基于DAQ及LabVIEW的虛擬數(shù)字電壓表的設計

　　摘要：為解決實驗室建設中成本高、技術更新慢及維護等方面的困難，適應現(xiàn)代測量儀器系統(tǒng)發(fā)展的要求，本文在分析數(shù)字電壓表原理的基礎上，利用虛擬儀器技術設計了一種新型數(shù)字電壓表。虛擬數(shù)字電壓表除數(shù)據(jù)采集由DAQ實現(xiàn)外，其他功能均由軟件LabVIEW實現(xiàn)。其設計具有較高的靈活性和可擴展性，有利于系統(tǒng)集成。經(jīng)測試，此數(shù)字電壓表性能可靠，能達到測試者的要求。
　　
　　引言
　　
　　電子儀器與測試實驗室是高等工科院校*的教學實驗條件。為了提供一定的實驗規(guī)模，保證每個學生得到實際動手能力的訓練，傳統(tǒng)的教學實驗室一般需購置大量的基礎測量儀器，如示波器、電壓表、信號源等，投資大、技術更新快、維護困難。電壓表更是*的測量儀器之一。
　　
　　傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表采用A／D轉(zhuǎn)換器件和通用集成邏輯器件來設計，這樣的設計不便于系統(tǒng)功能修改和升級，缺乏靈活性，接線較復雜，故障率高。以單片機為核心的數(shù)字電壓表設計是目前使用過zui廣泛的一種設計方式，但其工作速度較低，功能修改及調(diào)試需要硬件電路的支持。
　　
　　在本文設計中，結(jié)合虛擬儀器新技術來完成為數(shù)字電壓表的設計，使其不但更有利于系統(tǒng)集成，提高系統(tǒng)的測試精度，適用于實驗室測量，解決投資、維護等問題，還考慮到該儀器主要用于教學和實驗，使用時，學生科通過操作，設置參數(shù)，根據(jù)自己的需要來定義儀器的功能；同時現(xiàn)代測量儀器系統(tǒng)正向著智能化、自動化、小型化、模塊化和開放系統(tǒng)的方向發(fā)展，基于虛擬儀器的電子測量儀器可滿足這種要求。
　　
　　1、系統(tǒng)設計及原理
　　
　　1．1系統(tǒng)的硬件設計
　　
　　虛擬儀器（virtualinstrument，VI）是20世紀80年代末由美國國家儀器公司（nationalinstrumentcorp，NI）提出的新概念。它以通用計算機為基礎，加上特定的硬件接口，用戶通過軟件開發(fā)平臺編寫應用程序，以完成傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器技術已經(jīng)得到工業(yè)界的廣泛接受與運用，成為儀器技術的主流。
　　
　　根據(jù)虛擬儀器的總體結(jié)構(gòu)分析，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，虛擬儀器的內(nèi)部功能可劃分成數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析、和數(shù)據(jù)表達式三個功能模塊。按照測控功能硬件的不同，VI可分為GPIB、VXI、PXI和DAQ四種標準體系結(jié)構(gòu)。本設計采用PC-DAQ體系結(jié)構(gòu)。　　
　　數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的核心技術之一。也是LabVIEW與其他編程語言相比的優(yōu)勢所在。在設計中根據(jù)測試系統(tǒng)的特點采用PC-DAQ（DataAcQuisition）體系結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集部分采用NIUSB-6009DAQ，模擬信號8通道單端輸入，zui高采樣率42kSa／s（多通道合計）。數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示部分在PC機中用LabVIEW8．2實現(xiàn)。PC機配置為：奔騰4CPU2．00GHz、內(nèi)存256MB、硬盤60GB。其采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。　　
　　1．2電壓表設計原理
　　
　　基于DAQ及LabVIEW的數(shù)字電壓表包括直流電壓表和交流電壓表的功能，直流電壓表的設計原理如圖3所示，采用電壓-時間變換型原理。　　
　　電壓-時間變換型原理是指測量時將被測電壓值轉(zhuǎn)換為時間間隔△t，電壓越大，△t越大，然后按△t大小控制定時脈沖進行計數(shù)，其計數(shù)值即為電壓值。電壓-時間變換型又稱為V-T型或斜坡電壓式。
　　
　　傳統(tǒng)的交流電壓表按對波形響應的輸出量分為峰值電壓表、均值電壓表和有效值電壓表，它們的工作原理類似，只是檢波電路的參數(shù)有所不同：峰值電壓表采用二極管峰值檢波器，表頭的偏轉(zhuǎn)正比于被測電壓（任意波形）的峰值；均值電壓表一般都采用二極管全波或橋式整流電路作為檢波器，表頭偏轉(zhuǎn)正比于被測電壓的平均值；有效值經(jīng)常采用熱電變換和模擬計算電路兩種方法實現(xiàn)測量，因此，對不同的測量對象必須選用不同的測量儀表。
　　
　　2、基于LabVJEW的軟件程序設計
　　
　　2．1虛擬儀器的軟件系統(tǒng)
　　
　　在系統(tǒng)設計中，傳統(tǒng)儀器的關鍵在硬件，而虛擬儀器的關鍵是軟件。其zui核心的思想是利用計算機的硬／軟件資源，使本來需要硬件實現(xiàn)的技術軟件化（虛擬化），以便zui大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)的功能與靈活性。因此要完成虛擬儀器的測試功能，軟件的設計是關鍵。
　　
　　LabVIEW是一種圖形化的編程語言，主要用來開發(fā)數(shù)據(jù)采集、儀器控制及數(shù)據(jù)處理分析等軟件，目前在測試、測控行業(yè)比較流行，在國內(nèi)的測控領域也得到廣泛應用。它大大降低了程序設計的難度，使得測試工程師可以專注于實現(xiàn)儀器功能，而不是跟程序文本代碼做艱苦斗爭。基于LabVIEW的虛擬儀器測試軟件設計包括前面板的設計及后臺圖形化控制程序的設計。
　　
　　2．2基于虛擬儀器技術的電壓表的軟件實現(xiàn)
　　
　　根據(jù)前面分析的數(shù)字電壓表的原理及測試方法，系統(tǒng)能完成直流和交流電壓的測試功能，本文設計的電壓表主要用于實驗室教學設備，主要是讓學生掌握電壓表的電路構(gòu)成、電壓表的工作原理、電壓表的測試方法以及交流電壓表對正弦波形和非正弦波形的不同響應。則虛擬電壓表應具有電源開關控制、輸入?yún)?shù)控制、波形顯示、峰值、有效值和平均值三種結(jié)果顯示，且輸入信號的采樣可調(diào)節(jié)等功能。
　　
　　2．2．1直流電壓表的實現(xiàn)
　　
　　根據(jù)對數(shù)字電壓表原理的分析和程序設計的一般方法，虛擬直流電壓表的軟件流程圖如圖4所示。　　　　
　　前面板由輸入控制和輸出顯示兩部分組成，操作方便，界面友好。輸入控制用來控制系統(tǒng)的運行方式，系統(tǒng)可進行仿真和測試兩個功能，量程選擇用來設定電壓量程，針對不同的直流輸入，設置檢測量程；輸出顯示用來顯示測量的結(jié)果，以兩個顯示控件用來顯示待測電壓波形和標準電壓波形，同時，面板上模擬了指針式儀表的指針，用來指示被測量的大小。兩個布爾數(shù)組指示燈控件分別顯示每次比較結(jié)果和是否超出量程。由于測試存在隨機性，程序還設計了自動報警功能。
　　
　　2．2．2交流電壓表的實現(xiàn)
　　
　　基于對交流電壓表原理的分析，在設計的過程中，利用LabVEW提供的工具模塊對采集的電壓信號通過不同形式的檢波、計算等處理分析得出交流電壓信號的有效值、峰值和平均值。對于一個純粹的交流電壓，正半周期信號和負半周期信號對稱，平均值等于零，所以一般我們不直接測量平均值。在設計時，按Functions>>Nu-meric>>Absolutevalue取交流電壓的值，然后求平均值，即全波平均值；交流電壓中的zui大值，即為峰值。可以把數(shù)據(jù)進行比較求出zui大值，可通過WaveformMinMax來進行處理；用DCvalue測量直流分量和用RMSvalue測量有效值。這樣即把有賴于硬件電路的測試全部由軟件來實現(xiàn)，提高系統(tǒng)的性能及集成度。其設計的程序框圖如圖6所示。
　　在測試中，基于USB6009DAQ設計的電壓表，采樣正弦信號的zui高頻率為65000Hz，顯示波形的zui高幅度為11．35V。
　　
　　3、系統(tǒng)分析
　　
　　虛擬直流電壓表針對不同的直流輸入，其量程的大小影響測試的精度，在測量電壓時，應使被測電壓在量程的2／3以上。一般量程應選定在被測電壓的3倍值以上。當輸入直流測試信號在0～3V時，測試的量程應選在10V，其測試的誤差基本為O．0012V。交流測試時，利用信號發(fā)生器發(fā)出測試信號，將虛擬電壓表和萬用表與示波器的測試值進行比較，虛擬電壓表測試值如表1所示。在測試中，應注意合理設置采樣率，其是減小測量誤差的重要途徑。　　
　　示波器和數(shù)字萬用表（三位半）測量值如表2所示。　　
　　虛擬儀表測得的正弦波峰值平均值為：11．49801V
　　
　　萬用表測得的正弦波峰-峰值的平均值：（23+23+23+23+23+23+23+23+23+23）／10=23V，峰值為：11．5V，其兩儀表的測量誤差在O．00199V。由此可見，設計的虛擬電壓表能夠滿足實驗室的測量需求。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　基于DAQ及LabVIEW的數(shù)字電壓表能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字電壓表的功能，可視化的前面板控件構(gòu)造儀器的用戶界面，人機交互性強，界面友好。經(jīng)過調(diào)試、運行，該設計能滿足實驗室用數(shù)字電壓表的設計要求；且系統(tǒng)功能擴展方便，通過增加部分軟件，就可以實現(xiàn)濾波器、信號源等的功能，可解決現(xiàn)有實驗設備的技術更新與維護困難等難題。