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1、课 程 设 计 任 务 书 学院 专业学生姓名 学号 课程设计题目： 基于LABVIEW的交流参数测量虚拟仪器 课程设计内容与要求：计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。通过本课程设计，使学生了解智能仪器的分类、组成、特点以及智能仪器的发展方向及新技术；掌握虚拟仪器的数据采集技术、人机对话接口技术以及典型数据处理算法。能够熟练运用所学知识进行智能仪器的设计和开发设计开始日期 2011年1月8日 指导教师 教研室主任 （签字）设计完成日期 2012 年1 月 13日 院长（系主任） （签字）年 月 日目录一.labVIE
2、W介绍 二.交流参数测量虚拟仪器的设计 2.1课程的性质、目的与任务及要求2.2 仪器的基本要求2.3 交流参数测量虚拟仪器的前面板2.4 交流参数测量虚拟仪器的程序框图三.子VI的设计3.1双路正弦信号源3.2滤波和谐波失真3.3频率测量 3.3.1 多周期计数法 3.3.2 线性插值法 3.3.3三点法3.4相位测量 3.4.1基于FFT的方法 3.4.2基于自相关的方法3.5功率测量四.设计小结一 课程介绍一、labVIEW介绍LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器集成环境)是一个基于G（Gr
3、aphic）语言的图形编程开发环境，在工业界和学术界中广泛用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言，对于科学研究和工程应用来说是很理想的语言。它含有种类丰富的函数库，科学家和工程师们利用它可以方便灵活地搭建功能强大的测试系统。LabVIEW编程语言最主要的两个特点是图形化编程和数据流驱动： （1）图形化编程LabVIEW与VisualC+、VisualBasic、LabWindows/CVI等编程语言不同，后几种都是基于文本的语言，而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G语言，用框图代替了传统的程序代码，编程的过程即是使用图形符号表达程序行为的过程，源代码不是文本而是框图。一
4、个VI有三个主要部分组成：框图、前面板和图标连接器。框图是程序代码的图形表示。 LabVIEW的框图中使用了丰富的设备和模块图标，与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。多样化的图标和丰富的色彩也给用户带来不一样的体验和乐趣。前面板是VI的交互式用户界面，外观和功能都类似于传统仪器面板，用户的输入数据通过前面板传递给框图，计算和分析结果也在前面板上以数字、图形、表格等各种不同方式显示出来。图标是VI的图形符号，连接器则用来定义输入和输出，每一个VI都有图标和连接器。用户要做的工作就是恰当地设置参数，并连接各个子VI。编程一般步骤就是使用鼠标选取合适的模块
5、、连线和设置参数的过程，与烦琐枯燥的文本编程相比更为简单、生动和直观。 如果将虚拟仪器与传统仪器作一类比，前面板就像是仪器的操作和显示面板，提供各种参数的设置和数据的显示，框图就像是仪器内部的印刷电路板，是仪器的核心部分，对用户来讲是透明的，而图标和连接器可以比作电路板上的电子元器件和集成电路，保证了仪器正常的逻辑和运算功能。（2）数据流驱动宏观上讲，LabVIEW的运行机制已不再是传统上的冯诺伊曼式计算机体系结构的执行方式了。传统计算机语言（如C语言）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替。本质上讲它是一种带有图形控制流结构的数据流模式，程序中的每一个函数节点只有在获得它的全部输
6、入数据后才能够被执行。既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。于是LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序那样受到行顺序执行的约束。我们可以通过相互连接函数节点简洁高效地开发应用程序，还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程。在LabVIEW中单击加亮执行（Highlight Execution）按钮，即可以动画方式演示框图的执行过程，可以观察到数据流流动的方式，数据以有色小圆点表示，在各种不同颜色（代表不同数据类型）的连线上流动。二.基于LA
7、BVIEW的交流参数测量虚拟仪器的设计2.1课程的性质、目的与任务及对先开课程的要求（1）课程的性质基于LABVIEW的交流参数测量虚拟仪器是测控与仪器专业学生在学习智能化测控系统课程的基础上，以LABVIEW为实验平台，培养学生运用所学知识与技术开展综合设计和创新实践的能力，增强学生灵活性和创新意识，进一步使学生了解智能仪器的发展方向及新技术，熟悉虚拟仪器的基本结构及工作原理，掌握虚拟仪器多种类型信号的数据采集方法以及信号分析和处理技术。（2）目的与任务计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。通过本课程设计，使学生了解
8、智能仪器的分类、组成、特点以及智能仪器的发展方向及新技术；掌握虚拟仪器的数据采集技术、人机对话接口技术以及典型数据处理算法。能够熟练运用所学知识进行智能仪器的设计和开发。（3）对先开课程的要求课程设计的先修课程包括电路、模拟（数字）电子技术基础、信号分析与处理等。2.2仪器的基本要求本课程设计要求学生在LABVIEW实验平台上，设计双路正弦信号源，以此作为分析的电压和电流仿真信号，完成各交流参数的测量。具体要求：（1）设计双路正弦信号源，前面板中能够设置信号的频率、幅值和相位，以及噪声幅值，显示信号曲线。（2）设计程序框图，实现交流参数的测量。 包括电压和电流的有效值，相位、功率因数，有功/无
9、功功率、谐波失真（THD）。（3）选择滤波器（低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、IIR滤波器、FIR滤波器等可选），显示滤波后的电压和电流信号；（4）设计子VI，分别采用多周期计数法、线性插值法和三点法三种方法测量电压信号的频率，计算三种方法的频率测量的相对误差。（5）设计子VI，采用FFT方法测量电流信号的频率和相位，计算相位测量的相对误差。（6）要求前面板的界面设计合理美观，程序框图层次清楚。（7）完成课程设计报告，要求说明15环节中具体的实现的方法以及测量结果，包括设计的各个VI的前面板和程序框图。2.3 交流参数测量虚拟仪器的前面板2.4 交流参数测量虚拟仪器的程序框图三 子VI的设
10、计3.1双路正弦信号源3.1.1 双路正弦信号源的介绍3.1.2 双路正弦信号源的前面板3.1.3 双路正弦信号源的程序框图3.2滤波和谐波失真为了决定一个系统引入非线性失真的大小，需要得到系统引入的谐波分量的幅值和基波的幅值的关系。谐波失真是谐波分量的幅值和基波幅值的相对量。假如基波的幅值是A1，而二次谐波的幅值是A2，三次谐波的幅值是A3，四次谐波的幅值是A4。N 次谐波的幅值是AN，总的谐波失真（THD）为：对输入信号进行完整的谐波分析，包括测定基波和谐波，返回基波频率和所有的谐波幅度电平，以及总的谐波失真度（THD）。最高谐波控制用于谐波分析的最高谐波，包括基频。例如，对于三次谐波分析
11、，将最高谐波设为3，以测量基波、二次谐波和三次谐波3.3频率测量 3.3.1 多周期计数法多周期计数法 这是一种测量耗时短而频率分辨率可很高的频率测量法。多周期计数法动用两只计数器（C1、C2）和一只高频时基， 高频时基频率Fb为已知且保持恒定，常用频率为210 MHz。其中C1用作闸门发生器（有 16 bit 字长即可）对待测信号向下计数。C1事先由系统预置一个数 N，由待测信号来启动。而计数器C2 则用于对高频时基Fb计数。一旦启动，两计数器同时计数， C1对未知频率往下计数， 而C2则对频率较高的时基频率信号进行计数。 当C1计数由N达到回零，闸门关闭，两计数器同时停止计数。这时，计数器
12、C1记录了完整的N个未知信号周期，在此期间，计数器 C2 对时基的计数为 Nb。为防止C2溢出产生差错，C2应长达22位或更高。令未知频率为Fx，且时基频率Fb为已知，则有： (3)由（3）式可得未知频率：而此时的频率分辨率可以做到：式中，T 为测量时间宽度。因而压力分辨率：比较（2）式和（6）式，可见多周期计数法的分辨率要好得多，在同样的采样周期条件下，多周期计数法的分辨率较直接计数法高Fb/Fx倍。一般Fb约为 210 MHz左右，而 Fx只有 520 kHz，所以约高400倍。 如闸门时间为0.5 s左右， Fb=2 MHz，则频率分辨率可达 0.005 Hz，压力分辨率可以达到41.4
13、 Pa，即相当于0.5 cm水柱高的压力。常设采集周期数N为1024或2048， 若被测频率约为10 kHz，这时频率分辨率可达 0.002 Hz，而采样时间只有 0.2 s左右。(1) 多周期计数法的前面板(2) 多周期计数法的程序框图 3.3.2 线性插值法线性插值是数学、计算机图形学等领域广泛使用的一种简单插值方法。 假设我们已知坐标(x0,y0)与(x1,y1),要得到x0,x1区间内某一位置x在直线上的值。 根据图中所示，我们得到（y-y0）(x1-x0)=(y1-y0)(x-x0) 假设方程两边的值为，那么这个值就是插值系数从x0到x的距离与从x0到x1距离的比值。由于x值已知，所
14、以可以从公式得到的值 =(x-x0)/(x1-x0) 同样，=(y-y0)/(y1-y0) 这样，在代数上就可以表示成为： y = (1- )y0 + y1 或者， y = y0 + (y1 - y0) 这样通过就可以直接得到 y。实际上，即使x不在x0到x1之间并且也不是介于0到1之间，这个公式也是成立的。在这种情况下，这种方法叫作线性外插参见 外插值。 已知y求x的过程与以上过程相同，只是x与y要进行交换。 双线性插值，又称为双线性内插。在数学上，双线性插值是有两个变量的插值函数的线性插值扩展，其核心思想是在两个方向分别进行一次线性插值。 假如我们想得到未知函数 f 在点 P = (x, y) 的值，假设我们已知函数 f 在 Q11 = (x1, y1)、Q12 = (x1, y2), Q21 = (x2, y1) 以及 Q22 = (x2, y2) 四个点的值。首先在 x
