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智能仪器论文

智能化测控技术课程设计

课设题目：

智能化测控技术

学生姓名：

专业：

班级：

学号：

指导教师：

设计时间：

实验地点：

摘要

虚拟仪器作为新兴的测控仪器，将给用户一个充分发挥自己的才能，想象力的空间，用户可以根据自己的设计要求设计仪器系统，符合我们信号发生的开发要求。

在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器，频率越高，产生波形种类越多的发生其性能越好。

随着科技的发展，虚拟仪器技术已成为测试、工业控制和产品设计的主流技术。

随着虚拟仪器技术的功能和性能已被不断的提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。

随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且是工程师们在测量和控制方面得到强大的功能和灵活性。

编程对工程技术人员来说比较麻烦，LabVIEW软件用图形编程语言，直观简单、易于操作。

用户使用LabVIEW可以随意创建程序，并把它当作子程序调用，以创建更复杂的程序，且调用的层次没有限制LabVIEW这种创建和调用子程序的方法，使创建的程序结构模块化，更易于调试、理解和维护。

同时，LabVIEW能够虚拟很多常规仪器，通过计算机仿真完成不同的功能，这样既可节省设备投人的开支，又提高了效率。

因此，基于LabVIEW实现多功能信号发生器具有重大意义。

本次课程设计的题目是《虚拟仪器测试技术的应用》，内容是智能化测控技术的设计。

通过运用已学的《LabVIEW7使用教程》和《电子技术基础》的基础上，进行智能化测控技术的设计和制作。

我们的设计内容可分为三部分，第一部分是稳压电源的虚拟测控，第二部分是直流电机脉宽调制的虚拟测控，第三部分则是方波发生器的虚拟测控。

设计的重点则是在学会运用虚拟硬件和软件技术来对模拟电路在虚拟的环境和仪器下，进行智能化的操控。

关键字：

虚拟仪器，智能化，Labview

目录

摘要I

第一章绪论1

1．1课程设计的背景1

1．2课程设计的意义1

1．3课程设计的内容2

第二章LabVIEW简介3

2．1LabVIEW概述3

2．2LabVIEW的操作模板4

第三章虚拟仪器测量原理7

3．1稳压电源7

3．2直流电机脉宽调制10

3．3方波发生器13

第四章总结16

参考文献17

第一章绪论

1．1课程设计的背景

如今的时代，科学技术的进步主要是计算机技术的进步为代表。

不断革新的计算机技术，从各个层面上影响着、引导着各行各业的技术更新。

基于计算机技术的虚拟仪器系统技术正以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。

虚拟仪器是计算机化的仪器，由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部分组成。

一般而言，虚拟仪器所用的计算机是通用的计算机，虚拟仪器根据其模块化功能硬件的不同，而有多种构成方式。

虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。

它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等。

虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、和工业生产等各种领域。

因此，为了让学生能更好的了解并掌握虚拟仪器的强大功能，通过智能化测控技术的设计，进行智能化测控技术的设计和制作，了解虚拟仪器在当前背景下的强大功能。

1．2课程设计的意义

在科技高速发展的今天，科学技术的进步主要是计算机技术的进步为代表。

不断革新的计算机技术，从各个层面上影响着、引导着各行各业的技术更新。

基于计算机技术的虚拟仪器系统也逐渐被人们所重视。

所谓的虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。

只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。

虚拟仪器是继第一代仪器——模拟式、仪表器二代仪器——分立元件式仪表、第三代仪器——数字式仪器、第四代仪器——智能化仪器之后的新一代仪器。

虚拟仪器是在计算机的显示屏上虚拟了传统仪器面板的计算机化仪器，它尽可能多的将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理的功能，代替为计算机的程序来完成。

这种硬件功能软件化，是虚拟仪器的一大特征。

操作人员在计算机的屏幕上利用指点设备操作虚拟的仪器，就象操作真实的仪器一样，完成对被测量的采集、显示、分析、处理、存储及数据生成。

1．3课程设计的内容

我们的设计内容可分为三部分，第一部分是稳压电源的虚拟测控，第二部分是直流电机脉宽调制的虚拟测控，第三部分则是方波发生器的虚拟测控。

设计的重点则是在学会运用虚拟硬件和软件技术来对模拟电路在虚拟的环境和仪器下，进行智能化的操控。

通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。

虚拟仪器系统按硬件构成方式，可有以下几种组建方案：

1）GPIB仪器通过GPIB接口卡与计算机组成GPIB系统。

2）VXI仪器与计算机组成VXI系统。

3）PXI仪器组成PXI系统。

4）以DAQ和信号调理部分为硬件组成PC-DAQ测试系统。

5）并行总线仪器组成并行总线系统。

6）串行总线仪器组成串行总线系统。

7）现场总线设备组成现场总线系统。

第二章LabVIEW简介

2．1LabVIEW概述

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：

其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。

可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。

用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

未来拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。

未来的仪器也应当是网络化的。

LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。

它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。

这是一个功能强大且灵活的软件。

利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的程序语言，又称为“G”语言。

使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。

它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。

它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能。

现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统，不断完善中。

2．2LabVIEW的操作模板

LabVIEW具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。

这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。

操纵模板共有三类，为工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和功能（Functions）模板。

2．2．1工具模板

工具模板为编程者提供各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。

可在Windows菜单下选ShowToolsPalette以显示模板。

从模板内选择任一工具后鼠标箭头就会变成该工具相应形状。

当从Windows菜单下选择ShowHelpWindow，把选定的任一工具光标放在框图程序的子程序或图标上，就会显示帮助信息。

图2.1LabVIEW的工具模板

如图2.1所示是LabVIEW的几种工具图标，从左往右且从上往下，依照顺序依次介绍这几种常用工具的功能：

1）操作工具：

来操作前面板控制和显示。

用它键入值时工具变标签形状。

2）选择工具：

选择、移动或改变对象大小。

用改变对象连框会变相应形状。

3）标签工具：

输入标签文本或建自由标签。

当建自由标签时会变相应形状。

4）连线工具：

在框图程序上连接对象。

当帮助窗口打开会显示其数据类型。

5）对象弹出菜单工具：

用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜单。

6）漫游工具：

使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。

7）断点工具：

使用该工具在VI的框图对象上设置断点。

8）探针工具：

在框图程序内数据流线上设置探针。

通过窗口看数据流变化。

9）颜色提取工具：

使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。

10）颜色工具：

用来给对象定义颜色。

它也显示出对象的前景色和背景色。

2．2．2控制模板

控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显示。

每个图标代表一个子模板。

如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的ShowControlsPalette功能打开它，也可以在前面板的空白处点击鼠标右键。

但只在前面板时才能调用它。

图2.2LabVIEW的控制模板

控制模板如图所示，从左往右且从上往下，依次介绍它所包含的几个子模板：

1）数值子模板：

包含数值的控制和显示。

2）布尔值子模块：

逻辑数值的控制和显示。

3）字符串子模板：

字符串和表格的控制和显示。

4）列表和环（Ring）子模板：

菜单环和列表栏的控制和显示。

5）数组和群子模板：

复合型数据类型的控制和显示。

6）图形子模板：

显示数据结果的趋势图和曲线图。

7）路径和参考名（Refnum）子模板：

文件路径和各种标识的控制和显示。

8）控件容器库子模板：

用于操作OLE、ActiveX等功能。

9）对话框子模板：

用于输入对话框的显示控制。

10）用户自定义的控制和显示。

2．2．3功能模板

功能模板是创建框图程序的工具。

该模块每一顶层图标都表示一个子模板。

可以用Windows菜单下的ShowFunctionsPalette功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键。

只有打开了框图程序窗口，才能出现功能模板。

图2.3LabVIEW的功能模板

功能模板如图所示，从左往右且从上往下，依次介绍它所包含的几个子模板：

1）文件输入/输出子模板：

包括处理文件输入/输出的程序和函数。

2）信号处理子模板：

包括信号发生、时域及频域分析功能模块。

3）字符串运算子模板：

串操作函数、数值与字符串间转换函数、字符常数。

4）比较子模板：

包括各种比较运算函数，如大于、小于、等于。

5）仪器控制子模板：

GPIB、串行、VXI控制程序和函数、VISA功能函数。

6）数据采集子模板：

数据采集硬件驱动程序、信号调理所需各种功能模块。

7）用户自定义的子VI模板。

8）“选择…VI子程序”子模板：

可选择任一VI作子程序插入当前程序中。

第三章虚拟仪器测量原理

3．1稳压电源

3．1．1稳压电源的参数指标

我们常用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。

一般分为两种：

一种是特性指标包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。

这些质量指标的含义，可简述如下：

由于输出直流电压Vo随输入直流电压Vi（即整流滤波电路的输出电压）、输出电流Io和环境温度T（℃）的变动而变动，即输出电压Vo=f（Vi，Io，T），

因此，可得如下公式：

（公式3-1）

Kv是输入调整因数，反映了输入电压波动对输出电压的影响，实际中常用输入电压变化时引起输出电压的相对变化表示，称为电压调整率，即

（公式3-2）

有时也以输出电压和输入电压相对变化之比来表征稳压性能，称为稳压系数，即

（公式3-3）

输出电阻R是反映负载电流I变化对V的影响，即

（公式3-4）

表示温度变化对输出电压的影响，其表达式为

（公式3-5）

3．1．2稳压电源的工作原理

本次课程设计所设计的稳压电源是串联反馈式的稳压电源，它的实际电路设计结构图如图3.1所示，图中Vi=12V是整流滤波电路的输出电压，Q为调整管，LM358P运放是稳压电源的核心芯片，其组成的电路为比较放大电路，Vref为基准电压，它由一个5.1V的稳压管与一个5.1K的电阻串联所构成的简单稳压电路获得，R1和R2组成反馈网络，用来反映输出的电压。

图3.1串联反馈式稳压电路的结构图

串联型稳压电源由基准电压、比较放大环节、调整环节、取样环节组成。

其中调整环节就是一个射极输出器。

取样环节是将输出电压量取出，加到误差比较放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压相比较。

这种稳压电路的主回路是起调整作用的Q与负载串联，故称为串联式稳压电路。

输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A）放大后去控制调整管Q的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压Vo的目的。

稳压原理可简述如下：

当输入电压Vi增加（或负载电流Io减小）时，导致输出电压Vo增加，随之反馈电压Vf=R2Vo/（R1+R2）=FvVo也增加（Fv为反馈系数）。

Vf与基准电压Vref相比较，其差值电压经比较放大电路放大后使Vb和Ic减小，调整管Q的c-e极间电压Vce增大，使Vo下降，从而维持Vo基本恒定。

同理，当输入电压Vi减小（或负载电流Io增加）时，亦将使输出电压基本保持不变。

在深度负反馈条件下，

时，可得

（公式3-6）

上式表明，输出电压Vo与基准电压Vref近似成正比，与反馈系数Fv成反比。

当Vref及Fv已定时，Vo也就确定，因此它是设计稳压电路的基本关系式。

3．1．3稳压电源的虚拟测控

通过上一小节的简述，使得我们了解了串联反馈式稳压电源的基本原理，通过对基本原理的认识，使得我们可以运用虚拟仪器的测试技术来设计和实际操作稳压电源的虚拟式的测控，实现对其智能化的操控技术。

本次课程设计，主要的操作平台和设备是NIELVIS。

它是一个基于LabVIEW的虚拟仪器组成，它是一套多功能数据采集设备与一个用户自定义的工作台，工作台上还有一块原型实验面包板。

这一整套设备即可为实验室提供诸多常用仪器的功能，包括示波器、函数发生器、数字万用表、可编程控制的电源以及波特分析器、动态信号分析仪与任意波形发生器。

稳压电源的虚拟测控操作具体步骤如下：

1）根据电路的结构图，在面包板上搭接电路。

2）将面包板SUPPLY+口和地口分别与NIELVIS前面板的数字万用表测电压口的正极和地极相接并打开前面板SUPPY+电源，旋转电压调节旋钮，然后打开NIELVIS软件，点DigitalMultimeter观测电压值，直到值为12V，停止旋转。

3）将芯片的8脚和电路中的输入电压源接在面包板的SUPPLY+口，再将芯片4脚和RL的一端接地。

4）将要测量的5.1K电阻的一端延伸出一条导线接入数字万用表的测量电压口的正极，另一端与数字万用表的地端相接。

5）一切接线完毕后，打开前面板电源，同时打开NIELVIS软件，点DigitalMultimeter观测5.1K电阻两端的电压值。

其电压值大约为6.1V左右。

图3.2稳压电源的虚拟测控电压值

3．2直流电机脉宽调制

3．2．1直流电机脉宽调制的参数指标

如图3.3所示，由U1和U2组成的是一个方波—三角波（锯齿波）电压产生器电路。

图中两个反相相接的稳压管与R2的交点输出电压记为Vo1，U1的同相端电压为Vp1，反相端电压为Vn1，U2的1脚输出的电压记为Vo2。

因此有：

Vp1=Vo2-[（Vo2-Vo1）/（R4+R6）]R6（公式3-7）

考虑到电路翻转时，有Vn1=Vp1=0，即得

Vo2=Vth=-（R6/R4）Vo1（公式3-8）

由于Vo1=±6V，由上个公式可分别求出上、下门限电压和门限宽度为

Vt+=（R6/R4）6V

Vt-=-（R6/R4）6V

△Vt=Vt+-Vt-=（R6/R4）12V（公式3-9）

比较器输出Vo1又由+6V下跳到-6V。

如此周而复始，产生振荡。

由于电容C的正向和反向充电时间常数相等，使得输出波形Vo2为三角波电压，Vo1为矩形波（方波）电压，该电路的振荡周期为

T=4*R6*R3*C/R4（公式3-10）

分析完了由U1和U2组成的方波—三角波（锯齿波）电压产生器电路的主要参数指标后，我们再来分析由U3组成的比较器的参数指标。

U3的同相端电压为Vp，反相端电压为Vn，U2的1脚输出供给U3反相端的一个分支电压记作Vo2,而另一个分支电压则是由外部提供的基准电压记作Vc，由U3的1脚输出电压经过一个1.5K电阻后的输出电压记作Vo。

因此有：

Vn=[R7*Vc/（R7+R9）]+[Vo2*R9/（R7+R9）]（公式3-11）

当Vn=Vp=0时，比较器输出电压Vo处于临界翻转状态，由此可得出

Vth=Vo2=-R7*Vc/R9（公式3-12）

3．2．2直流电机脉宽调制的工作原理

在模拟电子技术中PWM信号的产生是通过模拟比较器，比较器的一端按给定的参考电压，另一端按周期性线性增加的锯齿波电压。

当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。

改变参考电压就可以改变PWM波形中高电平的宽度。

从而可以改变1个PWM周期中高低电平的比值，即占空比。

由于驱动直流电机转动的是PWM电流的平均值，PWM输出信号占空比变化，从而也改变直流电机转速。

实现了对直流电机系统脉宽调制电路的调速。

图3.3直流电机调速系统脉宽调制电路

本次课程设计的直流电机调速系统脉宽调制电路，主要原理是由U1组成的同相输入迟滞比较器电路产生的电压经过一个1K的电阻后为Vo1，受两个反相的稳压管影响，Vo1从-6V跳变到+6V，从而形成一个方波输出。

方波再通过由U2组成的电容型积分器电路后，由U2芯片的1脚输出一个三角波（或锯齿波）。

由此，我们可以发现，由U1和U2组成的电路是一个方波—三角波（锯齿波）产生电路。

而由U3组成的是一个模拟比较器，它的一端给的是一个可调节的参考电压Vc，另一端则是由U1和U2组成的电路产生的三角波（或锯齿波）电压。

两者通过U3进行比较，再利用IN4148型号的二极管的导通和关断作为开关，把直流电压变成电压脉冲列。

当三角波（或锯齿波）电压小于参考电压时输出低电平，当三角波（或锯齿波）电压大于参考电压时输出高电平。

由于参考电压是可调节的，通过改变它就可以改变PWM波形中高电平的宽度。

从而改变PWM输出信号的占空比，实现了调速控制。

还可通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种变换电路。

3．2．3直流电机脉宽调制的虚拟测控

直流电机脉宽调制的虚拟测控操作具体步骤如下：

1）根据电路的结构图，在面包板上搭接电路。

图3.4直流电机调速系统脉宽调制电路的工作台接线图

2）将面包板SUPPLY+口和地口分别与NIELVIS前面板的数字万用表测电压口的正极和地极相接并打开前面板SUPPY+电源，旋转电压调节旋钮，然后打开NIELVIS软件，点DigitalMultimeter观测电压值，直到值为12V，停止旋转。

同理，调节面包板SUPPLY-口，使它电压值为-12V。

3）将所有芯片的8脚接入面包板的SUPPLY+口，4脚则接入SUPPLY-口。

在运放U3的反相端的一个分支电路上，接入一个由外部供给的可调节的基准电压。

4）测量从U3的1脚输出电压经一个1.5K电阻后的输出电压（二极管电压）。

在1.5K电阻的另一端延伸出一导线接入前面板上的示波器CHA口，便可测得。

图3.5虚拟仪器测控的实验设备和环境

5）一切接线完毕后，打开前面板电源，同时打开NIELVIS软件，双击示波器（Oscilloscope）功能，通过虚拟仪器观测直流电机脉宽调制电路的输出结果。

6）由于Vc是可调节的基准电压，通过对Vc大小调节，在虚拟仪器上观测输出结果的变化，从而发现Vc变化可改变输出信号占空比，实现对系统的调速。

图3.6直流电机调速系统脉宽调制电路的虚拟测控输出波形

3．3方波发生器

3．3．1方波发生器的参数指标

本次课程设计所做的方波发生器电路是由迟滞比较器和一个RC充放电回路组成的，双向稳压管用于限定输出幅度，以此产生周期性方波。

假设U1的同相端电压为Vp，反相端电压为Vn。

U1的输入口电容端电压为Vc。

稳压管电压±Vz=±6V，输出的方波电压为Vo。

因此有：

Vo=Vz=±6V（公式3-13）

由于Vref=0，且虚短、虚断时Vc=Vn=Vp=R2*Vz/（R1+R2），故可求得：

Vt+=R2*Vz/（R1+R2）

Vt-=-R2*Vz/（R1+R2）

Vth=Vc=±R2*Vz/（R1+R2）（公式3-14）

图3.7输出电压与电容器端电压波形图

图3.7画出了在t=t1～t3时的一个方波的典型周期内输出端及电容C上的电压波形。

当t=t1时，Vc=-R2*Vz/（R1+R2），则在T/2的时间内电容C上的电压Vc将以指数规律由-R2*Vz/（R1+R2）向+Vz方向变化，根据一阶RC电路的三要素法：

1）时间常数

。

2）在t1时刻Vc的初始值为：

-R2*Vz/（R1+R2）。

3）若t=∞，Vc的终值是+Vz。

其中△t=t1-t2且t1≤t≤t2时，则有：

（公式3-15）

4）当△t=T/2时，Vc=R2*Vz/（R1+R2），将这些条件代入上述Vc公式，得

（公式3-16）

3．3．2方波发生器的工作原理

方波发生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路。

由于矩形波包含极丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡器。

基本电路的组成如图3.8所示，它是在迟滞比较器的基础上，增加了一个由Rf、C组成的积分电路，把输出电压经Rf、C反馈到集成运放的反相端。

在运放的输出端引入限流电阻R和两个稳压管而组成的双向限幅电路。

由图可知，电路的正反馈系数F为：

F=R2/（R1+R2）（公式3-17）

在接通电源的瞬间，图3-8电路的输出电压究偏于正向饱和还是负向饱和，纯属偶然。

设输出电压偏于负饱和值，即Vo=-Vz时，则集成运放同相端的电压为-FVz，而加欲反相端的电压，由于电容器C上的电压Vc不能突变，只能由输出电压Vo通过电阻Rf按指数规律向C充电来建立，充电电流为i+。

显然，当加到反相端的电压Vc略负于-FVz时，输出电压便立即从负饱和值（-Vz）迅速翻转到正饱和值（+Vz），+Vz又通过Rf对C进行反向充电，充电电流为i-。

直到Vc略正于FVz值时，输出状态再翻转回来。

如此循环不已，就形成一系列的方波输出。

图3.8双向限幅的方波产生电路

通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比称为占空比。

对称方波的