第十一章熱電偶溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)Multisim電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真教程課件CONTENTS設(shè)計(jì)任務(wù)1LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)3電路原理與設(shè)計(jì)2將Labview導(dǎo)入Multisim中45將Multisim導(dǎo)入LabVIEW內(nèi)容摘要

本章主要介紹了電熱偶溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括電路的原理和設(shè)計(jì)，labview虛擬儀器的設(shè)計(jì)以及LabVIEW與Multisim之間的相互導(dǎo)入。11.1設(shè)計(jì)任務(wù)

本設(shè)計(jì)用K型熱電偶設(shè)計(jì)量程范圍為0～100℃的溫度顯示器，并在電路設(shè)計(jì)中加入冷端補(bǔ)償器對冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，最后利用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器顯示測量溫度值。通過本設(shè)計(jì)必須掌握以下幾點(diǎn)：了解K型熱電偶測量溫度的方法和電橋補(bǔ)償法。掌握利用熱電偶的原理建立仿真模型。會(huì)使用LabVIEW進(jìn)行編程。11.2電路原理與設(shè)計(jì)

傳感器模型的建立熱電偶是把溫度轉(zhuǎn)化為電勢大小的熱電式傳感器。表11-1為K型熱電偶的分度表，這是在冷端溫度為0℃時(shí)測定的數(shù)值。對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得熱電偶的數(shù)學(xué)模型為

式中，tR表示測量溫度；tAMR表示測溫參考點(diǎn)。溫度（℃）熱電動(dòng)勢（mV）0102030405060708090000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71212.13212.55212.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.709表11-1K型熱電偶分度表11.2電路原理與設(shè)計(jì)

根據(jù)式（11-1）在Multisim中建立熱電偶的仿真模型如圖11-1所示。圖11-1（a）所示為熱電偶示意圖；圖11-1（b）所示為測溫參考點(diǎn)即冷端溫度為0℃時(shí)的模型；圖11-1（c）所示為冷端溫度為室溫（25℃）時(shí)的模型。壓控電壓源模擬了式（11-1）的系數(shù)。圖11-1熱電偶模型

以上模型只是對熱電偶性能的一個(gè)近似，是線性的，而實(shí)際熱電偶的特性表明它具有一定的非線性。11.2電路原理與設(shè)計(jì)2.溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

若用熱電偶測量溫度時(shí)，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(huì)產(chǎn)生測量誤差，此時(shí)要進(jìn)行冷端補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)的冷端補(bǔ)償采用電橋補(bǔ)償，如圖11-2所示，當(dāng)熱電偶自由端的溫度升高，導(dǎo)致輸出總電勢降低時(shí)，補(bǔ)償器感受到自由端的變化，產(chǎn)生一個(gè)電位差，其值正好等于熱電偶降低的電勢，兩者互相抵消以達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｈ龢O管基極與集電極相連，相當(dāng)于一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的PN結(jié)。三極管可選用9013，由于Multisim器件庫中沒有，選用三極管2N2222代替。圖11-2電橋補(bǔ)償注意：電橋調(diào)零時(shí)，應(yīng)使三極管2N2222的參數(shù)測量溫度為0℃，即此時(shí)自由端溫度為0℃，不用進(jìn)行溫度補(bǔ)償。11.2電路原理與設(shè)計(jì)3.放大電路設(shè)計(jì)

放大電路部分與13.2節(jié)的金屬應(yīng)變片放大電路相似，由儀用放大器和比例放大環(huán)節(jié)組成，如圖11-3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(shè)計(jì)好后，要進(jìn)行電橋、比例放大的調(diào)零和增益的調(diào)整。圖11-3放大電路設(shè)計(jì)11.2電路原理與設(shè)計(jì)4.直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)

電路中的供電電源都采用15V直流電源直接供電。實(shí)際應(yīng)用中，如果希望能通過市電來對電路進(jìn)行供電，就需要設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電路來實(shí)現(xiàn)AC/DC的轉(zhuǎn)換，以及穩(wěn)定供電電壓。直流穩(wěn)壓電源電路如圖11-4所示。圖11-4直流穩(wěn)壓源電路VD2、VD3為輸出端保護(hù)二極管，是防止輸出突然開路而加的放電通路。C3、C4屬于大容量的電解電容，一般有一定的電感性，對高頻及脈沖干擾信號不能有效濾除，故在其兩端并連小容量的電容以解決這個(gè)問題。穩(wěn)壓電源最后輸出的直流電壓約15V。直流穩(wěn)壓電路的輸出端接HB/SC連接器，將該電路全部選中，用鼠標(biāo)右鍵單擊該電路，然后選擇用子電路替換，將此子電路的名稱設(shè)為“Power”，子電路模塊的兩輸出端分別為直流穩(wěn)壓電路的±15V電壓輸出端。11.2電路原理與設(shè)計(jì)5.綜合電路仿真

綜合電路如圖11-3所示，其中K模塊和Power模塊分別為熱電偶及熱電偶補(bǔ)償子電路與直流穩(wěn)壓源子電路模塊。主放大電路的分析方法在第6章已詳細(xì)介紹，這里不再重復(fù)。下面主要對各子電路模塊進(jìn)行仿真分析。1）熱電偶及熱電偶補(bǔ)償子電路分析在圖11-2所示的電橋補(bǔ)償電路中，對三極管2N2222進(jìn)行溫度參數(shù)掃描分析，掃描參數(shù)設(shè)為temp（溫度），從0～3℃每隔1℃掃描一個(gè)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(jié)果如圖11-5所示，溫度每增加1℃，三極管兩端電壓下降約2mV。圖11-5PN結(jié)負(fù)溫度特性11.2電路原理與設(shè)計(jì)

補(bǔ)償電橋電路應(yīng)首先調(diào)零，調(diào)零的方法是首先雙擊三極管，打開屬性設(shè)置對話框，單擊“EditModel”按鈕，可打開元件模型編輯窗口，如圖11-6所示，將參數(shù)測量溫度設(shè)為0℃，然后調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RW，使電橋兩輸出端11與IO2之間的電壓近似為0。圖11-6元件模型編輯窗口11.2電路原理與設(shè)計(jì)

當(dāng)自由端溫度（即環(huán)境溫度）為25℃時(shí)，將模擬環(huán)境溫度的V1的值設(shè)為25V，將三極管的參數(shù)測量溫度設(shè)為25℃，然后對電路進(jìn)行參數(shù)掃描分析，其設(shè)置如圖11-7所示，選擇模擬溫度變化的電壓源作為掃描對象，在0～100V的范圍內(nèi)，每隔10V掃描一次，設(shè)置掃描直流工作點(diǎn)，輸出變量選擇子電路的兩輸出端之差，如圖11-7（b）所示。圖11-7（a）分析參數(shù)設(shè)置圖11-7（b）輸出端設(shè)置11.2電路原理與設(shè)計(jì)

掃描結(jié)果如圖11-8所示，將該仿真數(shù)據(jù)與表11-1的K型熱電偶分度表進(jìn)行比較，可知經(jīng)補(bǔ)償后，在表11-1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。圖11-8參數(shù)掃描分析結(jié)果

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℃的情況下，熱電偶模型的輸出電壓值就有誤差，而補(bǔ)償電橋的設(shè)計(jì)只是保證0℃時(shí)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(yīng)值會(huì)有一定誤差。11.2電路原理與設(shè)計(jì)2）直流穩(wěn)壓源子電路分析

（1）橋式整流輸出電壓：整流橋輸出接負(fù)載后，用示波器觀察波形，如圖11-9所示。正弦波經(jīng)整流后輸出單一方向的波動(dòng)。圖11-9整流橋輸出11.2電路原理與設(shè)計(jì)（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11-10所示。由圖可以看出，交流成分減小，但仍然存在小的波動(dòng)。圖11-10濾波后輸出11.2電路原理與設(shè)計(jì)（3）接三端穩(wěn)壓后輸出：接三端穩(wěn)壓后，正端接負(fù)載后的輸出電壓基本穩(wěn)定。（4）電壓調(diào)整率：輸入220VAC，變化范圍為＋15%～－20%，所以電壓波動(dòng)范圍為176～253V。在額定輸入電壓下，當(dāng)輸出滿載時(shí)，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(shí)電阻為138W。當(dāng)輸入電壓為176V、負(fù)載為138W時(shí)，輸出電壓U1為14.832V；當(dāng)輸入電壓為220V、負(fù)載為138W時(shí)，輸出電壓Uo為14.839V；當(dāng)輸入電壓為253V，負(fù)載為138W時(shí)，輸出電壓U2為14.842V。取U為U1和U2中相對Uo變化較大的值，則U=14.832，所以電壓調(diào)整率：（5）電流調(diào)整率：設(shè)輸入信號為額定220VAC，當(dāng)輸出滿載（138W）時(shí)，輸出電壓Uo為14.839V；當(dāng)輸出空載時(shí)，輸出電壓U為12.26V；當(dāng)輸出為50%滿載時(shí)，輸出電壓Uo為14.98V，所以電流調(diào)整率：11.2電路原理與設(shè)計(jì)（6）紋波電壓：在額定220VAC下，輸出滿載，即負(fù)載電阻為138W時(shí)，在示波器中觀察輸出波形，如圖11-11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795.74uV。圖11-11波紋電壓示意圖

電路分析完成后，對電路進(jìn)行仿真得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表11-3。表11-3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)溫度/℃01020304050電壓/mV0.0495317.94612.84323.7431.63739.534溫度/℃60708090100

電壓/mV47.43155.32863.22571.12279.01311.3LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)將11.2節(jié)中表11-3的數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab多項(xiàng)式擬合后，得式（11-3）：

（11-3）反解得到

（11-4）根據(jù)式（11-4）可得建立本設(shè)計(jì)子VI的步驟如下。11.3LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)

（1）從開始菜單中運(yùn)行“NationalInstrumentsLabVIEW2015”，在啟動(dòng)窗口左邊的Files控件里，選擇NewVI或使用快捷鍵Ctrl+N建立一個(gè)新程序。（2）框圖程序的繪制：設(shè)計(jì)的子程序框圖如圖11-12所示。本設(shè)計(jì)關(guān)于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換采用除了前面的兩種方法的另一種方法設(shè)計(jì)程序框圖，用這種方法設(shè)計(jì)的子程序在接口電路設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由前面設(shè)計(jì)的方法想到利用ForLoop進(jìn)行兩次自動(dòng)索引，便可以使數(shù)據(jù)變?yōu)閱蝹€(gè)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(shè)為自動(dòng)索引，否則輸出將不再是單個(gè)數(shù)值。圖中Uo為時(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)索引，達(dá)不到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的目的。根據(jù)式（11-4）在里層For循環(huán)中用常數(shù)和運(yùn)算函數(shù)構(gòu)建程序框圖，輸出包括電壓數(shù)顯和溫度計(jì)。圖11-12子程序框圖11.3LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)（3）定義圖標(biāo)與連接器：雙擊右上角圖標(biāo)進(jìn)行編輯。用鼠標(biāo)右鍵單擊前面板窗口中的連接器窗格，在Pattern中選擇雙輸入雙輸出的模式，左邊窗格與與時(shí)域波形采集器相關(guān)聯(lián)，右邊窗格分別與電壓數(shù)顯模塊和溫度計(jì)相關(guān)聯(lián)。完成上述工作后，將設(shè)計(jì)好的子VI保存。11.4將Labview導(dǎo)入Multisim中1.虛擬儀器的設(shè)計(jì)

關(guān)于虛擬儀器的研究及LabVIEW儀器向Multisim的導(dǎo)入的原理請參照第8章的內(nèi)容。本設(shè)計(jì)中虛擬儀器的設(shè)計(jì)與導(dǎo)入分以下幾個(gè)步驟。（1）把Multisim安裝目錄下Samples/LabVIEWInstruments/Templates/Input文件夾復(fù)制到另外一個(gè)地方。（2）在LabVIEW中將步驟（1）中所復(fù)制的StarterInputInstrument.lvproj工程重新命名為proj3..lvproj。（3）打開proj3.lvproj工程后，將StarterInputInstrument.vit重新命名為proj3.vit，將StarterInputInstrument_multisimInformation.vi重新命名為proj3_multisimInformation.vi。

11.4將Labview導(dǎo)入Multisim中

（4）雙擊打開proj3.vit，在程序框圖面板上完成對框圖的設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)處理部分，選擇CASE結(jié)構(gòu)下拉菜單中的“UpdateDATA”選項(xiàng)進(jìn)行修改，在結(jié)構(gòu)框中右鍵點(diǎn)擊選擇SelectaVI，把在LabVIEW完成的子VI添加在“UpdateDATA”選項(xiàng)中，子VI輸入端Input與Multisim的儀器的輸入端相連，在子VI的輸出端單擊鼠標(biāo)右鍵創(chuàng)建指示器，并設(shè)置室溫T0為“25”，如圖11-13所示。圖11-13數(shù)據(jù)處理部分框圖11.4將Labview導(dǎo)入Multisim中

程序框圖設(shè)計(jì)好后，要進(jìn)行前面板的設(shè)計(jì)，除了要完成功能外，還要兼顧美觀。設(shè)計(jì)好的前面板如圖11-14所示。完成修改后點(diǎn)擊保存。圖11-14前面板設(shè)計(jì)11.4將Labview導(dǎo)入Multisim中

（5）注意，虛擬儀器信息的設(shè)置也可在InstrumentTemplate下proj3.vit的程序框圖里設(shè)計(jì)，如圖11-15所示。打開proj3_multisimInformation.vi，在程序框圖面板中將儀器ID和顯示名稱填入唯一的標(biāo)志，如一起設(shè)為Plotterhxx3。同時(shí)把輸入端口數(shù)設(shè)為“1”，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)電壓輸入；把輸出端口設(shè)為“0”，此模塊不需要輸出，修改后的程序框圖面板如圖11-16所示。設(shè)置完后點(diǎn)擊保存。圖11-15ID號設(shè)置的另一種方法圖11-16虛擬儀器基本信息設(shè)置11.4將Labview導(dǎo)入Multisim中6）展開BuildSpecifications，用鼠標(biāo)右鍵單擊“SourceDistribution”，選擇屬性設(shè)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(shí)在原文件設(shè)置中選擇總是包括所有包含的條目，如圖11-17所示。屬性設(shè)置完成點(diǎn)擊Build，在彈出的菜單中選擇“Done”即可。（7）儀器創(chuàng)建完成后，在Input文件夾下生成一個(gè)Build文件夾，打開后把里面的文件復(fù)制到NationalInstruments>>CircuitDesignSuite14.0>>lvinstruments文件夾中，這樣就完成了虛擬儀器的導(dǎo)入，當(dāng)再打開Multisim時(shí)，在LabVIEW儀器下拉菜單下就會(huì)顯示所設(shè)計(jì)的模塊（Plotterhxx3）。圖11-17編譯屬性設(shè)置11.4將Labview導(dǎo)入Multisim中2.測試儀器功能

打開熱電偶的測溫電路，把設(shè)計(jì)好的顯示模塊接電路輸出，電路調(diào)零后得如右圖11-18所示的在不同溫度下的驗(yàn)證結(jié)果，可見誤差較小。（a）20℃（d）90℃（c）70℃（b）50℃11.5將Multisim導(dǎo)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(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。1）右鍵點(diǎn)擊鼠標(biāo)并從彈出的快捷菜單中選擇Placeonschematic/Hierarchicalconnector。如圖11-19所示。放置一個(gè)接口在電路圖的左上方，另一個(gè)放置在右上方。按照圖11-20將電路與接口連接起來。圖11-19選擇交互接口圖11-20接口電路11.5將Multisim導(dǎo)入Labview2）設(shè)置接口：打開View菜單下的LabVIEWCo-simulationTerminals窗口，設(shè)置針對LabVIEW的輸入或者輸出。為了將各個(gè)接口配置為輸入或者輸出，在模式設(shè)置中選擇所需要的選項(xiàng)，然后可以在類型設(shè)置中將各個(gè)接口設(shè)置為電壓或者電流輸入/輸出。最后，如果你想將放置的輸入輸出接口設(shè)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。如果希望改變這個(gè)MultisimVI中輸入與輸出接口的名字，可以修改LabVIEWTerminal設(shè)置中的文本，本次仿真中分別為輸入和輸出模塊更改為位移和電壓。如圖11-21所示為設(shè)置好的LabVIEWCo-simulationTerminals窗口，圖11-22為即將被Labview調(diào)用的MultisimdesignVIpreview圖標(biāo)。圖11-21設(shè)置接口圖11-22設(shè)置好的MultisimdesignVIpreview11.5將Multisim導(dǎo)入Labview3）保存Multisim設(shè)計(jì)于一個(gè)常用的位置，這樣可以在編寫LabVIEW的時(shí)候再次調(diào)用它?，F(xiàn)在可以進(jìn)行LabVIEWVI的編程，以完成與Multisim的通訊。11.5將Multisim導(dǎo)入Labview2.在Labview中創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字控制器1）打開Labview創(chuàng)建一個(gè)新的VI后，在程序框圖（后面板）中右鍵點(diǎn)擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到ControlDesign&Simulation?Simulation?Control&SimulationLoop。左鍵點(diǎn)擊，并將其拖放到程序框圖上。如圖11-23所示。圖11-23放置控制與仿真模塊11.5將Multisim導(dǎo)入Labview2）要修改控制仿真循環(huán)的求解算法和時(shí)間設(shè)置，雙擊輸入節(jié)點(diǎn)，打開ConfigureSimulationParameters窗口。輸入如圖11-24的參數(shù)；在這些選項(xiàng)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11-24節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置11.5將Multisim導(dǎo)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(diǎn)擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到ControlDesign&Simulation?Simulation?Utilities?HaltSimulation。左鍵點(diǎn)擊，并將其拖放到程序框圖上，然后在布爾輸入上右鍵點(diǎn)擊并選擇Create?Control。這樣就可以在VI的前面板上創(chuàng)建一個(gè)布爾控件來控制程序的掛起，來停止仿真VI的運(yùn)行。如圖11-25所示。圖11-25添加HaltSimulation函數(shù)11.5將Multisim導(dǎo)入Labview3.放置MultisimDesignVIMultisimDesignVI是管理LabVIEW和Multisim仿真引擎之間通訊的。1）右鍵點(diǎn)擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到ControlDesign&Simulation?Simulation?ExternalModels?Multisim?MultisimDesign，左鍵點(diǎn)擊，并將其拖放到控制與仿真循環(huán)之中，注意，這個(gè)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(huì)彈出選擇一個(gè)Multisim設(shè)計(jì)（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(jìn)行指定。MultisimDesignVI會(huì)生成接線端，接線端的形式與Multisim環(huán)境中的MultisimDesignVI預(yù)覽一致，具有相對應(yīng)的輸入與輸出。如果接線端沒有顯示出來。左鍵點(diǎn)擊下雙箭頭，展開接線端。11.5將Multisim導(dǎo)入Labview2）要向Multisim中的電路傳送數(shù)據(jù)，必須首先在前面板上創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字控件?？梢酝ㄟ^右鍵點(diǎn)擊輸入接線端，然后選擇Create?Control來方便地完成創(chuàng)建命令。這樣就能夠在程序框圖中放置一個(gè)數(shù)字控件的接線端，并且該接線端已經(jīng)連接到了MultisimVI的輸入上。程序框圖中的控件在前面板上有一個(gè)對應(yīng)的控件,此時(shí)可以隨意調(diào)整它的大小或者移動(dòng)它，使前面板更加美觀，或者可以右鍵點(diǎn)擊該控件，選擇Replace?Silver?Numeric，可以選擇轉(zhuǎn)盤、旋鈕、滑動(dòng)桿等需要的數(shù)字控件外觀。調(diào)用Labview子VI：在Labview的程序框圖中，右鍵點(diǎn)擊選擇SelectaVI，將前面設(shè)計(jì)好的子VI，放在控件與仿真循環(huán)中。11.5將Multisim導(dǎo)入Labview3）分別為MultisimDesignVI和Labview子VI創(chuàng)建顯示控件。右鍵點(diǎn)擊輸出接線端，然后選擇Create?Indicator來完成創(chuàng)建命令。在控件上單擊右鍵選擇ViewasIcon，可使控件顯示為圖標(biāo)形式，如圖