第4章 数字化电测仪表

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1、 1 第4章数字化电测仪表 4 1概述4 2频率 周期的数字化测量4 3相位的数字化测量4 4电压的数字化测量4 4电阻 电容的数字化测量4 6电功率的数字化测量4 7微机化仪表 back 2 4 5电阻 电容的数字化测量 2 比率法 1 比例运算法 第4章数字化电测仪表 3 4 6电容的数字化测量 2 脉宽调制法 back 1 容抗法 第4章数字化电测仪表 4 4 6电功率的数字化测量 Uo 0K1接通 UNUo 0K1接通 UN Uo 0K2接通 UyUo 0K2接通 Uy 第4章数字化电测仪表 单相功率测量 积分器输出电压 由此得到被测电压平均值 同时 乘法器输出电压平均值为 5 4 6

2、电功率的数字化测量 第4章数字化电测仪表 让Ux是被测负载端电压 Ix是流经负载的电流 则E0与负载上消耗的功率数值成正比 可实现功率测量 时间分割式乘法器波形图 6 4 7微机化仪表 测量过程和控制的软件化仪器硬件变得简单 体积与功耗均减小 可靠性提高 灵活性增强 自动化程度更高 可实现简单的人机对话 自检 自诊断 自校准 LCD或LED显示和打印输出等 在软件控制方式下 改换仪器功能并不需要更换硬件 仅改变软件即可 这是传统的纯硬件式仪器所不及的 第4章数字化电测仪表 微机化仪表的特点 7 4 7微机化仪表 第4章数字化电测仪表 微机化仪表的特点 8 多功能化增加了仪器的测量功能 是一台纯

3、硬件仪器无法比拟的 灵活的功能切换 量程切换 算法切换 硬件模块置换 显示方式选择 控制功能增选 简单公式 仪器 AD DA CPU 软件 4 7微机化仪表 第4章数字化电测仪表 微机化仪表的特点 9 4 7微机化仪表 第4章数字化电测仪表 微机化仪表的结构 10 仪器仪表技术的发展有两条主线 一条是从模拟仪表 数字化仪表到智能仪表 另一条是从单台仪器 叠架式仪器系统到虚拟仪器 传统的仪器是一个独立的装置 有机箱 操作面板 信号输入输出端 还有开关 旋钮等 检测结果输出的方式有指针式表头 数字式和图形等 可能还有打印输出 虚拟仪器一般由三大功能块组成 信号的采集和控制 信号的分析与处理以及结果

4、的表达与输出 这些功能块全部都是以硬件 或固化的软件 的形式存在 第4章数字化电测仪表 4 7 1虚拟仪器的概述 11 4 7 1虚拟仪器的概述 利用计算机软硬件资源 把仪器的三大功能全部放在计算机上实现 在计算机中插入数据采集卡 用软件在屏幕上生成仪器面板 用软件来进行信号处理分析 实现传统仪器的功能 这就是虚拟仪器 虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器 它由通用的个人计算机 模块化功能硬件和控制软件组成 在虚拟仪器系统中 硬件仅仅是为了解决信号的输入输出 软件才是整个仪表的关键 操作者可以通过修改软件的方法 方便地改变 增减仪器系统的功能与规模 所以有 软件就是仪器 之说 第4章数

5、字化电测仪表 12 4 7 2虚拟仪器的系统构成 常用的虚拟仪器系统是数据采集系统 通用接口总线 GPIB 仪器控制系统 VXI仪器系统以及三者间的任意组合 第4章数字化电测仪表 13 4 7 2虚拟仪器的系统构成 1 数据采集系统 数据采集系统框图 第4章数字化电测仪表 14 4 7 2虚拟仪器的系统构成 2 GPIB仪器控制系统 通用接口总线GPIB GeneralPurposeInterfaceBus 为PC机与可编程仪器之间的连接系统 定义了电气 机械 功能和软件特性 是虚拟仪器发展的第一阶段 一个典型的GPIB测量系统由一台PC机 一块GPIB接口板卡和若干台GPIB仪器通过标准的G

6、PIB电缆连接而成 GPIB把可编程仪器与计算机紧密地联系起来 从此电子测量由独立的 手工操作的单台仪器向组成大规模自动测试系统的方向迈进 第4章数字化电测仪表 15 4 7 2虚拟仪器的系统构成 GPIB优点 可以用计算机实现对仪器的操作和控制 替代传统的人工操作方式 实现自动测试 排除人为因素造成的测试误差 提高了可靠性和效率 可以方便地将多台仪器组合起来 形成较大的自动测试系统 高效 灵活地完成各种不同规模的测试任务 还可以很方便地扩展传统仪器的功能 因为仪器同计算机连在一起 仪器测量的结果送到计算机里 在计算机这边增加不同的分析处理算法 就相当于增加了仪器的功能 第4章数字化电测仪表

7、16 4 7 2虚拟仪器的系统构成 3 VXI仪器控制系统 VXI VMEExtensionforInstrumentation 总线是一种高速计算机总线 VME VersaModuleEurocard 总线在仪器领域的扩展 VXIbus规范是一个开放的体系结构标准 其主要目标是使VXIbus器件之间 VXIbus器件与其它标准的器件 计算机 之间能够以明确的方式开放地通信 使系统体积更小 通过使用高带宽的吞吐量 为开发者提供高性能的测试设备 采用通用的接口来实现相似的仪器功能 使系统集成软件成本进一步降低 第4章数字化电测仪表 17 4 7 3虚拟仪器的软件结构 测试管理层测试程序层仪器驱动

8、层I O接口层 第4章数字化电测仪表 18 4 7 3虚拟仪器的软件结构 1 测试管理层 1 测试管理层是一个带有易于操作界面 用于管理和执行某一测试任务 与设备无关的测试管理环境 2 为测试系统与操作者交互 被测器件分析 顺序测试 分支 循环等提供一个专门的测试运行程序 以密码保护模式对不同部门的操作者提供多层登录访问 3 测试管理层是一个与设备无关的软件 因而采用开发式的设计结构就会提供更多的性能和灵活性 用户可以自行设计开发基于标准化内核 而且能够满足不同要求的测试管理软件层 有效地缩短了设计周期和节约了开支 维护费用 第4章数字化电测仪表 19 4 7 3虚拟仪器的软件结构 2 测试程

9、序 虚拟仪器功能模块 层 1 由不同的测试系统的组成模块可以发现 针对某一产品而开发的功能测试模块是一个有其特殊性的独特的软件组件 但其大多数的基本元素对所有的测试系统来说都是通用的 2 目前国外出现了带有大量通用 与设备无关的功能模块库的集成化编程环境 虚拟仪器软件开发平台 如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等均具有此项特性 在这些软件中 几乎所有用于测量 控制和通讯模块的程序代码均已编写完成 供用户即调即用 第4章数字化电测仪表 20 4 7 3虚拟仪器的软件结构 3 仪器驱动层仪器驱动层是对仪器硬件进行通讯和控制的软件层 1 过去 这部分都是由用户编写 对每一个仪器硬件编制特殊

10、的驱动代码 开发周期很长 2 今天 仪器驱动程序都是按模块化 与设备无关的方式向用户释放 供用户迅速将仪器链入自己的测试系统 3 标准化的驱动程序还可以在不同的系统和配置中重复使用 节省了大量的开发费用 第4章数字化电测仪表 21 4 7 3虚拟仪器的软件结构 4 I O接口层I O接口软件是测试系统软件的基础 用于处理计算机与仪器硬件间连接的底层通讯协议 当今优秀的虚拟仪器软件都建立在一个标准化I O接口软件组件的通用内核上 为用户提供一个一致的 跨计算机平台的应用编程接口 API 使用户的测试系统能够自由灵活地选择不同的计算机平台和仪器硬件 第4章数字化电测仪表 22 4 7 4虚拟仪器的

11、软件开发平台 NI公司 LabVIEW和LabWindows CVIHP公司 VEETektronix公司 TekTMS使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序 简称为VI VI包括三个部分 程序前面板 框图程序和图标 连接器 第4章数字化电测仪表 23 4 7 4虚拟仪器的软件开发平台 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量 模拟真实仪表的前面板 在程序前面板上 输入量被称为控制 输出量被称为显示 控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上 温度计的前面板 第4章数字化电测仪表 24 4 7 4虚拟仪器的软件开发平台 虚拟示波器的前面板 第4章数字化电测仪表 25 4 7 4虚拟仪

12、器的软件开发平台 框图程序每一个程序的前面板都对应着一段框图程序 框图程序由端口 节点 图框和连线构成 温度计的框图程序 第4章数字化电测仪表 26 4 7 4虚拟仪器的软件开发平台 图标 连接器图标 连接器是子VI被其它VI调用的接口 图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式 而连接器则表示节点数据的输入 输出口 就像函数的参数 用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应 温度计的图标 连接器 第4章数字化电测仪表 27 作业 1 3 课本P61页题3 6 3 12 3 15 第4章数字化电测仪表 back 4 若测量fx 200Hz信号的周期 用该信号的半周期作为闸门信号 时标信号间隔为1微秒 1 计算由量化误差引起的测量 相对 误差 2 若要求测量误差不超过 0 005 时标信号间隔至少取多少微秒 下页还有 28 作业 第4章数字化电测仪表 back 5 7 课本P93页题4 5 4 7 4 9 a b c a 正弦波 b 正方波 c 正三角波 8 如下图所示的三个电压波形 其峰值皆为10V 若用峰值表测量 且该表以峰值刻度 则读数为多少 若采用以正弦有效值刻度的均值检波电压表测量 则读数为多少