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电子信息工程综合实验
实验报告

实验名称：
实验一 转速测量与控制
实验二 温度测量与控制
实验三 电量测量与分析
实验四 LabVIEW编程环境与基本操作实验
实验五 虚拟信号发生器实验
实验六 数据采集实验

指导老师：
班级：班
姓名：
学号：
学院：自动化学院

实验一 转速测量与控制
一、实验目的
1． 熟悉速度传感器工作原理
2． 熟悉硬件设计原理
3． 熟悉软件编程方法
二、实验仪器
PC机、示波器、综合实验板、数字表，频率计
三、实验设计原理
1. 硬件设计原理
整体设计框图
速度传感器
放大整形
CPU
I/O
显示

键盘
D/A
信号放大
直流电机

图1-1 整体设计方框图

其中，图的上半部分为测量部分，下半部分为控制部分
CPU： AT89C52
I/O：人机接口，7290
D/A：5618
直流电机：=24v
2. 软件设计原理

图1-2 软件设计流程图
四、实验环节
1. 按实验规定连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。
2. 用键盘设立电机转速，从500R/min开始，当数码管显示的当前转速在设定转速附近上下小幅波动时或稳定在设定转速时，用示波器测量TLV5618的OUTB端的信号频率，用万用表测量OUTB端的信号电压、直流电机的输入电压（测试点为f相应m2，VOUTB相应R23，相应m+）.
3. 改变设定的转速，依次输入500R/min～2500R/min之间的值，反复环节2。
4. 记录数据，解决数据。
五、数据的采集和分析
1．数据采集
表1-1 所测参数
设定参数
R/m
/Hz
误差η/%
/v
/v
A
转速方程
600
3571
0.805
1.44
5.50
4.68
4.94
4.83
4.89
5.25

=（R）
900
5263
2.537
1.91
7.70
1200
7143
0.791
2.35
10.01
1500
8621
4.211
2.79
12.16
=（R）
1800
10417
3.546
3.21
14.19
2023
11628
3.100
3.55
15.87

2．数据分析
通过表1-1中数据计算，=4.918
（1）在实验数据选择上，设定参数的前五个转速由上而下的以300R/m递增，同时测得数据的值也相应以相似的差值递增，因此，我们设想和转速R成线性关系。
设 = aR + c ——式①
其中a和c为未定常量。
由于d/Dr = a = Δ/ΔR ——式②
将表1-1中数据代入式①和式②，可得到表1-2
表1-2 参数a和c的值
a(10e-3)
1.57
1.47
1.47
1.4

c
0.553
0.58
0.577
0.5736
0.55
因此，=1.4775*10e-3
=0.56672
因此，=1.4775*10e-3 * R +0.56672
（2）由表1-1可知，和 成 倍的关系。
由（1）中同样的分析方法可得：=7.235*10e-3 * R + 1.2301
3.用Matlab画出转速特性曲线
（1）

（2）

实验二 温度测量与控制
一、实验目的
1．熟悉温度传感器；
2．熟悉温度测量硬件设计原理；
3．熟悉温度测量软件设计原理。
二、实验仪器
PC机、示波器、综合实验板、电热水器、数字表
三、设计原理
1．硬件设计原理
（1）原理框图

图2-1 硬件设计原理框图

（2） 硬件部分重要涉及4块集成芯片、电热水器、温度传感器和双向可控硅等。
①信号产生与放大
温度传感器：

图2-2 温度传感器结构示意图
本实验是采用的是铂热电阻式温度传感器，它是一种负温度系数热敏电阻（NTC），特点是热电特性稳定，测温准确度高，可作标准热电偶。
铂热电阻温度传感器的特点：铂的物理、化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的最佳材料。铂丝的电阻值与温度之间的关系在0～630.755°C范围内为：，B的值在量级。故电阻随温度变化的线性度很好。电阻值随温度T的线性变化将引起铂热电阻两端的电位差的线性变化，从而实现将温度信号转换为电信号。其具体结构如下：

图2-3 温度传感器等效电路图
信号放大：
传感器的输出电压信号比较小，一般只有几毫伏到几十毫伏，局限性以驱动后边与之相连的芯片，并混有许多干扰信号，因此必须将信号放大到与下一极芯片驱动电压相匹配的限度，并去除干扰。该部分的功能是将随温度的变化灵敏度放大200倍，即交流放大倍数为200，使进入AD7865的采样信号变换范围扩大到0～5V，使数据的解决精度提高。 这部分电路在实验板上是一个集成模块，在电路板下方中部。
其等效电路图为：

图2-4 温度传感器放大电路

②信号采集与解决
由于温度传感器输出的信号为模拟量，必须通过模数转换才干为CPU解决。将模拟电 信号转换成数字信号的过程称为A/D变换。本实验采用的芯片是AD7856，重要应用在温度测量系统中。芯片特点：高速，低耗，有4个采样通道，同时可以进行4路采样，输出14位位宽的并行数据。转换时间是2.4us，信号分辨率位V。
电路连接图：

图2-5 信号采集与解决电路原理图

单片机：
本实验中，单片机的型号使AT89C52，是整个实验的核心，重要负责数据的数据采集、数据解决和显示，并控制直流电机。
AT89C52是一款具有低功耗和高性能的、CMOS制造工艺的8位微解决器，有8K字节的FLASH可编程和可擦除只读存储器（PEROM）。有片内256×8位内部RAM，32根可编程I/O线，3个16位定期/计数器，八个中断源，和可编程串行通道等。
单片机将采集来的数据通过一定的算法解决后，输出给D/A，来控制热水器状态。
电路图与实验一相同。
③状态显示与键值设立
本实验中用ZLG7290作为键盘接口和LED显示驱动。特点：串行总线接口，提供键盘中断信号，方便与解决器接口；可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键；8个功能键，可检测任意键的连击次数。由于ZLG7290采用串行总线，而AT89C52内部没有集成总线接口，因此运用软件模拟总线接口功能。
④控制电路
本实验中，要通过设立温度来控制电热水器工作状态，需要将数字信号转换位模拟信号，电路中使用了D/A转换芯片TLV5618。芯片特点：12位双通道串行接口；可编程设立转换时间，高速模式下为2.5us，低速模式下为12us；89C52将保存的设立预期转速值转换成串行数据输出到5618的SDI端，从SDI端输入的数字信号经TLV5618转换成模拟信号，由OUTA端输出。当当前温度值比设定的温度值小于2℃以下时，OUTA端输出5V，双向可控硅导通，热水器开始加热；当当前温度值比设定的温度值不小于2℃时，OUTA端输出0V，双向可控硅截止，热水器停止加热。达成闭环控制目的。
电路图：

图2-6 控制电路原理图
（5）电热水器
本实验中作为受控对象，受单片机控制。
2．软件设计原理

图2-7 软件设计原理示意图
源程序见附录
四、实验环节
1．按实验规定连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。
2．用键盘设立一个温度值，当数码管显示的温度与设定值相等时，用万用表测量温度传感器的输出电压和放大后的电压（测试点为：等于T1与T2或T3之间的电位差；等于与参考地之之间的电位差）。
3．测量电热水器的控制电压。分别测量电热水器工作和停止时的控制电压。
4．测量温度阀值。由软件设计原理可知，当当前温度比设定温度值不低于2℃时，电热水器断电停止加热；而当当前温度比设定温度值低于2℃时，电热水器通电开始加热。我们称刚断电停止加热和重新通电开始加热时的温度称为温度阀值。
5．设定温度值从20℃～90℃，每10℃设定一个值。反复环节2～4。
6．记录数据，解决数据。
五、数据采集与解决

表2-1 所测参数
t℃
25
35
45
55
65
75
85
90
/mv
50．2
52.1
54.0
55.9
57.8
59.7
61.6
62.6
/v
2.0
2.42
2.81
3.19
3.60
3.99
4.39
4.59
=(t)
0.1904t+45.433
=(t)
0.0397t+1.0188
Δt= 1 ℃
=0.1904 , =0.0397
A
221
205
200
215.7
210
210.5
200

γt/℃
7.922e-3
/v
4.99 0.318
- /℃
2
2
2
2
2
2
2
2
参数的物理意义：
：温度传感器的变换电压
A：增益。A==∆Vout∆Vt
分辨率：AD7865工作使的参考电压为，14位宽度，则此芯片的电压分辨率为，Δ=0.0385 V/,所以温度分辨率为rt=rv/Δ=7.922e-3
运用Matlab绘制温度特性曲线：

图2-8 温度特性曲线
实验三 电量测量与分析
一、实验目的
1．熟悉电压互感器和电流互感器的工作原理
2．掌握电量测量与分析原理
3．熟悉电量测量硬件设计原理
4．熟悉电量测量软件设计方法
二、实验仪器
PC机、示波器、综合实验板、数字表、电热水器
三、实验设计原理
1．硬件设计原理
（1） 电量分析原理
实际负载并不是完全的纯电阻特性，是既涉及线性的电阻、电容和电感器件，也涉及二极管、三极管等非线性器件，所以在220V正弦电压的作用下，负载两端的电流不在是正弦信号，而是具有丰富谐波分量的非正弦周期信号，电量参数的测试较为复杂。但是运用高度集成化的计算电量芯片CS5460A可以方便地设计出一个电量测试系统。为了便于分析测量地数据，现将相关电路理论阐述如下：
①对于正弦周期信号
瞬时电压：
瞬时电流：
瞬时功率：
有效电压：
有效电流：
有效功率：

视在功率:
无功功率：
功率因素：
电压与电流的相位差：
②非正弦周期信号
任一周期电流地有效值I定义为：

假设一非正弦周期电流可以分解为傅立叶级数：

将带入有效值公式，则得此电流得有效值为：

计算得

瞬时功率为：

平均功率为：
其中：，，，
负载特性：
①纯阻状态下，i图与u图同样，为正弦波；
②非纯阻状态下， u图为正弦波，i图为非正弦波。
（2） 硬件框图

图3-1 硬件原理框图
2．软件设计原理

图3-2 软件设计原理示意图
实验程序见附录
四、实验环节
1．按实验规定连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。
2．在实验板上测量。将电热水器作为负载接入电路，键盘设立一温度值启动电热水器工作，按实验原理测量电量。
3．用示波器测量。记录电压幅、电流幅度值、工作频率，测量电压和电流的相位差，并绘制电压、电流波形图。
4．分别将显示器和PC主机作为负载，反复环节2和3。
5．解决数据，填写表格。
6．用Matlab画出三种负载的电压和电流波形。
五、数据的采集和分析
1．数据的采集与解决

表3-1 实验数据
负载
参数

热水器

主机

显示器
U /v
230
226
232
I /A
3.25
0.4
0.31
S
747
88
73
P
724
64
27
λ
0.97
0.72
0.36
/mv
185
185
185
/mA
80
15
30
T /ms
20
20
20
u（t）
185cos100πt
185cos100πt
185cos100πt
i(t)
80cos100πt
7.5t, &0<t<2ms15-7.5(t-2) , 2ms≤t<4ms-7.5(t-10) , 10ms≤t<12ms-15+7.5(t-12) , 12ms≤t<14ms0, else

-30+15t , 0≤t<2ms0 , 2ms≤t<20ms
/mv
130.81
130.81
130.81
/mA
56.57
5.477
3.919
φ /°
0
18
-18
实验中，在综合实验板上直接测量的五个数据的含义为：
a) 有效电压 U==
b) 有效电流 I==
c) 视在功率（额定功率）S=UI
d) 有效功率 P=UI cosφ （0≤φ≤90°）
e) 功率因数（反映电源运用率） λ== cosφ ≤ 1
在本实验中，热水器可近似为纯阻，因此，热水器的U（t）表达式可以近似为正弦形式，I(t) 表达式也可以近似为正弦形式（如上表1），电流I和电压U相位差φ为零值。
主机运营时，重要表现为容抗，所以电流I和电压U相位差φ为正值（滞后）。
显示器运营时，重要表现为感抗，所以电流I和电压U相位差φ为负值（超前）。
根据示波器上显示的图形，可以将各U（t）和I(t)用上述数学表达式表达（如上表1）
2．用Matlab画出三种负载的电压和电流波形
2．1热水器

图3-3三种负载的电压波形

图3-4主机的电流波形

图3-5显示器的电流波形

图3-6热水器的电流波形

实验四 LabVIEW编程环境
与基本操作实验
一、实验目的
1．了解LabVIEW 8.2的编程环境。
2．掌握LabVIEW的基本操作方法，并编制简朴的程序。
3．学习建立子程序的过程。
二、实验设备
安装有LabVIEW8.2的计算机。
三、实验内容
1．熟悉LabVIEW 8.2 的编程环境。
2．按照使用手册中的实例进行设计和操作：
①信号发生器
②信号的取样和表格生成
③信号的采样、文献读写和阈值报警
四、实验环节
1．运营LabVIEW8.2，进入LabVIEW8.2的编程环境。
LabVIEW8.2启动后，前面板和程序框图窗口分别如图1和2所示。

图4-1 LabVIEW8.2的前面板窗口

图4-2 LabVIEW8.2的程序框图窗口

2．前面板的设计
前面板是用户界面，由输入、输出控制和显示三部分组成。控制器是用户输入数据到程序的方法，而显示器显示程序产生的数值。控制器和显示器有许多种类，可以从控制选板的各个子选板中选取。
三个实例的前面板设计如下图

图4-3 锯齿波信号发生器前面板

图4-4 信号测量器前面板

图4-5 Batterworth滤波器前面板

3．程序框图的设计
程序框图是图形化的源代码，是虚拟仪器测试功能软件的图形化表述。程序框图由节点、端口和连线组成。LabVIEW8.2的函数选板中，提供了大量的功能函数，可用LabVIEW的工具，在各个函数子选板中取用所需的函数，排列到程序窗口的合适位置。
下面是三个实例的程序框图

图4-6 锯齿波信号发生器的框图面板

图4-7 信号测量器的框图面板

图4-8 Batterworth滤波器的框图面板

4．调试虚拟仪器
可运用LabVIEW提供的调试环境对设计的VI进行调试、运营。LabVIEW提供了单步执行、断点、运营、探针工具等调试方法。
下面是三个实验的运营结果：

图4-9锯齿波信号发生器的波形

图4-10 信号测量器的波形和数据

图4-11 Batterworth滤波器前后的波形

5．保存文献
将设计好的VI命名并保存为VI文献。

实验五 虚拟信号发生器实验
一、实验目的
学习并掌握LabVIEW 8.2的信号产生、case结构及波形显示控件的使用。
二、实验设备
1．安装有LabVIEW8.2和NI-DAQmx的计算机。
2．支持NI-DAQmx的数据采集卡PCI6251。
3．Protek的20MHz示波器。
三、实验内容
1．运用信号产生节点和Case结构创建一个简朴的可产生正弦波、方波、三角波和锯齿波的信号发生器。
2．可设立信号的频率、幅度、相位、占空比。
四、实验原理
当无法获得真实信号或需要产生与系统相适应的测试信号时，需要运用软件产生仿真信号。仿真信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，如设计一个虚拟信号发生器，可产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等模拟信号。
LabVIEW8.2的函数选板提供了丰富的波形函数，可以产生正弦波形、方波、三角波、脉冲波形、扫描波形、随机噪声波形等各种仿真信号波形序列的功能模块，这些功能模块都是用来产生指定的波形。

图5-1 信号生成子选板
虚拟信号发生器的测试接线图可按图 14-2所示连线。

图 5-2 虚拟信号发生器的测试接线图
虚拟信号发生器为被测器件或系统提供测试用信号，被测系统对输入激励进行响应，响应的结果由虚拟测试仪器，如虚拟电压表、虚拟示波器、虚拟频率计等进行定量测试。
五、实验环节
1．打开一个新的前面板，在前面板上，创建包含信号源类型选择、信号频率、信号幅度、信号相位、占空比，以及采样频率、采样点数、波形图显示等前面板对象。
下图为最后设计的前面板：

图5-3 信号发生器的前面板

2．在程序框图设计中，使用Case结构选择输出信号类型，4个Case分支输出不同的信号。
3．可在信号产生子选板中分别选择“正弦波”、“三角波”、“方波”、“锯齿波”函数产生不同的波形。
4．将X轴的初始值、采样间隔和波形数组捆绑后送波形图显示，波形图的X轴为时间轴。
5．运用DAQmx Write等函数编写D/A转换程序，通过PCI6251模拟输出端输出信号波形，并运用Protek示波器观测波形。
最终的程序框图如下图：

图5-4 信号发生器的框图面板

实验六 数据采集实验
一、实验目的
学习使用LabVIEW 8.2进行数据采集的方法。
二、实验设备
1．安装有LabVIEW8.2和NI-DAQmx的计算机。
2．支持NI-DAQmx的数据采集卡PCI6251。
三、实验内容
1．运用温度传感器进行温度采集实验，编写虚拟仪器的温度测量程序。
2．运用速度传感器进行转速测试实验，编写虚拟仪器的速度测量程序。
四、实验原理
数据采集（DAQ），就是将被测对象的各种参量通过各种传感器件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等环节送到控制器进行数据解决或记录的过程。基于LabVIEW的数据采集系统如图6-1所示。

图6-1 基于LabVIEW的数据采集系统
本实验所选用的数据采集卡是NI公司的M系列数据采集卡PCI6251。其重要技术指标为：
·32个模拟通道（16位、1.25MS/s采样速度
·4路模拟输出通道（16位、2.8MS/s采样速度）
·32位高速数字I/O通道（10MHz采样速度）
·2个32位计数器/定期器
PCI6251的外形图如图2所示。

图6-2 PCI6251的外形图
PCI6251的信号端子分派如图3所示。

图6-3 PCI6251的信号端子分派

五、实验环节
1．温度测试
实验用温度传感器为铂热电阻温度传感器，与实验二种使用的单片机系统是相通的，这里不再介绍。
LabVIEW 8.2提供的NI-DAQmx采集函数子选板如图6-4所示。

图6-4 NI-DAQmx采集函数子选板
运用LabVIEW 8.2提供的NI-DAQmx采集函数可编写温度数据采集VI，记录并显示温度与电压之间的关系。
下面图6-5是最终设计的前面板和框图面板。

图6-5温度测量系统的前面板和框图面板
4．速度测试
速度传感器及其调理电路在实验一中已介绍过，这里不再赘述。其使用的测量控件面板与温度测量中是一致的。
下面的图6-6是转速测量系统的前面板和框图面板。

图6-6 转速测量系统的前面板和框图面板
六、实验结果分析
在实验过程中，前面板上显示的转速和温度数值与通过单片机在数码管上显示的数值误差在0.1%~1%左右。
虚拟仪器系统的数据解决完全通过图形化的界面完毕，通过硬件接口可以接不同的I/O设备，从而实现不同的功能，用于于实验室的设计测试更加方便快捷直观，缩短了产品的开发周期。但是虚拟仪器的硬件接口比较昂贵，假如用于批量生产的产品单片机系统更加便携，更加经济。