基於labview 的虛擬電壓表設計
學院：資訊工程學院
班級：09級自動化2班
學號：0967106229
姓名：葛東亞
基於labview 的虛擬電壓表設計
摘要：為了滿足不同測量的要求傳統的電壓表分別做成獨立的儀表，包括峰值電壓表、平均值電壓表和有效值電壓表。在此，提出採用虛擬儀器同時實現三種示值電壓表的方案；介紹了虛擬儀器軟體平台labview的特點。
對虛擬數字電壓表的設計和實現進行了詳細描述，包括基於labview 的虛擬訊號發生器的實現過程，它能產生正弦、方波、三角波及由輸入數學公式確定的複雜自編輯波形。最後，對設計的虛擬電壓表執行結果進行分析，驗證了虛擬電壓表設計方法的正確性。
o .引言
虛擬儀器是隨著計算機技術、電子測量技術和通訊技術發展起來的一種新型儀器。它充分利用計算機系統強大的資料處理和顯示能力，利用軟體完成資料的採集、控制、資料分析和處理以及測試結果的顯示等，通過軟、硬體的配合，實現傳統儀器的各種功能，真正實現了「軟體即儀器」的概念，使用者可以方便地對儀器進行維護和擴充套件。
電壓是電路中常用的電訊號，通過電壓測量，利用基本公式可以匯出其他的引數。因此，電壓測量是其他許多電引數和非電參數量的基礎。測量電壓相當普及的一種測量儀表就是電壓表，但常用的是模擬電壓表。
模擬電壓表根據檢波方式的不同。分為峰值電壓表、均值電壓表和平均值電壓表，它們都各自做成獨立的儀表。這樣，使用模擬電壓表進行交流電壓測量時，必須根據測量要求選擇儀表。
另外，多數電壓表的表頭是按正弦交流有效值刻度的，而測量非正弦波時，必須經過換算才能得到正確的測量結果，從而給實際工作帶來不便。
採用虛擬電壓表，可將表徵交流電壓特徵的峰值、平均值和有效值集中顯示在一塊面板上，測量時可根據波形在面板上選擇儀表，僅通過面板指示值就能對測量結果進行分析比較，大大簡化了測量步驟。
1 .虛擬電壓表的設計思路
虛擬電壓表是基於計算機和標準匯流排技術的模組化系統，通常它由控制模組、儀器模組和軟體組成，由軟體程式設計來實現儀器的功能。在虛擬儀器中，計算機顯示器是惟一的互動介面，物理的開關、按鍵、旋鈕以及數碼管等顯示器件均由與實物外觀相似的圖形控制項來代替，操作人員只要通過滑鼠或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關、按鍵等設定各種引數，就能根據自己的需要定義儀器的功能。在虛擬電壓表的設計中，考慮到儀器主要用於教學和實驗，使用物件是學生，因此將引言中提到的三種檢波方式的儀器合為一體，既簡化了面板操作，又便於直接對比。
該電壓表主要用於電路分析和模擬電子技術等實驗課的教學和測量儀器，能夠使學習者了解和掌握電壓的測量和電壓表對各種波形的不同響應。因此，虛擬電壓表應具備電源開關控制、波形選擇，以及顯示峰值、有效值和平均值三種結果，且輸入訊號的大小可調節等功能。虛擬電壓表由硬體裝置與介面、裝置驅動軟體和虛擬儀器面板組成。
其中，硬體裝置與介面包括儀器介面裝置和計算機，裝置驅動軟體是直接控制各種硬體介面的驅動程式，虛擬儀器通過底層裝置驅動軟體與真實的儀器系統進行通訊，並以虛擬儀器面板的形式在計算機螢幕上顯示與真實儀器面板操作相對應的各種控制項。在此，用軟體虛擬了乙個訊號發生器。該訊號發生器可產生正弦波、方波和三角波，還可以輸入公式，產生任意波形。
根據需要，可調節面板上的控制項來改變訊號的頻率和幅度等可調引數，然後檢測電壓表的運**況。因此，在labview圖形語言環境下設計的虛擬電壓表主要分為兩個部分：第一部分是虛擬電壓表前面板的設計；第二部分是虛擬電壓表流程圖的設汁。
2 .前面板的設計
前面板模擬真實電壓表的前面板，用於設定輸入數值和觀察輸出量。由於虛擬面板直接面向使用者，是虛擬電壓表控制軟體的核心。設計這部分時，主要考慮介面美觀、操作簡潔，使用者能通過面板上的各種按鈕、開關等控制項來控制虛擬電壓表進行測量工作。
根據傳統電壓表面板控制項的功能，利用labview中的控制模板，分別在設計面板上放入模擬實際電壓表控制項的資料輸入控制項、顯示器、資料輸出控制項、開關、選擇器，顯示器用於顯示輸入的訊號波形；資料輸入控制項主要用於輸入被測訊號的訊號頻率、取樣頻率、取樣數、振幅和相位；資料輸出控制項則用於輸出被測訊號經過處理後得到的峰值、平均值和有效值及標準頻率的有效顯示。開啟labview前面板的編輯視窗，點選滑鼠右鍵，顯示控制模板，選擇圖形一波形圖，作為電壓表的顯示器。在顯示器模板上點選滑鼠右鍵，對其進行屬性設定，例如根據示波器的頻率與幅度值的變化，利用工具模板中的文字工具，對示波器橫(時間)、縱(幅度)座標的刻度進行重新設定。
用graph控制項設計的示波器是完全同步的，且波形穩定。
選擇控制項→數值→數值輸入控制項／數值顯示控制項，作為電壓表引數設定中輸入和測試結果的資料顯示。
選擇控制項→下拉列表與列舉→選單下拉列表，放置對輸入波形選擇開關，在下拉列表中單擊滑鼠右鍵，選擇「編輯項」對其進行編輯。
「電源開關」控制項選擇經典→經典布林→方形按鈕，當按下開關時，虛擬電壓表開始執行，同時電源開關的指示燈亮。同樣，當彈起開關時，虛擬電壓表停止執行。前面板如圖1所示。
3 .流程圖的設計
每乙個前面板都對應乙個流程圖程式。前面板的設計完成後，可對流程圖程式進行設計。開啟labview設計環境中的視窗→顯示程式框圖，進入流程圖編輯視窗，與前面板各控制項對應的埠圖示自動出現在流程圖編輯視窗中。
利用labview中的功能模組，根據虛擬示波器前面板各控制項的作用和聯絡，虛擬示波器運作後資料流的控制，分別在流程圖設計面板中放置各個功能模組，合理擺放後，在用連線工具依次連線，以實現虛擬示波器的功能。資料流的編輯主要是對埠圖示的連線。用連線工具進行連線時，如果埠閃爍，說明相連的資料型別匹配，否則不能連線。
3．1 .虛擬訊號發生器的實現
由於虛擬電壓表主要用於演示，所以為了方便，可直接利用labview軟體產生**訊號。在該設計中，設定了正弦波、方波和三角波以及由公式確定的任意波形。在程式設計框圖中，使用乙個case(選擇)語句對四種波形進行選擇。
case語句中，每乙個數字(0，1，2，3，4)都代表一種波形，與前面板控制項中5種狀態相對應。至於case語句的製作，只需將4個圖示中的乙個，例如正弦波發生程式，用case框起來，然後在上面的空白處寫上相應的數字，例如1；然後點選箭頭，可以設定第二個圖示，如果要新增乙個case的話，可以點選滑鼠右鍵，直接新增，編輯相應的基本訊號發生器vi中相應的節點即可。在新增公式波時，要把基本訊號發生器vi換成公式波形vi，0代表預設狀態，表示無任何波形輸入。
下面給出了case結構的乙個分支，公式波形的流程圖如圖2所示。該子ⅵ可使用指定時間函式的公式字串生成乙個函式波形，它要求公式的自變數必須是t，它所支援的運算子和常用的函式。
另外，在模擬狀態下，訊號頻率以赫茲或者每秒週期數為單位。但是在數字系統中，通常使用數字頻率，它是訊號頻率與取樣頻率的比值，被稱為標準頻率。所以，在框圖程式中，應當在訊號頻率與取樣頻率之間載入乙個除法器。
在波形發生程式按照規定的引數產生波形後，如果將波形直接輸入波形顯示控制項，那將是錯誤的。因為波形顯示控制項，並不像資料顯示控制項那樣只需要乙個或一組資料，因此波形能否按規定顯示出來，取決於輸入的幾組不同且具有決定性的資料，例如週期、相位等。在該設計中，將z軸起始座標、週期、波形**成乙個陣列，同時輸入到波形顯示控制項中。
3．2 .資料處理部分
資料處理部分的作用，就是將產生出的訊號通過不同形式的檢波、計算，得出規定的不同的結果。在該設計中同時顯示交流有效值、峰值和平均值。對於乙個純粹的交流電壓，正半週期訊號與負半週期訊號對稱，u的平均值等於零，所以一般不直接測量平均值。
在設計時，按函式→數值→絕對值取交流電壓的絕對值，然後求平均值，取全波平均值。交流電壓中的最大值，即為峰值。可以通過比較資料求出最大值，這需要使用波形最大、最小子虛擬儀器來處理框圖。
有效值顯示：在函式→訊號處理→波形測量中選擇基本平均直流均方根。其框圖符號如圖3所示。
圖3中，dc value為測量的直流分量；rms為value測量有效值；reset用於重啟過去記錄的時間訊號、平均測量的引數；**eraging type是測量中的平均型別，在單個模組vi中，可依據輸入記錄長度自動設定平均時間；window是在dc／rms計算之前，用於記錄時間的窗；erroe in是在該vi執行之前描述錯誤環境，預設值為no error。如果錯誤已經發生，該vi在errorout端返回錯誤**，子vi在無錯誤時才正常執行。
3．3 .開關部分
用乙個while條件語句設計整個框圖程式，當模擬電壓開關為「1」時，虛擬電壓表工作，條件語句中的程式開始執行；當模擬開關為「0」即關時，條件語句中的程式停止執行，虛擬電壓表不工作。設計好的流程圖如圖4所示。
4 .結語
經過實際使用，虛擬電壓表所有的控制鍵和功能正常，符合使用要求。需要指出的是，在設計該虛擬電壓表時，僅從功能上考慮，並未對虛擬電壓表的技術指標進行深入研究。事實上，峰值是取樣值的最大值，而取樣點不可能取得太多，否則執行速度太慢，因此顯示的峰值與理論值是有差別的，在設計時應注意合理選擇引數。
在labview圖形化語言環境下設計的虛擬儀器簡單快捷，使用者完全可根據測試功能的需要，呼叫不同功能的軟體模組，以組建自己的儀器。如何分別對硬體驅動程式部分、虛擬面板部分、訊號的後期處理部分進行部分或完整的設計，訊號的後期處理程式可以設計成乙個獨立的功能模組，能夠對取樣訊號進行非實時的在現和離線分析，既滿足了使用者的使用要求，又避免了裝置的重複購置。
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