实验四虚拟电压表的设计和虚拟数字万用表的使用.doc

《虚拟仪器技术》
实 验 报 告

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实验四、虚拟电压表的设计和虚拟数字万用表的使用
一、实验原理
1）一般电压表和万用表的工作原理和使用方法。
2）交流电各种电压值表达的概念以及互相转换关系。
3）子VI的创建方法。
二、实验目的
1）掌握虚拟电压表和数字万用表的设计和使用方法
2）进一步掌握LabVIEW的使用，特别是控件属性的操作以及子VI的使用。
三、实验内容及规定
1）运用LabVIEW 设计一简易虚拟电压表。
功能规定：具有普通电压表的基本功能，用户可选择直流测量和交流测量。对于直流电压只需显示电流值大小，对于交流电则需要显示该交流电的峰值、有效值、平均值和直流分量（若存在）。同时可以提供虚拟输入和实际输入两种测量信号，虚拟输入时可以显示信号波形。
其他规定：对虚拟电压表进行初始设立，即每次运营程序时电压表的初始界面一致，具体表现在开关处在关闭状态，波形图窗口清空，其他控件处在使能状态下。实际输入时禁用仿真参数设立控件，仿真输入时测量直流电压值时禁用信号幅度、频率、初始相位、占空比、信号类型等控件。
2）创建自行设计的虚拟电压表子VI。
3）使用NI ELVIS提供的数字万用表（DMM）模块完毕电阻、电流和电压的测量，并就其中的电压测量部分与自行设计的虚拟电压表进行比较和分析。
四、实验环节
1）参考程序流程图如图4.1所示；参考前面板设计如图4.2所示，该前面板除具有实验三函数发生器的参考前面板中所有的输入控件外，还添加了仿真与实际信号的切换按钮，交流/直流测量的切换按钮，开关按键，电源指示灯以及结果显示涉及：直流分量，平均值，有效值和峰峰值（可以根据需求自行添加或删减）；参考程序框图设计如图4.3所示。本次虚拟电压表的设计与实际使用的模拟/数字电压表是存在很大差别的，为便于实验做了大量简化。实验的重要目的是了解LabVIEW中对子函数的调用及使用方法，LabVIEW中有关属性节点、局部变量的使用和有关用户界面设计的一些基本方法，以及运用DAQ解决采集数据的方法（此部分需要结合实验二中相关内容）。程序框图图4.3看似复杂，其实大量的工作是用于完毕空间的属性操作和有关程序初始化设立的问题，真正用于数据解决的模块其实只有三个（具体见实验提醒4）。

图4.2 实验四参考前面板设计

图4.3 部分参考程序框图
2）本次实验的程序框图中使用了LabVIEW中特有的一种顺序结构（Sequence Structure），这重要是缘于LabVIEW采用了多线程并行的运营机制，这是G语言不同于一般文本语言重要特点之一，即程序内的代码是同时运营的。所以对于控件的初始显示可采用平铺式顺序结构（Flat Sequence Structure）或堆栈式顺序结构（Stacked Sequence Structure）的方法，在第一帧中设立各个控件的初始设立。初始化设立是通过控件的属性控制以及常量和局部变量设立完毕的。如图4.3所示，参考程序框图采用了平铺式顺序结构，LabVIEW在执行程序时先从左边的帧开始，依次执行右面帧内的程序（本次只有两个帧，帧内的程序还是同时执行的）。左边帧内完毕程序初始化设立，左边一列是控件的使能控制，0是Enabled（启用），1是Disabled（禁用），2是Disabled and Grayed out（禁用且变灰）。这是通过控件的属性节点完毕的，而右边一列则是对变量数值的初始设立，用局部变量完毕。
3）虚拟输入信号的提供可采用实验三中自行设计的虚拟函数发生器。有关子VI的创建方法已介绍，本次实验重要是使用实验三中创建的子VI，在程序框图中的函数面板中选择VI添加创建的子VI。自行创建的子VI和LabVIEW提供的各种函数模块的使用方法相同。关于子VI属性的设立在主菜单中选择“文献/VI属性”，进入VI属性对话框，根据类别更改VI属性。这里需要注意的是while循环对子VI的影响，建议在创建子VI时去掉原先程序框图中用于使程序连续执行的while循环，或用一布尔真常量控制while循环的结束符（即让此while循环只循环一次）。此外，对于直流信号可以直接运用“初始化数组”模块完毕。
4）有关交流电压波形的参数如表4.1所示，可以根据表4.1中参数的关系再运用信号的波峰值求取其他参数值。事实上，LabVIEW提供用于计算这些参数的模块。对于波峰的求取，可使用波形最大最小值模块（Waveform Min Max.vi），位于“函数面板/编程/波形/模拟波形”下，如图4.4所示。有效值和直流分量可运用位于“函数面板/编程/波形/模拟波形/波形测量”下的基本平均直流-均方根模块（NI_MAPro.lvlib: Basic Averaged DC-RMS.vi）实现，如图4.5所示，缺省情况下均方根即有效值。求取平均值的均值模块位于“函数面板/数学/概率与记录”中，如图4.6所示。
表4.1 几种典型的交流电压波形的参数

其中U是波峰值。

图4.4 波形最大最小值模块

图4.5 基本平均直流-均方根模块

图4.6 均值模块
5）图4.4、图4.5和图4.6所示的三个数据解决模块的输入端均可认为波形数据，求均值模块可自行提取波形数据中的波形数组数据。这里要说明的在使用这些数据解决模块时，对数据自身还是需要做一些其他解决。一方面，求取均值时需要将波形数组数据绝对值化，这是由交流信号的平均值定义决定，假如不取绝对值那平均值都为0，失去了实际意义。另一方面，提供的参考程序框图图4.3中使用了“获得波形成分”模块，获取采集信号的波形数组数据、采样时间和采样起始时间，用于提取采集信号中一个完整周期。要提取出信号的至少一个完整周期的采样值的因素，是由于交流信号的有效值、平均值等都是以具有完整周期数的信号计算的，而实际采样时很难保证采样值为原信号的整周期倍数，假如直接使用采样值计算平均值和有效值将带来较大误差。因而，本次实验中在实际采样信号时要得到原周期信号的完整信息或是对周期信号解决时，采集到的采样值至少要大于一个完整的周期（实际对于正弦波、三角波只要可以测量出波峰与波谷也能计算出原波形）。要得到一个完整周期的采样点数，一方面要明白信号频率F、采样频率F、采样点数N之间的关系：

其中F1是频率为Fs的采样信号采集Ns个采样点数的原信号的结果为一个完整周期的原信号频率，为实际采集到信号的周期数，N为一个完整周期的采样点数。可以看出N1实际就是标准频率f=F/F的倒数，这也就是在LabVIEW的数字系统中都采用标准频率的因素之一。位于“函数面板/Express/信号分析（Signal Analysis）”下的单频测量（Tone Measurements）Express模块可以直接得出采样信号的频率（尚有幅度，相位）。“数组子集（Array Subset）”模块可以根据N从采集的波形数组数据中获取一个周期的采样值。
五、实验结果
1、程序图：

2、前面板

六、总结及心得体会
通过本次实验我们学会了虚拟电压表和数字万用表的设计和使用方法，并且进一步掌握了LabVIEW特别是子VI的设计方法