基于虛擬儀器的多路電壓測量的設計與實現(xiàn)

陳世超

（四川大學 四川 成都 610064）

傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表采用的A／D轉換器件和通用集成邏輯器件來設計，這樣的設計比較固定不便于系統(tǒng)的修改和升級，缺乏靈活性。以單片機為核心的數(shù)字電壓表設計是目前使用作為廣泛的設計方式，但它的功能修改及調試需要硬件電路的支持。本文設計的虛擬儀器的多路電壓測量可以很好的克服這一缺點，它能夠很高的實現(xiàn)可擴張性，同時能夠準確穩(wěn)定的實現(xiàn)多路直流電壓的測量以及交流電壓的頻率的準確測量。

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。用虛擬儀器技術完成的多路數(shù)字電壓表利于系統(tǒng)的集成，提高和系統(tǒng)的測量精度，適合廣泛應用于實驗室測量，解決科研投資和維護等問題。

1 系統(tǒng)設計及原理

系統(tǒng)的構成見圖1所示，該系統(tǒng)大致有三部分構成，待測電壓經過采集卡把數(shù)據(jù)傳入pc機，經過LabVIEW對采集的數(shù)據(jù)進行分析，從而判斷其電壓類型，從而顯示。傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表的直流和交流的區(qū)分是通過選擋實驗區(qū)分的，本系統(tǒng)可以首先待測電壓的類型進行判斷。

圖1 系統(tǒng)構成圖Fig.1 Picture of system configuration

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。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡NI公司生產的數(shù)據(jù)采集設備NI USB-6008。NI USB-6008可提供 8個模擬輸入（AI）通道、2個模擬輸出（AO）通道、12個數(shù)字輸入/輸出（DIO）通道以及一個帶全速USB接口的32位計數(shù)器。采集信號的電壓范圍-10～+10 v，最大采樣率10 kS/s。由于NI USB-6008可提供8個模擬輸入，這就說明該系統(tǒng)至少可以實現(xiàn)八路數(shù)字電壓的測量，它的電壓范圍也就這該系統(tǒng)可以測量電壓的量程。

2 基于LabVJEW的軟件程序設計

文中設計的三路電壓測試程序如圖2所示，改程序分為4個部分，待測電壓讀取部分，電壓類別分析部分，電壓幅度計算和頻率計算部分及電壓和頻率顯示部分，由于該采集卡可接受8路信號，所以改程序還可擴展5路信號，該系統(tǒng)可以很方便的實現(xiàn)其擴展。該系統(tǒng)采樣率為200 Hz，采集的類型為多通道多點采集方式。下面介紹具體模塊的設計思想。

2.1 電壓類型判斷

直流電壓是指大小和方向均不隨時間變化的電壓，交流電壓是指大小和方向隨時間變化而變化的電壓。根據(jù)它們的定義可以知道直流電壓大大小隨時間不變，所以，只需要把采集前后的點相比較，從而判斷電壓的類型。改程序的具體實現(xiàn)如圖3所示，利用求平均值的模塊把采集到的數(shù)據(jù)平均，然后和采集到的每個數(shù)據(jù)進行比較，他們差的絕對值是否為零是判斷直流和交流的條件。

圖2 三路電壓測量程序Fig.2 Three-way voltage measurement procedure

圖3 電壓類型判斷Fig.3 Voltage type of judgment

2.2 電壓測量與顯示

電壓的測量可區(qū)分為直流電壓的測量，直流電壓只需測量出它的幅度即可，而交流電壓不僅要計算出它的幅度還有精確的測量出它的頻率。直流電壓的顯示如圖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，決定測量的開關。輸出顯示用來顯示測量的結果，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。

圖4 直流電壓顯示Fig.4 DC voltage display

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＞＞Absolute value 取交流電壓的絕對值，然后求平均值，即全波平均值；交流電壓中的最大值，即為峰值?？梢园褦?shù)據(jù)進行比較求出最大值，可通過Waveform.MinMax來進行處理；用DC value測量直流分量和用RMS value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5所示。頻率的測量是通過利用Peak Detector找到最大點，而兩個最大點的間隔就是周期，為了保證測量的準確性，我們在這里加上了閾值，從而保證測試的準確性，由于采用的采樣率為200 Hz，可根據(jù)間隔數(shù)算出頻率?；赨SB6008設計的電壓表，采樣正弦信號的最高頻率為2 000 Hz，顯示波形的最高幅度為7 V。

3 系統(tǒng)分析

圖5 交流電壓測量Fig.5 AC voltage measurement

虛擬直流電壓表針對不同的電壓輸入，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0～3 V時，測試的量程應選在10 V，其測試的誤差基本為0.001 2 V。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。通過下表可以看出虛擬儀器設計出來的多路數(shù)字電壓表的測量的準確性還是比較高的，可以很好的滿足實驗室的測試要求，能夠很好的應用的電路的電壓測量中。

4 結束語

基于DAQ及LabVIEW的數(shù)字電壓表能夠實現(xiàn)數(shù)字電壓表的功能，可視化的前面板控件構造儀器的用戶界面，人機交互性強，界面友好。經過調試、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)多路測量的功能，可解決現(xiàn)有實驗設備的技術更新與維護困難等難題。

表1 虛擬儀器測得的電壓Tab.1 virtual instrument measured voltage

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