基于labview的电信号分析采集系统本科论文.doc

基于LabVIEW的电信号分析采集系统 38
摘 要
随着计算机技术的迅速发展，虚拟仪器正逐渐成为测控领域的发展方向。本设计以个人计算机和数据采集卡为主要硬件,以LabVIEW软件为开发平台,创建了实现信号采集与信号分析的多功能的虚拟仪器系统,该系统能够对采集后的信号进行一些时域分析和频域分析。此外，由于数据采集卡一般都有多个模入通道，所以通过数据采集卡驱动程序控制采集卡可以实现多通道的数据采集。因此使用LabVIEW进行数据采集十分简单、方便。通常只要使用NI公司提供的NI- DAQmx 数据采集卡驱动程序，再结合数据采集设备可方便地实现数据采集。
关键词：LabVIEW，数据采集卡，信号分析，NI- DAQmx

ABSTRACT
With the rapid development of computer technology，Virtual instrument is becoming the direction of developments in the field of measurement and control. The design of the personal computer, and data acquisition card as the main hardware，LabVIEW software development platform, Create a multi-function virtual instrument system for signal acquisition and signal analysis, The system is capable of the post-acquisition signal analysis of time domain and frequency domain analysis. In addition, data acquisition cards generally have more than one mode into the channel, So through data acquisition card driver control acquisition card can realize multi-channel data acquisition. Using LabVIEW data acquisition is very simple and convenient. Usually as long as the use of NI - DAQmx data collection driver provided by the NI company, combined with the data acquisition equipment can easily achieve data collection.

Key word: LabVIEW，Data acquisition card，Signal analysis，NI- DAQmx

目 录
1 绪论-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
1.1 数据采集分析系统的研究--------------------------------------------------------------1
1.2 系统主要特点------------------------------------------------------------------------------4
2系统的设计及原理------------------------------------------------------------------------------11
2.1 系统实现的主要功能----------------------------------------------------------------------------------11
2.2 系统的结构及其原理----------------------------------------------------------------------------------11
3 系统硬件设计-----------------------------------------------------------------------------13
3.1 传感检测模块----------------------------------------------------------------------------------13
3.2 信号调理模块----------------------------------------------------------------------------------16
3.3 数据采集模块----------------------------------------------------------------------------------18
3.4 计算机模块选择----------------------------------------------------------------------------------20
4系统软件设计-------------------------------------------------------------------------------------------21
4.1 系统程序设计----------------------------------------------------------------------------------21
4.2 信号采集程序设计----------------------------------------------------------------------------------24
4.3 信号分析程序设计----------------------------------------------------------------------------------25
5结论---------------------------------------------------------------------------------------------30
参考文献---------------------------------------------------------------------------------------------31
致谢---------------------------------------------------------------------------------------------33
附录一---------------------------------------------------------------------------------------------34
附录二---------------------------------------------------------------------------------------------35

1 绪论
随着计算机技术、现场总线技术、软件技术的快速发展,自动测试系统发生了巨大的变化。虚拟仪器利用计算机来控制相应的与计算机连接的、具有仪器功能的硬件,完成对输入、输出信号的采集、控制、数据分析和显示,实现传统仪器的功能。与传统的测量仪器的设计方法相比,它具有成本低、功能强大、集成度高、质量可靠、维护方便等优点,可以很方便地组建测试系统,满足多种测量要求。系统中,信号经数据采集卡,由计算机上的虚拟仪器控制采集、分析及显示。因此该系统的硬件完成信号输入功能,软件则是整个系统的关键[1]。
虚拟仪器完全是一种新概念的，与以往测量仪器大不相同,因为虚拟仪器是现代化的信息技术和仪器硬件技术相互结合的产物、对今天的计算机辅助测量测试领域而言是一项重要的，必不可缺的技术,是在各种计算机平台上,用户根据自己的要求来定义和设计具有测试测量功能的先进的仪器系统[2]。与以往一般的以硬件为主的传统仪器相比较,虚拟仪器在自身的智能化、处理数据的能力、性能的价格比、可操作的特性等方面都具有非常明显的挂术领先优势[3]。对虚拟仪器而言，最关键的核心技术就是软件开发环境。享誉全球的美国NI公司生产的LabVIEW软件是一种基于图形化的编程语言(G语言)的软件开发环境,它主要通过使用各种图标、图形符号、连线等来进行编程。其完美的图形化人机界面(GUI)使用的都是一般测量测试工程师所熟悉的旋钮、开关、波形图等,所以非常直观形象[4]。
鉴于虚拟仪器拥有上述诸多优点，所以本设计主要以虚拟仪器编程软件LabVIEW为核心并且结合数据采集卡及相关硬件，完成一个具有数据采集功能和信号分析功能的虚拟仪器系统。
1.1数据采集分析系统的研究
由于LabVIEW是有史以来，唯一通过使用虚拟面板用户界面和方框图来建立虚拟仪器系统的图形化程序设计系统，所以它广泛地被工业领域、学术领域和研究所、实验室所接受，同时被视为一个标准的数据采集仪器和仪器控制软件[5]。本文是以LabVIEW软件为开发工具，在研究的基础上，设计了一套数据采集分析系统，能方便地实现包括数据采集、数据分析与数据处理，并通过一系列的仿真验证了系统的各种功能[6]。所设计的LabVIEW 数据采集系统，如图1-1 所示，主要由硬件部分和软件部分组成。由于一般数据采集硬件具有多种形式，所以可根据具体的使用场合选择相应的硬件资源[7]。数据采集硬件的驱动程序为LabVIEW 软件中的数据采集卡驱动程序，可以通过其中的操作命令来完成与硬件之间的数据传输。
一般情况下，用户可以通过硬件驱动程序中的用户接口Measurement&Automntion Explorer来完成对硬件进行各种必要的设置与测试。LabVIEW 的数据采集VI是按照Measurement&Automntion Explore 中的设置来进行数据的采集，并且同时能进行相应的数据分析与处理。信号采集部分主要是利用LabVIEW 中Acquisition 这个子模板[8]。此外，由于LabVIEW 提供了各种图形化的驱动程序，所以使用者即使不了解PCI 计算机总线也可以驱动上述各种总线的I/O 接口设备，从而就实现了对各种被测信号的输入、采集、放大、模/数转换，进而可供计算机作进一步深入的分析与处理[9]。由于LabVIEW在信号分析方面的功能完善，优点突出。所以在信号分析方面主要是利用LabVIEW 中丰富的信号分析函数库来实现的，信号分析主要包括对采集到计算机的信号数据进行时域分析和频域分析。其中，时域分析主要包括对信号进行脉冲测量、幅值与电平测量、瞬态特性测量等；而频域分析主要包括对信号进行FFT功率谱、FFT功率谱密度、FFT频谱分析等。

图1-1 数据采集系统图
1.1.1 LabVIEW的应用领域
随着LabVIEW技术的快速发展以及其软件版本快速的更新换代，使得LabVIEW的功能不断加强和完善。目前LabVIEW的应用领域，主要在以下几个方面：
（1）测量检测领域：其实LabVIEW的设计者一开始就重视到，测量检测功能是LabVIEW必不可少的一种重要功能。而且最初考虑到的就是测量检测的需求，因而测量检测成为现在LabVIEW最广泛的应用领域之一[10]。经过长期的发展，LabVIEW在测控测量领域获得了广泛的认同。至今为止，大部分市场上主流的测量仪器、一些数据采集设备都拥有NI公司提供的专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常方便、快捷地去控制这些硬件设备。与此同时，LabVIEW用户也可以十分轻松方便地找到各种适用于测量检测领域的LabVIEW工具包。在这些工具包中，几乎拥有用户所需的所有功能。如果用户在这些工具包的基础上，再开发自己的应用程序就会发现比自己从头开始编程容易得多了。有时候用户甚至可以自己简单地调用几个工具包中的函数，就可以很快地组成一个完整的测量检测的应用程序[11]。
（2）工业领域：很显然工业领域与测量检测是两个相关度非常高的领域，从测量检测领域起家的LabVIEW毫无疑问地首先将其功能拓展至工业领域。由于在工业领域中，有大量的设备需要可靠的、稳定的软件去实现各种过程控制[12]。在工业控制中选用LabVIEW是个明智的选择。主要原因是该软件拥有专门用于工业领域的模块，通常被称之为LabVIEWDSC，很明显这模块就是专门为工业控制而量身打造的[13]。除此之外，在工业控制领域中大都常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序[14]。可见使用LabVIEW可以非常方便的编制各种工业上的控制程序。
（3）测试仿真领域：LabVIEW软件之所以能和其他相关软件并驾齐驱的一个很重要的原因是，因为其拥有强大的仿真功能[15]。在LabVIEW中的控件选板上具有丰富的输入控件和显示控件；另外在其函数选板上，具有各种各样的可以用来编制程序的函数[16]。LabVIEW用户只要根据自己应用程序的要求，在前面板上放置好需要使用的数值输入控件和图形显示控件。然后在函数选板上，选择需要使用的函数。比如，数据采集方面的函数或信号分析方面的函数，然后把这些所需的函数放置到程序框图上，按照要求完成编程，最后点击LabVIEW中的运行按钮，就可以看到仿真结果了[17]。使用LabVIEW基本上可以仿真传统示波器的所有功能，所以选用LabVIEW软件做仿真可以满足大都数用户的需求，并且能保证达到预期的目标。
（4）教育领域：由于LabVIEW编程语言具有简单易懂、清楚直观、图形外观漂亮等独特的特点深受教师和学生的喜欢[18]。由于LabVIEW具有其他编程软件无法比拟的特点，所以目前几乎大多数高校都开设了LabVIEW的相关课程；并且还建立了虚拟仪器实验室。由于使用该软件进行系统的开发，所使用的开发周期很短，一般所使用的时间是使用C语言进行开发的五分之一。学生只要掌握了LabVIEW的基础知识，就能很快地编出自己想要的应用程序[19]。
（5）要求开发周期短的领域：众所周知，使用高级语言（C语言、JAVA、C++）进行编程时会花费很长的时间。这主要是因为使用这一类语言进行编程时，不仅语句长而复杂，而且只要编程人员稍不留神，就有可能把程序给编错了。其中使用这类语言进行编程的最严重的问题是调试麻烦。但是，如果用户选择LabVIEW进行编程就不存在上述问题，因为LabVIEW是一种图形化的编程语言，所以与高级语言相比LabVIEW具有形象直观、简单易懂、设计周期短等特点[20]。据说熟练的LabVIEW程序员对一个系统的开发所需的时间，大概只是熟练的C程序员所需时间的1/5左右。所以，如果项目开发时间紧张，应该优先考虑使用LabVIEW，以缩短开发时间[21]。
（6）跨平台的测试领域：如果LabVIEW用户需要同一个程序能在多个硬件设备之上运行，那么可以优先考虑使用LabVIEW软件。LabVIEW具有其他相关软件无法比拟的平台一致性特点。所以LabVIEW的代码可以不做任何修改就可以在常见的三大台式机操作系统上运行：它们分别是家喻户晓的Windows操作系统、Mac OS 操作系统及经典的Linux操作系统。除此之外，LabVIEW软件还支持各种实时操作系统和嵌入式的系统，比如常见的PDA、FPGA以及运行VxWorks和PharLap系统的RT设备[22]。

1.2 系统主要特点
基于LabVIEW的电信号分析采集系统主要以LabVIEW软件为核心，通过霍尔电压，霍尔电流传感器等对外界信号进行检测，再通过信号调理电路对传感器输出的信号进行放大、滤波处理以满足数据采集卡对输入信号的要求。本文所介绍的系统主要包含以下特色：
（1） 编程简单
由于LabVIEW是一种图形化的编程语言，所以使用其能方便地实现数据采集和信号分析的程序编制。
（2） 节省了硬件资源
LabVIEW软件具有强大的图形显示功能。通过其各种图形显示控件，能及时显示信号的波形、特征、参数等，这就节省了示波器的使用，这好比虚拟示波器。
（3） 对信号的分析能力强
由于LabVIEW软件具有具有较多的信号分析函数，能完成信号的时域和频域分析。
（4） 具有滤除信号噪声的功能
系统采用低通滤波器对传感器输出的信号进行滤波处理，这样就有效地抑制了信号中的噪声。
（5） 数据采集能力强
由于本系统所使用的数据采集卡具有多个模拟量输入通道，通过LabVIEW软件控制数据采集卡内部的多路开关做扫描切换可以方便地实现多通道的数据采集。但前提条件是在计算机中乙安装好数据采集卡的驱动软件NI-DAQmx，这样再借助LabVIEW中的NI-DAQmx函数能方便地完成整个数据采集的过程。
1.2.1使用LabVIEW进行信号分析的特点
目前大多信号分析任务都由LabVIEW来完成，因为使用LabVIEW能快速完成对各类信号的分析，这主要是因为LabVIEW 中具有丰富的信号分析函数库，能方便地完成对各类信号的时域、频域的分析。在使用该软件进行信号分析时，省去了大量的数学计算，并且能通过形象的图形显示控件来显示分析的结果[23]。LabVIEW提供了许多信号分析VI，为了方便使用，在函数选板下的Express中的信号分析子选板上集中了信号分析方面的ExpressVI，如图1-2所示。

图1-2 信号分析VI图
这些信号分析函数所能实现的功能分别是：频谱测量是用于进行基于FFT的频谱测量（例如，信号的平均幅度频谱、功率谱、相位谱）。失真测量的作用是在信号上进行失真测量（例如，音频分析、总谐波失真(THD)、信号与噪声失真比(SINAD)）。单频测量是指查找具有最高幅值的单频，或在指定范围内查找具有最高幅值的单频。也可查找单频的频率和相位。双通道谱测量是依据当前和先前的输入信号，测量输入信号的频率响应和相干。幅值和电平测量主要是用于测量信号的电压。信号的时间与瞬态特性测量主要是测量信号（通常是脉冲）的时间与瞬态特性（例如，频率、周期或占空比）。曲线拟合是依据所选模型类型，计算最能代表输入数据的模型系数。滤波器的作用是通过滤波器和窗对信号进行处理。统计的功能是回到波形中第一个通道信号的平均值、均方根、方差等选中参数。卷积和相关是在输入信号上进行卷积、反卷积、相关等操作。仿真信号用于产生正弦波、方波、锯齿波、和噪声等仿真信号。创建直方图是指创建信号的直方图。

上述那些信号分析函数都是由基本函数构成的，而在函数选板的信号处理下有更多实用的基本的信号分析函数，如图1-3所示。

图1-3 信号分析函数选板图
由于在系统设计中主要用到的是波形测量中的函数来完成对采集后的电信号进行时域和频域的测量分析，所以将详细介诏一下波形测量中的各信号分析函数。主要有这样一些分析函数如图1-4所示。

图1-4 波形测量分析函数选板图
1.2.2 波形测量函数中各时域与频域测量分析函数的功能
基本平均直流-均方根：主要作用是计算输入波形或波形数组的直流分量（DC）和均方根值（RMS）。其各输入输出端如图1-5所示，

图1-5 基本平均直流-均方根函数图
平均直流-均方根：能按照设定的平均类型和时间长度计算波形的DC和RMS，可输出DC和RMS数值的波形，但该VI对单个直流和均方根测量的控制更为精确。其各输入输出端如图1-6所示，

图1-6 平均直流-均方根函数图
周期平均值和均方根：能计算信号的周期平均值和均方根。其各输入输出端如图1-7所示，

图1-7 周期平均值和均方根函数图
瞬态特性测量：其功能是接收单个波形或一个波形数组的输入信号，测量每个波形中选定正跃迁或负跃迁的瞬态持续期（上升/下降时间）、边沿斜率以及下冲和过冲。

其各输入输出端如图1-8所示，

图1-8 瞬态特性测量函数图
脉冲测量：主要实现的功能是接收周期性波形或周期性波形数组，返回选定脉冲和周期的周期、脉冲持续期（脉冲宽度）、占空比（占空因数）和脉冲中心。其各输入输出端如图1-9所示，

图1-9 脉冲测量函数图
幅值和电平：其功能是返回波形或波形数组的幅值、最高电平和最低电平。其各输入输出端如图1-10所示，

图1-10 幅值和电平测量函数图

提取单频信息：这个测量分析函数的功能是在指定频段内，提取幅值最大的成分频率信号，可输出抽取出的信号的波形、频率、幅值及相位等。其各输入输出端如图1-11所示，

图1-11 提取单频信息测量函数图
提取混合单频信息：主要是用于返回幅值超过指定阈值的信号单频的频率、幅值和相位。其各输入输出端如图1-12所示，

图1-12 提取混合单频信息测量函数图
谐波失真分析：输入信号，进行完全谐波分析（包括测量基频和谐波），返回基频、所有谐波的幅值电平，以及总谐波失真(THD)。其各输入输出端如图1-13所示，

图1-13谐波失真分析测量函数图
FFT功率谱和PSD测量：其作用是计算时间信号的平均自功率谱。其中包括计算信号的功率谱和功率谱密度。其各输入输出端如图1-14所示，

图1-14 FFT功率谱和PSD测量函数图

FFT频谱（幅度-相位），主要用于计算时间信号的平均FFT频谱。其各输入输出端如图1-15所示，

图1-15 FFT频谱测量函数图
频率响应函数（幅度-相位），主要是计算系统的频率响应，其输入为系统的激励和响应的时域信号，输出是系统的幅频特性和相频特性。其各输入输出端如图1-16所示，

图1-16 频率响应函数测量图

交叉谱（幅度-相位）主要是用于计算输入信号的平均单边互功率谱。其各输入输出端如图1-17所示，

图1-17 交叉谱函数测量图
综合上述可得出如下结论：虚拟仪器与传统仪器相比有着突出的优点，首先，由于采用LabVIEW软件完成信号的采集、分析与显示，所以，节约了大量的硬件资源。其次，借助LabVIEW软件中丰富的信号分析函数，能方便地完成对信号的时域与频域分析。最后，由于软件与硬件的结合，大大提高了系统的可靠性和稳定性。
2 系统的设计及原理
2.1 系统实现的主要功能
1) 传感检测：由霍尔电压、霍尔电流传感器完成对外界信号的检测或输出一个电压或电流信号；
2) 信号调理：由LM324运算放大器、RC低通滤波器完成对传感器输出的微弱信号进行放大并滤除信号中无用的频率成份；此外
3) 采集信号：由数据采集卡NI PCI-6023E把调理后的信号采集到计算机中；
4) 信号分析：利用LabVIEW中各类信号分析函数对采集后的信号进行时域和频域的分析；
5) 友好的人机界面：输入及显示功能由计算机中LabVIEW的输入控件和数据显示控件来完成，分别完成系统的数据输入和数据输出显示，界面好比示波器；
2.1.1 系统实现各功能的步骤
首先选择好硬件，硬件选择的好坏对系统的工作性能是有很大影响的。其中就包括传感器的选择、信号调理电路的选择、数据采集卡的选择。其次就是使用LabVIEW软件进行程序的编写，主要是采集程序、信号分析程序的编写，这要经过深思熟虑才能编出较好的，满足系统工作要求的程序。最后，就是在LabVIEW中的前面板上，对使用到的各类输入控件和各类显示控件进行整理、排版，使界面美化。
2.2 系统的结构及其工作原理
系统主要是通过LabVIEW软件将计算机资源和仪器硬件充分地结合起来，通过友好的图形界面来操作计算机，这样来完成对电流、电压信号的采集、显示和分析。
2.2.1 系统结构
基于LabVIEW的电信号分析采集系统结构如图2-1所示，详情如下：
传感器

信号调理

数据采集卡

L
a
b
V
I
E
W
计
算
机
信
号
分
析
与
显
示

图2-1 系统结构框图
由上图可见，系统在结构上体现了一个采集分析系统需具备的基本特点：传感器用于检测现场物理信号，并且将其转换为电信号；信号调理电路完成对传感器输出的小信号进行放大、滤波处理，以满足数据采集设备对输入信号的要求；数据采集卡需要通过LabVIEW软件中安装的数据采集卡驱动软件，驱动数据采集卡将信号调理电路输出的信号采集到计算机中，最后通过LabVIEW软件完成对信号的分析与显示。

2.2.2 系统工作原理
首先由霍尔电压、霍尔电流传感器检测外界信号并分别转换为电压、电流信号，信号调理电路完成对传感器输出的信号进行放大、滤波处理以满足数据采集卡的要求，数据采集卡被LabVIEW中的数据采集卡驱动程序NI-DAQmx驱动后，将信号调理电路输出的信号转换为数字信号，并将此信号采集到计算机中。由于本次使用的数据采集卡支持多路的同步采集，所以此时若在驱动程序NI-DAQmx中，对其配置进行更改，比如，添加通道这样就可以实现双通道采集。信号采集到计算机后，由LabVIEW软件完成信号的显示和分析。不过，采集和分析前，要事先在LabVIEW中完成采集程序和信号分析程序的编写及前面板的布置。
其中采集程序的编写主要以LabVIEW软件中的NI-DAQmx函数为基础来搭建用于实现两路电信号实时采集的程序，此外为了能清楚地观察采集的信号，还添加了实时显示采集波形的程序。具体波形可通过LabVIEW软件中的图形显示控件波形图来显示，这就是虚拟仪器的优点之一，能像示波器一样显示想要的各种波形。除了上述工作功能之外，系统还能对采集到的信号进行保存，这是通过LabVIEW中的写入电子表格文件来实现保存信号采集的结果的功能。保存采集结果后，还能通过LabVIEW中的读取电子表格文件来实现读取采集结果，并且在读取采集结果的同时还能对采集到的信号进行UI能量分析，这主要是通过LabVIEW中的另一种图形显示控件XY图来实现的。另外，在信号分析程序方面，主要能实现的工作功能包括对电流、电压信号进行时域和频域方面上的一些分析。其中时域部分程序主要是用于完成对信号的概率密度、平均-直流均方根、EN比率、周期平均值和均方根的测量分析以及脉冲测量和瞬态特性测量。而在频域分析方面，我设计的程序主要能完成对电压、电流信号进行FFT变换，将其从时域转换到频域，这样就能清楚地观察其频率的变化幅度。另外，通过LabVIEW中的FFT功率谱密度分析函数，能计算出电流、电压信号各自的功率谱密度，并且通过FFT频谱函数还能对信号进行FFT谱分析，即分析其幅频特性和相频特性。最后还对电流、电压信号进行了自相关和互相关的分析。

3系统硬件设计
3.1 传感检测模块
传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。本系统采用的是南京茶花电气公司的VSM025A霍尔电压、CSM025A霍尔电流传感器。这两种传感器都是利用霍尔效应而工作的。霍尔效应在当今科学技术的许多领域都有着广泛的应用，如测量技术、电子技术、自动化技术等。1897 年，美国物理学家霍尔（E.H.Hall）经过大量实验发现;如果让一恒定电流通过过一金属薄片，并将金属薄片置于强磁场中，在金属薄片的两端将产生与磁场强度成正比的电动势。
霍尔效应：在半导体薄片两端通一控制电流I,并在薄片的垂直方向视角磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向，将产生电势差为UH的霍尔电压。这种现象叫做霍尔效应。（如图3-1所示）

图3-1 霍尔效应原理图
3.1.1 CSM025A霍尔电流传感器
系统采用的是磁平衡式(闭环)电流传感器(CSM系列)，其工作原理如图3-2所示：

图3-2 CSM025A霍尔电流传感器工作原理图

磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。
3.1.2 CSM025A霍尔电流传感器特点
磁平衡式(闭环)电流传感器(CSM系列)，其主要特点如表3-1所示：
应用霍尔效应原理能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形。

表3-1 CSM025A霍尔电流传感器特点

3.1.3 VSM025A霍尔电压传感器
系统采用的是磁平衡式(闭环)电压传感器(VSM系列)，其工作原理如图3-3所示：

图3-3 VSM025A霍尔电压传感器工作原理图
霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似，也是以磁平衡方式工作的。原边电压VP通过限流电阻Ri产生电流，流过原边线圈产生磁场，聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件输出信号控制的补偿电流IS流过副边线圈产生的磁场进行补偿，其补偿电流IS精确的反映原边电压VP。
3.1.4 VSM025A霍尔电压传感器特点
磁平衡式(闭环)电压传感器(VSM系列)，其主要特点如表3-2所示：
应用霍尔效应原理能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电压。
表3-2 VSM025A霍尔电压传感器特点

3.2 信号调理模块
从传感器输出的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，基于本系统的设计要求，主要采用放大、滤波作为系统的信号调理。系统选用同相输入的运算放大器对传感器输出的微弱信号进行放大，并选用一阶低通滤波器对放大后的信号进行滤波处理，这样能有效地消除信号中那些无用的频率成分。运放采用LM324，滤波器采用RC低通滤波器。
3.2.1 同相输入的运算放大器
同相输入放大电路如图3-4所示，信号电压通过电阻RS加到运放的同相输入端，输出电压vo通过电阻R1和Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。

图3-4 同相输入的运算放大器原理图
根据虚短、虚断的概念有vN= vP= vS，i1= iF；于是求得
（3-1）
3.2.2 同相输入的运算放大器的主要特点
（1）输入阻抗高，输出阻抗低。
（2）由于vN= vP= vS，电路不存在虚地，且运放存在共模输入信号，因此要求运放有较高的共模抑制比。
（3）放大倍数不小于1。
（4）输出信号与输入信号同相。
3.2.3 LM324运算放大器
LM324内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式。

其引脚图如图3-5所示：

图3-5 LM324运算放大器引脚图
3.2.4 LM324运算放大器的主要特点
（1）内部频率补偿 ；
（2）直流电压增益高(约100dB)；
（3）单位增益频带宽(约1MHz)；
（4）电源电压范围宽：单电源(3—32V)；
双电源(±1.5—±16V)；
（5）低功耗电流，适合于电池供电；
（6）低输入偏流 ；
（7）低输入失调电压和失调电流；
（8）共模输入电压范围宽，包括接地；
（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；
（10）输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)；
3.2.5 RC低通滤波器
R
在测试系统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件易得，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。其电路图如图3-6所示：
C
ui
uo

图3-6 RC低通滤波器电路图
3.2.6 RC低通滤波器的幅频、相频特性
幅频特性和相频特性分别表示了幅值与频率，相位与频率之间的关系。如图3-7所示：

图3-7 RC低通滤波器的幅频、相频特性图

另外其幅频、相频特性计算公式为：
（3-2）
3.3 数据采集模块
系统选用美国NI PCI-6023E 数据采集卡。National instruments PCI-6023E是使用E系列技术的低价位数据采集板卡，可在大多数应用中实现可靠的高性能数据传输。您可获得高达200 kS/s的采样率和12位分辨率的16路单端模拟输入。 根据硬盘类型，NI PCI-6023E读写硬盘的速度可高达200 kS/s。NI硬件可支持多种操作系统、应用程序开发环境和应用软件。其实物电路图如图3-8所示：

图3-8 数据采集卡实物电路图
3.3.1 NI PCI-6023E数据采集卡主要特点：
（1）16路单端模拟输入
（2）12位精度
（3）200KS/s采样率
（4）200KS/s磁盘写入速度
（5）±0.05到±10V输入范围
（6）最多两路12位模拟输出
（7）最多32条数字I/O线
（8）两路24位计数器/定时器
（9）带校准认证书
（10）支持Windows 2000/NT/Me/9x 和Mac OS的NI-DAQ驱动软件
3.3.2 NI PCI-6023E数据采集卡相关参数：
（1）通道数：就是板卡可以采集几路的信号，分为单端和差分。常用的有单端32路/差分16路、单端16路/差分8路
（2）采样频率：单位时间采集的数据点数，与AD芯片的转换一个点所需时间有关，例如：AD转换一个点需要T = 10uS，则其采样频率f = 1 / T为100K，即每秒钟AD芯片可以转换100K的数据点数。它用赫兹（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等
（3）缓存的区别及它的作用：主要用来存储AD芯片转换后的数据。有缓存可以设置采样频率，没有则不可以。缓存有RAM和FIFO两种:FIFO应用在数据采集卡上，主要用来存储AD芯片转换后的数据。做数据缓冲，存储量不大，速度快,RAM是随机存取内存的简称。一般用于高速采集卡，存储量大，速度较慢。
（4）分辨率