1.5k，另外串連一個(gè)可調(diào)電阻〔500〕進(jìn)展微調(diào)。用SCT254AK設(shè)計(jì)一個(gè)額定輸入電流為1A，輸出電壓為3.4V的電路。將互感器的輸入端繞為5匝，是輸入電流與輸出電流之比為1A/2.5mA。設(shè)計(jì)方法與電壓傳感電路的參數(shù)類(lèi)似。首先要確定反響電阻R的值。反響電阻：R=3.4V/2.5mA=1.36k，選R=1k,另外串連一個(gè)可調(diào)電阻r(500)進(jìn)展微調(diào)。此電路經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證是一種較理想的信號(hào)衰減、取樣方案。使用互感器在被測(cè)系統(tǒng)與測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，防止了直接的電流或物理連接，使系統(tǒng)平安得到了保證。在設(shè)計(jì)中還需要注意的問(wèn)題是，互感器有同名端，同名端的端子相位一樣。應(yīng)用上面的電路時(shí)，互感器輸出的信號(hào)應(yīng)該從非同名端引入OP07的反相端。這樣，經(jīng)過(guò)隔離放大的信號(hào)才能與被測(cè)信號(hào)同相，否則為反相。量程自動(dòng)切換量程的自動(dòng)切換也就是增益的自動(dòng)選擇，要綜合考慮被測(cè)量的數(shù)值范圍，以及對(duì)測(cè)量精度、分辨率的要求諸因素來(lái)確定增益檔數(shù)的設(shè)定和確定自動(dòng)換擋的原則，這些都要根據(jù)具體問(wèn)題而定。就本設(shè)計(jì)的電壓量程切換來(lái)說(shuō)，可以按以下步驟進(jìn)展：〔1〕進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器電壓范圍的限定，假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍是5V，電壓絕對(duì)值最大不能等于Vfs，因?yàn)榇笥诘扔赩fs的電壓，A/D的輸出均無(wú)法區(qū)分，都是一樣的“1〞，因此暫設(shè)-4.8V<=Vm<=4.8V?！?〕增益必須換大一檔的原則這可由要求的相對(duì)量化誤差<=0.5%來(lái)決定，12位A/D轉(zhuǎn)換器在滿(mǎn)量程輸入電壓Vfs=5V時(shí)，其量化值Q為：輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓最小值Vmin必須滿(mǎn)足相對(duì)量化誤差的要求，即：故可知Vmin>0.244V，因此暫設(shè)為增益必須換大一檔的準(zhǔn)則。〔3〕根據(jù)上述換檔原則設(shè)定檔位例如，當(dāng)電壓為500V檔位時(shí)，對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換電壓值為5V，則100V對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換電壓值為Vmin>1V,故電壓小于100V時(shí)應(yīng)該換大一檔，以此類(lèi)推。同理，電流量程也可設(shè)為四個(gè)檔，即1A、200mA、40mA、10mA。這個(gè)電路實(shí)際上是一個(gè)進(jìn)展電壓電流表量程選擇的電路。運(yùn)算放大器的型號(hào)是OP07，它的1號(hào)引腳和8號(hào)引腳之間用一個(gè)20k的可調(diào)電阻相連，這個(gè)可調(diào)電阻的作用是用來(lái)調(diào)節(jié)零點(diǎn)。當(dāng)運(yùn)放的輸入為零時(shí)，輸出不為零，將影響運(yùn)放的精度，嚴(yán)重時(shí)使運(yùn)放不能正常工作。因此，當(dāng)輸入為零時(shí)，調(diào)節(jié)這個(gè)可調(diào)電阻，使輸出也為零。在該電路中符號(hào)J1、J2、J3和J4是表示四個(gè)繼電器，他們的左端要與一個(gè)二四譯碼器的輸出相連接，該二四譯碼器輸入端是與數(shù)據(jù)采集卡的兩個(gè)DO端口相連接。這兩個(gè)DO端口是由VB的檔位判斷程序來(lái)控制的，其具體的控制方式我將在后面的程序設(shè)計(jì)局部講述。這兩個(gè)DO端口經(jīng)譯碼后產(chǎn)生四個(gè)信號(hào)，這四個(gè)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)著J1、J2、J3、J4這四個(gè)繼電器，當(dāng)為相應(yīng)信號(hào)的時(shí)候選中相應(yīng)的繼電器。一旦選中該繼電器，這個(gè)繼電器的線(xiàn)圈就會(huì)通電產(chǎn)生磁場(chǎng)吸附小鐵片使開(kāi)關(guān)閉合，使該條電路形成通路到達(dá)選擇該量程的目的。J1這個(gè)繼電器對(duì)應(yīng)的是最大量程，J4這個(gè)繼電器對(duì)應(yīng)的則是最小的量程，其他的繼電器分別對(duì)應(yīng)另外兩個(gè)量程。R04、R05、R06的值由于電表的量程不同而有所不同，現(xiàn)在我們就先以電壓表的量程選擇為例來(lái)計(jì)算電阻R04、R05、R06的值。輸出的電壓信號(hào)范圍是0-3.4V，3.4V對(duì)應(yīng)著該量程最大電壓500V，輸出電壓信號(hào)為3.4V，則在最大檔的這條電路中運(yùn)算放大器OP07的放大倍數(shù)就是3.4/3.4=1倍。根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短虛斷原理，且我們?cè)O(shè)置的接觸電阻為1k,在最大輸入電壓3.4V的時(shí)候，接觸電阻上的電壓也是3.4V，而輸出的電壓信號(hào)是3.4V，因此對(duì)于最大量程這一檔，我們不需要放大。中選擇量程最大電壓為100V檔時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入的最大電壓值就是3.4乘以100/500=0.68V，則放大器的放大倍數(shù)就是3.4/0.68=5倍，接地電阻還是1k，所以R04與電位器W106之和就是4k,我們選擇阻值為3.6k的電阻作為R104,可調(diào)電阻W105我們選1k。同理，對(duì)于電阻R105和R106，我們分別選擇了阻值為20k和91k。信號(hào)濾波輸入信號(hào)時(shí)，通常疊加有噪聲和不必要的頻率分量。在信號(hào)采樣時(shí)，這些分量將會(huì)帶來(lái)誤差。輸入/輸出通道中，通常采用濾波器來(lái)濾除疊加在有用信號(hào)上的噪聲和不必要的頻率分量。濾波器分為低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器。在儀器儀表中，通常用低通濾波器。由于電阻的衰減作用，無(wú)源濾波器很難獲得矩形系數(shù)好的通帶特性，所以常用在要求不高的場(chǎng)合，如濾除信號(hào)中的高頻干擾。信號(hào)緩沖我們?cè)O(shè)定的數(shù)據(jù)采集卡承受的電壓范圍是-5V-+5V，如果電壓或者電流突變，但是量程還沒(méi)有來(lái)得及改變，則就會(huì)由運(yùn)算放大器高倍放大產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓信號(hào)輸出。如果沒(méi)有這個(gè)緩沖電路，則所產(chǎn)生的電壓信號(hào)可能將數(shù)據(jù)采集卡損壞。該電路的前半局部〔LF412和510電阻〕起到了對(duì)電壓進(jìn)展跟隨的作用，在此局部之后我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)電壓起鉗位作用的電路，該電路使用了兩個(gè)5.1V穩(wěn)壓管。這些措施有效的保護(hù)了采集卡的平安。3.2直流信號(hào)的測(cè)量在進(jìn)展直流測(cè)量時(shí)，輸入電壓、電流信號(hào)首先經(jīng)傳感器隔離衰減，然后送數(shù)據(jù)采集卡的A/D口進(jìn)展模數(shù)轉(zhuǎn)換。直流電壓的測(cè)量傳感器我們采用**維博公司的WBV121E型傳感器，該產(chǎn)品采用線(xiàn)性光電隔離原理，對(duì)電網(wǎng)或電路中的交直流電壓進(jìn)展實(shí)時(shí)測(cè)量，將其變換為標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤電壓〔Vg〕輸出。它具有交直流電壓通用、高精度、高隔離、寬頻響、快響應(yīng)時(shí)間、低漂移、低功耗、寬溫度范圍等特點(diǎn)，適用于各種快速反響波形的電壓隔離跟蹤測(cè)量，特別可用于模擬量的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、變頻調(diào)速設(shè)備、可控硅控制設(shè)備及其他電氣設(shè)備中用作跟蹤電壓測(cè)量。該型產(chǎn)品精度為0.2級(jí)，線(xiàn)性范圍0-120%標(biāo)稱(chēng)輸入，頻率響應(yīng)范圍DC-30kHz，溫度漂移150ppm/C，供電電源15V。額定輸入電壓是25V，輸出電壓是5V。由于它的線(xiàn)性范圍是0-120%，因此自保證精度的情況下，我們測(cè)量的電壓最大可以到30V。傳感器后我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)電壓起鉗位作用的電路，由兩個(gè)9.1V的穩(wěn)壓管組成，這樣就可以防止當(dāng)輸入電壓過(guò)高對(duì)采集卡造成的損壞。數(shù)字示波器調(diào)理電路與該電路共用，這樣我們簡(jiǎn)化了硬件電路，節(jié)約了本錢(qián)。直流電流的測(cè)量測(cè)量電流我們還是采用該公司的產(chǎn)品，型號(hào)WBV121G，100mV/5V。該傳感器采用接線(xiàn)式輸入方式，通過(guò)外接分流R，傳感器的量程可擴(kuò)展至1A。當(dāng)量程為1A時(shí)，我們需外接的分流電阻R=0.1。我們應(yīng)選用溫度穩(wěn)定性好的金屬膜電阻，同時(shí)，分流電阻R的耗散功率應(yīng)預(yù)留充分余量。3.3RLC參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)在電工實(shí)驗(yàn)中，往往要對(duì)RLC的參數(shù)進(jìn)展實(shí)時(shí)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果斷定系統(tǒng)的工作狀態(tài)或功能。利用虛擬技術(shù)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)展測(cè)量，可以充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制功能，方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)量方式選擇、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)調(diào)零、誤差修正與非線(xiàn)性補(bǔ)償，使測(cè)量精度得到提高。同時(shí)用軟件代替一些硬件測(cè)量電路，可在硬件構(gòu)造不變的情況下，修改軟件以增加新的功能，特別是既能完成對(duì)RLC參數(shù)的測(cè)量，又可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的連接，以滿(mǎn)足現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的需要。因此，用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)RLC參數(shù)的測(cè)量具有一定的意義。正弦波發(fā)生器本設(shè)計(jì)需要幅度、頻率穩(wěn)定，失真度低的基準(zhǔn)正弦信號(hào)作為鼓勵(lì)信號(hào)，用模擬方法〔如文氏橋式振蕩電路〕實(shí)現(xiàn)的正弦波，其頻率、幅度穩(wěn)定性差，調(diào)節(jié)困難，采用EPROM和DAC芯片可實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字化正弦波，但電路本錢(qián)價(jià)格較高。本設(shè)計(jì)給出了一種用模擬開(kāi)關(guān)代替EPROM和DAC芯片的正弦波發(fā)生電路，產(chǎn)生的正弦信號(hào)失真度低，頻率、幅度穩(wěn)定，大小調(diào)節(jié)方便、價(jià)格低廉。CD4060與電阻R1和晶振Y構(gòu)成振蕩器，經(jīng)內(nèi)局部額，在Q6端得到7812.5Hz的正方波，分頻輸出端Q7、Q8、Q9與異或門(mén)CD4070構(gòu)成地址電路，控制八通道模擬開(kāi)關(guān)CD4051的通道選擇。在每個(gè)通道串入適當(dāng)?shù)碾娮鑂1、R2……R5，以便在公共輸出端M點(diǎn)得到按正弦函數(shù)規(guī)律變化的階梯形電壓。該電壓波形經(jīng)運(yùn)放組成的濾波器，變?yōu)槠交?88.3Hz正弦波。RLC測(cè)量原理標(biāo)準(zhǔn)正弦波經(jīng)限流電阻R9引入，為了提高測(cè)量精度，我們提供了8個(gè)檔位。待測(cè)元件接在RLCin+和RLCin-之間，標(biāo)準(zhǔn)電阻為R20-R27,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試檔位。開(kāi)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，檔位打在最小檔J17上，我們對(duì)采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)展分析計(jì)算，如果測(cè)得待測(cè)元件的阻值〔或容抗、感抗〕小于10倍的標(biāo)準(zhǔn)電阻，則我們認(rèn)為該量程適宜，由此測(cè)得元件的參數(shù)；如果待測(cè)元件的阻值〔或容抗、感抗〕在10倍的標(biāo)準(zhǔn)電阻以外，這個(gè)時(shí)候我們換大一檔，在進(jìn)展測(cè)量；以此類(lèi)推，直到最大檔J24為止。每開(kāi)場(chǎng)一次新的測(cè)量必須先將檔位復(fù)位，以防止輸出電壓過(guò)高，發(fā)生危險(xiǎn)。3.4數(shù)字接口電路量程轉(zhuǎn)換信號(hào)是由計(jì)算機(jī)向數(shù)據(jù)采集卡AC6111發(fā)出的，這個(gè)信號(hào)被AC6111板卡的數(shù)字輸出口送出用于控制繼電器的斷開(kāi)和閉合。交流測(cè)量局部的16個(gè)量程轉(zhuǎn)換需要16個(gè)控制信號(hào)，RLC測(cè)量局部的8個(gè)量程轉(zhuǎn)換需要8個(gè)控制信號(hào)，片選芯片CD4051需要3個(gè)控制信號(hào)，而板卡的DO口只有16根數(shù)據(jù)線(xiàn)，因此需要對(duì)數(shù)字DO進(jìn)展譯碼。譯碼電路74LS139是一個(gè)二-四譯碼器，也就是四選一譯碼器。交流測(cè)量局部一個(gè)測(cè)量通道需要四個(gè)量程切換，由真值表可以看出，2根控制線(xiàn)足夠，16個(gè)量程的控制信號(hào)共需要8根數(shù)字信號(hào)線(xiàn)。當(dāng)輸入使能時(shí)，其中一個(gè)輸出為低電平，其他三個(gè)輸出為高電平。繼電器開(kāi)關(guān)是低電平動(dòng)作，這樣就可以利用74LS139從四個(gè)量程中選定一個(gè)所需的量程范圍。設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮的一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)電路剛接通時(shí)，需要保證系統(tǒng)總是處在最大量程，從而確保系統(tǒng)平安。74LS138是一個(gè)三-八譯碼器，也就是八選一譯碼器。RLC測(cè)試局部需要八個(gè)量程切換，由真值表可以看出，3根控制線(xiàn)足夠。當(dāng)輸入使能時(shí)，其中一個(gè)輸出為低電平，其他七個(gè)輸出為高電平。繼電氣開(kāi)關(guān)是低電平動(dòng)作，這樣就可以利用74LS138從八個(gè)量程中選定一個(gè)所需的量程范圍。設(shè)計(jì)時(shí)必須注意，當(dāng)電路接通時(shí)，需要保證系統(tǒng)總是處在最小量程，從而確保系統(tǒng)平安。CD4051B是一片選芯片。由真值表可以看出，3根控制線(xiàn)就可以控制8個(gè)通道的選通，這樣可以在各個(gè)通道之間實(shí)現(xiàn)自由切換。繼電器驅(qū)動(dòng)在本系統(tǒng)中，用到HRS1H-12VDC〔匯港〕和HRS2H-S-DC12V〔匯港〕繼電器進(jìn)展量程轉(zhuǎn)換控制，他們的額定線(xiàn)圈功率為200mW。由于整個(gè)系統(tǒng)使用了27個(gè)繼電器，為求工作可靠，最好在集成電路輸出端插入適當(dāng)?shù)墓β黍?qū)動(dòng)器件，我們選用SN74HC04和ULN2803A來(lái)實(shí)現(xiàn)。ULN2803A是一個(gè)反向驅(qū)動(dòng)器，為了保持邏輯電平不發(fā)生改變，必須在前面使用一個(gè)六反相器SN74HC04。用于驅(qū)動(dòng)外圍負(fù)載的ULN2803A達(dá)林頓晶體管陣列，有8個(gè)具有OC輸出電路的反相器，輸入端可直接與TTL或5VCMOS電路的輸出相接，輸出的灌電流負(fù)載可達(dá)500mA。采集卡的DO口輸出控制信號(hào)DO00和DO01，經(jīng)二四譯碼器74LS139譯碼后，產(chǎn)生四個(gè)控制信號(hào)Q0、Q1、Q2和Q3，分別經(jīng)74HC04反相后送入U(xiǎn)LN2803A，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)分別控制四個(gè)繼電器J1、J2、J3和J4。改變控制信號(hào)DO00和DO01的輸入，就可以控制相應(yīng)的繼電器閉合，從而到達(dá)轉(zhuǎn)換量程的目的。3.5系統(tǒng)的硬件抗干擾措施設(shè)備的電磁兼容和屏蔽是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作有著很大的影響。實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，但印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，外界的屏蔽措施不到位，也會(huì)對(duì)電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。因此在產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意采用正確的方法?！?〕布線(xiàn)采用平行走線(xiàn)可以減少導(dǎo)線(xiàn)電感，但導(dǎo)線(xiàn)之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網(wǎng)狀布線(xiàn)構(gòu)造。具體做法是印制板的一面橫向布線(xiàn)，另一面縱向布線(xiàn)，然后在穿插處用金屬孔相連。為了抑制印制板導(dǎo)線(xiàn)之間的串?dāng)_，在設(shè)計(jì)布線(xiàn)時(shí)應(yīng)盡量防止長(zhǎng)距離的平行走線(xiàn)，盡可能拉開(kāi)線(xiàn)與線(xiàn)之間的距離，信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)及電源線(xiàn)盡可能不穿插。在一些對(duì)干擾十分敏感的信號(hào)線(xiàn)之間設(shè)置一根接地的印制線(xiàn)，可以有效地抑制串?dāng)_。盡量減少導(dǎo)線(xiàn)的不連續(xù)性，例如導(dǎo)線(xiàn)寬度不要突變，導(dǎo)線(xiàn)的拐角應(yīng)大于90度，制止環(huán)狀走線(xiàn)等。〔2〕線(xiàn)寬盡量加寬電源、地線(xiàn)寬度，最好是地線(xiàn)比電源線(xiàn)寬，他們的關(guān)系是：地線(xiàn)>電源線(xiàn)>信號(hào)線(xiàn)，通常信號(hào)線(xiàn)寬為0.2-0.3mm,最細(xì)寬度可達(dá)0.05-0.07mm,電源線(xiàn)為1.2-2.5mm。另外，用大面積銅層作地線(xiàn)用，在印制板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線(xiàn)用。〔3〕將數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)現(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路〔數(shù)字或模擬電路〕，而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的，因此在布線(xiàn)時(shí)就需要考慮他們之間互相干擾問(wèn)題。數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，因此在既有模擬電路又有數(shù)字電路的場(chǎng)合，應(yīng)將模擬電路與數(shù)字電路盡量分開(kāi)，分別提供電源和地線(xiàn)，這樣在數(shù)字地上產(chǎn)生的壓降不會(huì)影響到模擬輸入信號(hào)。〔4〕數(shù)字電路與模擬電路的共地處理對(duì)地線(xiàn)來(lái)說(shuō)，整個(gè)PCB對(duì)外界只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)，所以必須在PCB內(nèi)部進(jìn)展處理數(shù)、模共地的問(wèn)題。在PCB內(nèi)部，數(shù)字地與模擬地有一點(diǎn)短接，請(qǐng)注意，只有一個(gè)連接點(diǎn)。也有在PCB上不共地的，這由系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)決定。〔5〕去耦電容配置在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。配置去藕電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法。我們?cè)诿總€(gè)集成電路芯片的電源線(xiàn)〔VCC〕和地線(xiàn)〔GND〕間配置一個(gè)0.01的陶瓷電容器?！?〕外殼屏蔽為了防止外部噪聲對(duì)電路板的影響，我們把整個(gè)電路板裝入一個(gè)近乎密封的金屬盒里，在金屬盒上我們配置了外部信號(hào)接口。4程序設(shè)計(jì)虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件。之所以將數(shù)據(jù)采集卡包含在內(nèi)，是因?yàn)樘摂M儀器軟件的開(kāi)發(fā)與硬件互為依托，缺一不可。數(shù)據(jù)采集卡采集到數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算機(jī)總線(xiàn)傳遞至計(jì)算機(jī)，是數(shù)據(jù)采集程序的起點(diǎn)。相關(guān)板卡的正常工作，是程序運(yùn)行的先決條件。虛擬儀器的軟面板即監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，圖標(biāo)顯示及控制開(kāi)關(guān)和按鈕均位于其上。應(yīng)用程序即在VB環(huán)境中編程，其與軟面板一起組成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的源代碼，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)相關(guān)硬件的驅(qū)動(dòng)。4.1應(yīng)用程序設(shè)計(jì)應(yīng)用程序由VB6.0編寫(xiě)，本設(shè)計(jì)主要有數(shù)據(jù)采集模塊、量程控制模塊、數(shù)字濾波模塊、測(cè)量計(jì)算模塊、線(xiàn)性修正模塊、相位分析模塊、波形顯示模塊等。數(shù)據(jù)采集模塊為了保證AC6111板卡能夠進(jìn)展高速不連續(xù)采樣的同時(shí)仍能進(jìn)展其它操作，供給商提供了一套新的驅(qū)動(dòng)和開(kāi)發(fā)包SDK2.0。該驅(qū)動(dòng)使用了中斷及虛擬軟件采集方式，采樣任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于其他用戶(hù)層〔ring3〕上運(yùn)行的應(yīng)用軟件，用戶(hù)的應(yīng)用層操作將不能影響內(nèi)核層〔ring0〕的任務(wù)，保證了采集程序不連續(xù)的運(yùn)行。在內(nèi)核中提供了了約2MWord的緩沖空間，對(duì)于AC6111最高400K的采樣速率可提供約5秒的緩沖時(shí)間，用戶(hù)的應(yīng)用程序只要在5秒內(nèi)能夠及時(shí)讀取內(nèi)核緩沖數(shù)據(jù)，就可以保證采樣的連續(xù)性。在采樣的同時(shí)用戶(hù)仍可進(jìn)展其他IO操作，如DA、IO、計(jì)數(shù)器等。當(dāng)啟動(dòng)采樣后，AC6111采集卡即按用戶(hù)設(shè)定的采樣方式、速率等參數(shù)進(jìn)展采樣，數(shù)據(jù)按時(shí)間和通道順序進(jìn)入板載FIFO中。當(dāng)板載FIFO半滿(mǎn)時(shí)，產(chǎn)生中斷，驅(qū)動(dòng)程序響應(yīng)中斷，將2048個(gè)采樣點(diǎn)寫(xiě)入緩沖池。用戶(hù)應(yīng)用程序方面隨時(shí)可以查詢(xún)采樣狀態(tài)，查看緩沖池中的數(shù)據(jù)情況，按需要讀取緩沖池中的數(shù)據(jù)。由于在內(nèi)核中使用了中斷方式，其優(yōu)先級(jí)別高于其他操作，因此可保證采集卡的采樣數(shù)據(jù)完整的進(jìn)入ring0層的數(shù)據(jù)緩沖。用戶(hù)主要應(yīng)該注意的是要在內(nèi)核緩沖池溢出之前，及時(shí)讀走數(shù)據(jù)。具體的編程方式提供了普通的查詢(xún)方式和定時(shí)器中斷采集方式共兩種方式。查詢(xún)方式數(shù)據(jù)采集不容易連續(xù)，易受機(jī)器中運(yùn)行的相關(guān)程序干擾，適合少量數(shù)據(jù)采集。中斷方式由用戶(hù)查詢(xún)驅(qū)動(dòng)程序中軟FIFO的狀態(tài)，選擇適宜的時(shí)機(jī)讀取，可以連續(xù)采集，適合大量數(shù)據(jù)采集。當(dāng)用戶(hù)需要類(lèi)似普通查詢(xún)AD板的采樣方式時(shí)，可以選取查詢(xún)方式：假設(shè)用戶(hù)要求在連續(xù)采集的同時(shí)，可以進(jìn)展顯示、存盤(pán)、計(jì)算處理等其他操作時(shí)，可以選擇中斷方式。本設(shè)計(jì)采用中斷方式。用戶(hù)設(shè)置好各個(gè)數(shù)據(jù)控制字〔AC6111_INI，設(shè)置為使用中斷，不使用事件通知〕，啟動(dòng)AD采樣〔AC6111_RUN〕，檢查AC6111軟件FIFO狀態(tài)〔AC6111_State〕直至KFIFO中的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足用戶(hù)的要求，讀取KFIFO中的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)〔AC6111_READ_KFIFO〕，N由用戶(hù)自行控制。在對(duì)采集卡設(shè)置的參數(shù)里，比較重要的有采樣模式、起始終止通道、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)等?！?〕unsignedlongad_mode:AD采樣模式字16位數(shù)據(jù)定義：D0：TRSL0：軟件觸發(fā)/1：硬件觸發(fā)D1：CLKSL0：轉(zhuǎn)換應(yīng)用內(nèi)部時(shí)鐘/1：外部時(shí)鐘D2：TRPOL0：觸發(fā)上升邊沿觸發(fā)/1：下降邊沿觸發(fā)D3：CLKPOL0：外部時(shí)鐘上升邊沿觸發(fā)/1：下降邊沿觸發(fā)D4：SAMMODE0：采樣模式為NORMAL/1：SH模式〔2〕unsignedlongstart_end_chn：采樣起止通道、極性選擇控制字PS=[PS1,PS0]：模擬輸入范圍00:0-5V01:0-10V10:5V11:10VENDCH=[ENDCH3-ENDCH0]:D8-D5，采樣終止通道。STCH=[STCH3-STCH0]：D3-D0，采樣起始通道?！?〕unsignedlongad_timer：采樣時(shí)鐘控制字Ad_timer范圍10-65536,4M的時(shí)基，每個(gè)數(shù)表示0.25的時(shí)間長(zhǎng)度?！?〕unsignedlongkFifo_Notify_Length：內(nèi)核緩沖門(mén)限通知控制字小于內(nèi)核緩沖的容量，緩沖的容量2000000?！?〕unsignedlongIrq_Enable：中斷允許控制字0：制止/1：允許〔6〕unsignedlongEvent_Enable：事件通知允許控制字〔7〕HANDLEEventFifoFull：緩沖溢出事件句柄基于以上介紹，在交流多功能測(cè)量局部我們?cè)O(shè)置采集卡如下：DimFifoHard(4095)AsLongInitWord_ad_mode=0InitWord_ad_timer=40InitWord.Event=-1InitWord.Event_Enable=0InitWord.EventFifoFull=-1InitWord.Irq_Enable=1InitWord.Start_end_chn=16480InitWord.kFifo_Notify_Length=100000量程控制模塊本系統(tǒng)設(shè)計(jì)交流參數(shù)的測(cè)量范圍為電壓0-500V，共四個(gè)量程：500V-100V，100V-20V，20V-5V，5-0V；電流0-1A，也有四個(gè)量程：1000mA-200mA,200mA-40mA,40mA-10mA,10-0mA。因此需要設(shè)計(jì)量程判斷和控制模塊。該模塊使儀器總處于適合的檔位，實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)展粗略計(jì)算，將結(jié)果和檔位參數(shù)表中的參數(shù)比較，判斷信號(hào)是否在笨量程的測(cè)量范圍內(nèi)。假設(shè)大于此量程的上限值，則應(yīng)切換到上一級(jí)檔位；反之假設(shè)小于此量程的下限值，則切換到下一級(jí)檔位。重復(fù)進(jìn)展此過(guò)程，直到進(jìn)入正確的量程。控制信號(hào)通過(guò)量程控制模塊由數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字DO口輸出到信號(hào)調(diào)理板上，控制繼電器為電路調(diào)整適宜的增益值，實(shí)現(xiàn)量程切換，從而準(zhǔn)確測(cè)量輸入信號(hào)。改變*個(gè)通道的量程時(shí)不要影響到其他通道的量程改變，即需要把不必改變的控制位屏蔽起來(lái)。數(shù)字濾波模塊數(shù)字濾波器是將輸入數(shù)字序列通過(guò)一定的運(yùn)算后轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鰯?shù)字序列的數(shù)字信號(hào)處理器。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)是：〔1〕精度和穩(wěn)定性高；〔2〕系統(tǒng)函數(shù)容易改變，因而靈活性高；〔3〕不存在阻抗匹配問(wèn)題；〔4〕便于大規(guī)模集成；〔5〕可以實(shí)現(xiàn)多維濾波。它不僅能實(shí)現(xiàn)模擬處理的大局部功能，而且還能完成模擬處理由于本錢(qián)、可靠性等原因而無(wú)法具體實(shí)現(xiàn)的功能?？梢杂脙煞N方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器：一種方法是采用通用計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器把濾波器所用完成的運(yùn)算縮成程序通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行，也就是采用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一種方法是設(shè)計(jì)專(zhuān)用的數(shù)字硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器有IIR和FIR兩種。從構(gòu)造上看，IIR數(shù)字濾波器采用遞歸構(gòu)造，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器主要采用非遞歸的構(gòu)造。由于無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器IIR具有無(wú)限記憶和運(yùn)算項(xiàng)數(shù)較少的特點(diǎn)，所以，本設(shè)計(jì)采用他來(lái)實(shí)現(xiàn)。遞歸型濾波器的構(gòu)造和它的轉(zhuǎn)移函數(shù)的形式?jīng)Q定了它的設(shè)計(jì)方法，。設(shè)計(jì)遞歸濾波器就是確定濾波器的系數(shù)a*和b*，使他滿(mǎn)足濾波器的技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的方法主要有兩種。一種利用模擬濾波器的理論來(lái)設(shè)計(jì)；另一種是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，也就是利用最優(yōu)技術(shù)進(jìn)展設(shè)計(jì)。本文采用的是第一種方法。它的設(shè)計(jì)步驟如下：〔1〕確定滿(mǎn)足要求技術(shù)指標(biāo)的模擬濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)H〔s〕〔2〕把模擬濾波器數(shù)字化利用模擬濾波器來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，就是要把s平面映射到z平面，使模擬系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)變換成所需的數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H〔z〕，這種由復(fù)變量s到復(fù)變量z之間的映射關(guān)系，必須滿(mǎn)足兩條根本要求：第一，H〔z〕的頻率響應(yīng)要能模仿Ha(s)的頻率響應(yīng)，即s平面的虛軸j必須映射到z平面的單位圓e上，也就是頻率軸要對(duì)應(yīng)。第二，因果穩(wěn)定的Ha(s)應(yīng)能映射成因果穩(wěn)定的H〔z〕，也就是s平面的左半平面R〔s〕<0必須映射到z平面單位圓的內(nèi)部z<1。上述兩個(gè)條件既保持模擬濾波器的頻率特性，亦保持模擬濾波器的穩(wěn)定性，所以，映射關(guān)系得到的數(shù)字濾波器頻率特性和穩(wěn)定性不變。方案主要有以下三種：〔1〕沖激響應(yīng)不變法〔2〕階躍響應(yīng)不變法〔3〕雙線(xiàn)性變換法沖激響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的主要缺點(diǎn)是數(shù)字濾波器的幅度響應(yīng)產(chǎn)生混迭失真，雙線(xiàn)性變換法可克制這個(gè)缺點(diǎn)，但是他卻引起頻率失真。雙線(xiàn)性變換的頻率標(biāo)度的非線(xiàn)性失真可以通過(guò)預(yù)畸變的方法來(lái)補(bǔ)償。模擬濾波器就按這兩個(gè)預(yù)畸變了的頻率和來(lái)設(shè)計(jì)。這樣，用雙線(xiàn)性變換所得到的數(shù)字濾波器便具有所希望的截止頻率特性。因此，本設(shè)計(jì)采用該方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙線(xiàn)性變換法設(shè)計(jì)首先找出模擬濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)H〔s〕，然后求出對(duì)應(yīng)的數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)H〔z〕。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字巴特沃斯濾波器。巴特沃斯〔Butterworth〕濾波器的幅度響應(yīng)在通帶內(nèi)具有最平坦的特性，并且在通帶和阻帶內(nèi)幅度特性是單調(diào)變化的。Butterworth濾波器的極點(diǎn)分布有如下特點(diǎn)：他在s平面上共有2N個(gè)極點(diǎn)等角距地分布在半徑為的圓上，這些極點(diǎn)對(duì)稱(chēng)于虛軸，而虛軸上無(wú)極點(diǎn)。N為奇數(shù)時(shí)，實(shí)軸上有兩個(gè)極點(diǎn)；N為偶數(shù)時(shí)，實(shí)軸上無(wú)極點(diǎn)；各極點(diǎn)間的角度距為/N。數(shù)字濾波器可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種不同系統(tǒng)，滿(mǎn)足不同的需要，又可以隨時(shí)改動(dòng)系數(shù)，調(diào)整濾波器參數(shù)，選擇最正確方案。線(xiàn)性修正模塊現(xiàn)實(shí)中傳感器的傳遞函數(shù)是非線(xiàn)性的，甚至運(yùn)放和AD轉(zhuǎn)換也有一定的非線(xiàn)性，另外一般實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)很多，而且觀測(cè)數(shù)據(jù)本身帶有誤差，因此所求的近似曲線(xiàn)并不要求通過(guò)所有的給定點(diǎn)〔*1，Y1〕，即不要求滿(mǎn)足=Y1〔i=1，2，……，N〕，而只要求函數(shù)y=能反映數(shù)據(jù)的根本變化趨勢(shì)。由于不同類(lèi)型的函數(shù)能表達(dá)不同的特性，因而常常規(guī)定在*種確定的函數(shù)類(lèi)中尋求一個(gè)最好的函數(shù)擬合已給的數(shù)據(jù)〔*1,y1〕。本設(shè)計(jì)采用最小二乘曲線(xiàn)擬合法，該方法實(shí)際上是在離散情形下的最正確平方逼近。在儀表調(diào)試過(guò)程中，在儀表的每個(gè)量程段根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)展擬合修正，可以減少誤差，提高測(cè)試精度。4.2軟面板設(shè)計(jì)虛擬儀器不同于傳統(tǒng)儀器最突出的一點(diǎn)就是人機(jī)界面的根本性變革，借助于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理功能和擴(kuò)展功能，儀器變得更加易于使用。虛擬儀器面板是用戶(hù)用來(lái)操作儀器，與儀器進(jìn)展通訊，輸入?yún)?shù)設(shè)置，輸出結(jié)果顯示的用戶(hù)接口。其一般的設(shè)計(jì)原則是：〔1〕按照一定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)軟面板，使面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性、可移植性軟面板布局分標(biāo)題欄、應(yīng)用區(qū)，還應(yīng)提供儀器的硬件版本、軟件版本信息，提供幫助信息來(lái)幫助用戶(hù)熟悉儀器的功能及操作。〔2〕提供測(cè)試要求確定儀器功能根據(jù)測(cè)試任務(wù)確定每個(gè)儀器軟面板的具體測(cè)試、測(cè)量功能，開(kāi)關(guān)、控制等設(shè)置要求?！?〕按照一定的美學(xué)原則設(shè)計(jì)軟面板軟面板的設(shè)計(jì)不僅是一個(gè)工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，還涉及到人對(duì)面板的認(rèn)可和欣賞問(wèn)題。面板設(shè)計(jì)時(shí)，界面要整潔，不能太復(fù)雜，按照功能進(jìn)展分屏顯示：顯示界面不能太多，層次不能太深，以免增加操作上的難度：界面顏色搭配要合理，不要太鮮艷，以免造成視覺(jué)疲勞。設(shè)計(jì)中的美學(xué)問(wèn)題只有在實(shí)踐中慢慢摸索，不斷提高。本設(shè)計(jì)軟面板由交流多功能測(cè)試面板、直流測(cè)試面板、數(shù)字示波器面板、RLC測(cè)試面板以及函數(shù)信號(hào)發(fā)生器面板五個(gè)局部組成。由于不能同時(shí)使用以上五種測(cè)試功能，因此面板上有切換開(kāi)關(guān)。當(dāng)用戶(hù)需要*種功能時(shí)，點(diǎn)擊相應(yīng)的切換開(kāi)關(guān)，調(diào)出測(cè)試面板。每個(gè)測(cè)量信號(hào)都有過(guò)載報(bào)警，如果超過(guò)最大測(cè)量范圍，界面就會(huì)跳出警告窗口，提醒用戶(hù)過(guò)載。該軟面板由交流多功能表A和B，頻率計(jì)、相位差計(jì)，以及儀表功能切換面板共五個(gè)模塊組成。在頻率計(jì)模塊通過(guò)選擇左方的小按鈕，可以切換顯示任意通道的頻率：在相位差模塊通過(guò)選擇左方的小按鈕，可以切換顯示任兩個(gè)通道之間的相位差。在軟面板下方的多功能儀表模塊中，通過(guò)按鈕可以切換到其他測(cè)試功能面板。通過(guò)波形顯示面板，我們可以實(shí)現(xiàn)波形的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、回放等功能。在面板的上方，可以選擇波形的工作方式Y(jié)T和*Y，通過(guò)通道選擇按鈕，可以顯示CH1或CH2通道的測(cè)量值，還可進(jìn)展*軸、Y軸的縮放。5系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果和誤差分析5.1系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Agilent34401A6.5DigitMultimeter是一臺(tái)高性能數(shù)字萬(wàn)用表，其測(cè)量特性為：直流電壓誤差小于100mV:0.0050%乘以讀數(shù)+0.0035%乘以量程1V：0.0040%乘以讀數(shù)+0.0007%乘以量程10V：0.0035%乘以讀數(shù)+0.0005%乘以量程100V：0.0045%乘以讀數(shù)+0.0006%乘以量程交流〔工頻〕電壓誤差小于100mV:0.06%乘以讀數(shù)+0.04%乘以量程1V-750V：0.06%乘以讀數(shù)+0.03%乘以量程電阻誤差小于100:0.010%乘以讀數(shù)+0.004%乘以量程1k:0.010%乘以讀數(shù)+0.001%乘以量程10k:0.010%乘以讀數(shù)+0.001%乘以量程100k：0.010%乘以讀數(shù)+0.001%乘以量程1M：0.010%乘以讀數(shù)+0.001%乘以量程Fluke45DualDisplayMultimeter的測(cè)試性能為：直流電流0mA-10A:分辨率0.1-0.01A0.05%交流〔工頻〕電流15-10A：分辨率0.1-0.01A0.5%GWinstekACPOWERSOURCEAPS-9501的測(cè)試性能為：輸出容量：500VA輸出電壓：0.0-300V，0.1V/step輸出電流：0-150V，4.2A；0-300V，2.1A瓦特表：0.0-360W，解析度0.1W，精細(xì)度+〔1.5%乘以讀數(shù)+0.5W〕功率因數(shù)表：0.000-1.000，解析度0.001，精細(xì)度+〔2%乘以讀數(shù)+0.002〕以Agilent34401A型數(shù)字表作為標(biāo)準(zhǔn)表。5.2誤差分析硬件誤差系統(tǒng)硬件的誤差主要由傳感器局部、運(yùn)算放大電路、低通濾波電路以及數(shù)據(jù)采集卡等環(huán)節(jié)構(gòu)成，其中傳感器的誤差為0.1%，運(yùn)放和低通濾波帶來(lái)的誤差約為0.2%，數(shù)據(jù)采集卡帶來(lái)的量化誤差為0.01%。這個(gè)誤差是系統(tǒng)所允許的。當(dāng)然產(chǎn)生誤差的還有溫度漂移帶來(lái)的誤差，系統(tǒng)的零位誤差等。一局部誤差可以在調(diào)試時(shí)通過(guò)調(diào)整環(huán)節(jié)〔如電位器〕減小，另一局部可以通過(guò)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展智能化處理，如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展非線(xiàn)性校正來(lái)減小或消除誤差。交流采樣誤差在對(duì)交流電壓、電流、功率等信號(hào)進(jìn)展數(shù)字化測(cè)量時(shí)，經(jīng)常采用交流采樣算法，所謂交流采樣算法就是把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集卡可以分析的數(shù)據(jù)范圍的交流信號(hào)進(jìn)展采集。主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、相位失真小、便于維護(hù)。實(shí)際在前幾章介紹的電氣參數(shù)的處理方法時(shí)，所采用的方法就是使用交流采樣法進(jìn)展數(shù)據(jù)處理。在采集過(guò)程中，如果被測(cè)信號(hào)的周期是采樣周期的整數(shù)倍即為同步采樣，則無(wú)離散誤差。但是在實(shí)際應(yīng)用中很難得到理論上的采樣間隔，即存在非同步采樣誤差。實(shí)際的交流電壓信號(hào)的頻率也有一定的變化，這樣就加大了非同步采樣誤差。下面分析誤差產(chǎn)生的原因。〔1〕電壓電流有效值誤差通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)同步采樣是相對(duì)的，存在著周期誤差。設(shè)采樣間隔為T(mén)s弧度，一周期采樣N個(gè)點(diǎn)，即定義周期誤差，不等于0時(shí)存在周期誤差，這時(shí)產(chǎn)生電壓電流有效值誤差，功率誤差?！?〕功率誤差 誤差不僅與采樣點(diǎn)數(shù)、周