電子測(cè)量課程設(shè)計(jì)基于LabVIEW和Multisim的溫度測(cè)量系統(tǒng)

1、電子測(cè)量課程設(shè)計(jì) 題目 基于labview和multisim 的溫度測(cè)量系統(tǒng) 系 別 物理與電子信息學(xué)院 班 級(jí) 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 完 成 時(shí) 間 基于labview和multisim的溫度測(cè)量系統(tǒng)摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善，測(cè)控成為許多工業(yè)中不可或缺的技術(shù)，尤其是在要求精度很高的生產(chǎn)系統(tǒng)中更是離不開(kāi)檢測(cè)控制系統(tǒng)。本文就是介紹一種基于labview和 multisim的溫度測(cè)量系統(tǒng)。溫度與人類生活和科學(xué)研究密切相關(guān)，在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)研究中幾乎沒(méi)有不要求溫度檢測(cè)的。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，對(duì)溫度的測(cè)量及控制始終占據(jù)著重要地位。關(guān)鍵詞：虛擬儀器

2、；labview；溫度測(cè)量；multis1labview和 multisim簡(jiǎn)介1.1虛擬儀器與labview所謂虛擬儀器，實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量，控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。labview是laboratory virtual workbench（實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境）簡(jiǎn)稱，是一個(gè)功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。labview能夠?yàn)橛脩籼峁┖?jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式（g語(yǔ)言）

3、，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，十分省時(shí)簡(jiǎn)便，深受用戶青睞。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，labview圖形編程方式能夠節(jié)省85以上的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。1.2 multisim的功能multisim提供了一種易于使用的電路教學(xué)環(huán)境，易于操作，能夠很好的達(dá)到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的目的。multisim讓用戶可以專注于理解電路概念，而不用為學(xué)習(xí)應(yīng)用環(huán)境而煩惱。在multisim中，用戶可以在線修改電路值，然后查看實(shí)時(shí)仿真結(jié)果。 圖2.1 鉑電阻模型使用multisim提供的20個(gè)功能強(qiáng)大的分析工具（包括瞬態(tài)分析、噪音

4、分析、monte carlo應(yīng)用分析、最難案例分析、i-v分析器等），可以對(duì)電路特性進(jìn)行深入分析，從而獲得對(duì)電路特性的直觀認(rèn)識(shí)。使用者可以探索不同的電路配置、元件選擇、噪音以及信號(hào)源如何影響電路的設(shè)計(jì)。使用ni grapher可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作，該工具可以用標(biāo)簽標(biāo)注顯示的數(shù)據(jù)，并可以將數(shù)據(jù)以不同文件格式導(dǎo)出，或進(jìn)行其他操作。2電路設(shè)計(jì)2.1傳感器模型的建立金屬鉑電阻性能十分穩(wěn)定，在-260到+630度之間，鉑電阻可做標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)；在0到-100度之間，鉑電阻與溫度的關(guān)系： rt=ro1+at+bt2+c(t-100)t3把參數(shù)代入得rt=-4.22*10-10t4+4.22*10-8t3-

5、5.84*10-5t2+0.394t+100 （2.1）由于本設(shè)計(jì)所測(cè)溫度范圍在0到-100度之間,且上式的3次項(xiàng)4次項(xiàng)的系數(shù)很小，使得溫度變化時(shí)3次項(xiàng)4次項(xiàng)的值對(duì)阻值影響很小，故可省去近似為一個(gè)二次多項(xiàng)式。 即 rt=-5.84*10-5t2+0.394t+100 （2.2）有了溫度與鉑電阻的關(guān)系式，就可建立如圖2.1的模型，以v1代表溫度t，壓控多項(xiàng)式函數(shù)模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)上述函數(shù)，其輸出為電壓值，由鉑電阻的原理，模型模擬的是電阻值，所以在加上一個(gè)比例系數(shù)為1的壓控電阻，因此輸出電阻值按算式隨溫度質(zhì)的變化而變化。 2.2電路的組成與原理2.2.1穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓環(huán)節(jié)用于為后面的電路提供基準(zhǔn)電壓，如圖

6、2.2所示。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的輸出端接電壓跟隨器來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。電壓跟隨器具有高輸入阻抗、地輸出阻抗的優(yōu)點(diǎn)。 圖2.2穩(wěn)壓環(huán)節(jié)圖2.3穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓特性曲線穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路是最簡(jiǎn)單的一種穩(wěn)壓電路，它由一個(gè)穩(wěn)壓二極管和一個(gè)限流電阻組成。從圖2.3二極管的穩(wěn)壓特性曲線可以看到，只要穩(wěn)壓過(guò)的電流izminidzizmax，則穩(wěn)壓管就使輸出穩(wěn)定在uz附近，其中uz是在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流下所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。限流電阻的作用是起到限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；另外，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過(guò)該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。設(shè)計(jì)穩(wěn)壓二級(jí)管電路，首先需要

7、根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際電路的情況來(lái)合適的選出所要求的輸出電壓u0，一般選輸入電壓ui為u0的2至3倍。例如，如果要獲得10v的輸出電壓，那么整流濾波電路的輸出電壓應(yīng)在20-30v，然后選取合適的變壓器，以提供合適的電壓。穩(wěn)壓二極管的參數(shù)有三個(gè)，即穩(wěn)壓值uz、最小穩(wěn)定電流izmin和最大穩(wěn)定電流izmax，選擇穩(wěn)壓二極管時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)要求的輸出電壓u0=uz，確定了穩(wěn)壓值以后，可根據(jù)負(fù)載的變化范圍來(lái)確定穩(wěn)定電流的最小值iz和最大值izm，一般要求額定穩(wěn)定電流的變化范圍大于實(shí)際負(fù)載電流的變化范圍，即izm-izilmax-ilmin。同時(shí)，最大穩(wěn)定電流的選擇應(yīng)留有一定的裕量，以免穩(wěn)壓二極管被擊穿。綜上

8、所述，穩(wěn)壓二級(jí)管應(yīng)滿足 u0=uz （2.3） izm-izilmax-ilmin （2.4） izm ilmax+iz （2.5）2.2.2基本放大電路本設(shè)計(jì)沒(méi)有采用電橋法測(cè)量鉑電阻，這是因?yàn)殂K電阻測(cè)溫采用單臂電橋，單臂電橋，單臂電橋本身存在一定的非線性，為了避免電橋引入的非線性，所以采用放大電路測(cè)溫?；痉糯箅娐啡鐖D2.4，它可以分解為下圖2.5中（a）、（b）的兩個(gè)簡(jiǎn)單的放大電路。圖2.5（a）中是一個(gè)反向比例放大器其輸出2.2.3校正環(huán)節(jié)鉑電阻的總體測(cè)溫電路如圖2.6。雖然鉑電阻模型中溫度的二次項(xiàng)系數(shù)很小，但仍然存在一定的非線性度，電路中由運(yùn)算放大器u3和電阻r8、r9、r15組成的反

9、向比例放大器為電路引入負(fù)反饋，可使電路輸出地線性度變好。圖中還由電阻rw1引入了電流并聯(lián)負(fù)反饋。由于鉑電阻的阻值小且變化范圍小，為了使輸出變化明顯，總體電路上又加了反向比例放大電路，通過(guò)調(diào)節(jié)rw3的值可以調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍。 圖2.6測(cè)量電路 3.整體電路的分析3.1穩(wěn)壓環(huán)節(jié)分將圖2.6所示的穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的輸出端接一個(gè)負(fù)載電阻，如圖3.1所示。為了確定這一負(fù)載電阻的大致范圍，將與穩(wěn)壓環(huán)節(jié)相連的放大電路的輸入端圖3.3傳遞函數(shù)分析結(jié)果改接一個(gè)10v的直流源，然后對(duì)電路進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，其設(shè)置如圖3.2所示，將新加入的直流源作為輸入源，電路的總輸出端作為輸出節(jié)點(diǎn)，接地端作為參考節(jié)點(diǎn)。傳遞函數(shù)分析的結(jié)果

10、如圖3.3所示輸入阻抗為1.9k。圖3.2傳遞函數(shù)的分析設(shè)置圖3.5 參數(shù)掃描分析結(jié)果圖3.4參數(shù)掃描分析設(shè)置將圖3.1中的r2設(shè)為1.9k，然后對(duì)r1進(jìn)行參數(shù)掃描，確定其取值。參數(shù)掃描的設(shè)置如圖3.4所示，將r1從101k之間取10個(gè)掃描點(diǎn)，然后選擇掃描直流工作點(diǎn)，輸出節(jié)點(diǎn)5，其掃描結(jié)果如圖3.5所示，可知工作點(diǎn)較穩(wěn)定，取r1為200下面分析電壓跟隨器在電路中的作用。將圖3.1中運(yùn)算放大器的正輸入端接一個(gè)10v的直流源，然后對(duì)修改后的電路進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，結(jié)果如圖3.6所示，可見(jiàn)電壓跟隨器具有很高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗。圖3.6傳遞函數(shù)分析結(jié)果對(duì)圖3.1所示電路進(jìn)行參數(shù)掃描分析，觀察負(fù)載

11、電阻r2變化對(duì)輸出電壓的影響。使r2在1-10k之間均勻的取10個(gè)值，然后對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直流工作點(diǎn)掃描，結(jié)果如圖3.7所示，由圖可知，由于電壓跟隨器的輸入電阻較大，則流過(guò)r1的電流基本全部流向穩(wěn)壓二極管，且電壓跟隨器隔離了負(fù)載變化對(duì)二極管穩(wěn)壓電路的影響，所以加電壓跟隨器的穩(wěn)壓電路，在穩(wěn)壓范圍內(nèi)輸出電壓較穩(wěn)定，并且約等于10v。圖3.7穩(wěn)壓環(huán)節(jié)分析3.2鉑電阻溫度特性的分析在圖2.6的總測(cè)量電路中，對(duì)鉑電阻模塊進(jìn)行直流掃描分析，觀察測(cè)量溫度與鉑電阻阻值的關(guān)系。直流掃描分析的設(shè)置如圖3.8所示，掃描電源為模擬測(cè)量溫度數(shù)值的電壓源v1，掃描范圍為0到-100v（即模擬0到-100的變化），觀察節(jié)點(diǎn)4

12、和3之間的電壓差變化（模擬鉑電阻的變化）。直流掃描分析的結(jié)果如圖3.9所示，實(shí)線的是分析所得數(shù)據(jù)，虛線是連接兩端點(diǎn)所得的直線，可見(jiàn)鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系存在非線性。因此需要調(diào)節(jié)rw2來(lái)調(diào)節(jié)反饋的程度，從而矯正輸出電壓與溫度的非線性關(guān)系。圖3.8直流掃描分析參數(shù)頁(yè)設(shè)置圖3.9鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系3.3反饋電路分析由上述對(duì)鉑電阻溫度特性分析可知，在沒(méi)有加入由rw2構(gòu)成的反饋系統(tǒng)時(shí)，鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系存在非線性，下面研究加入rw2構(gòu)成的反饋系統(tǒng)對(duì)輸出非線性的影響。對(duì)鉑電阻模塊進(jìn)行直流掃描分析，觀察測(cè)量溫度與輸出電壓的關(guān)系。直流掃描分析參數(shù)頁(yè)設(shè)置同圖3.8（a），輸出頁(yè)設(shè)置如圖3.10。掃描

13、電源為模擬測(cè)量溫度數(shù)值的電壓源v1，掃描范圍為0到-100v，觀察輸出結(jié)點(diǎn)26電壓差變化（模擬輸出電壓的變化）。分析結(jié)果如圖3.11所示，可見(jiàn)加入rw2后，分析所得數(shù)據(jù)與連接兩端點(diǎn)所得的直線幾乎重合，反饋電路對(duì)非線性程度有很好的調(diào)節(jié)。 圖3.10直流掃描輸出參數(shù)頁(yè)設(shè)置圖3.11溫度與輸出電壓的關(guān)系4.labview虛擬儀器的設(shè)計(jì)4.1據(jù)顯示子程序設(shè)計(jì)根據(jù)鉑電阻隨溫度變化時(shí)，電壓和溫度的關(guān)系可以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)顯示子vi。由式 （2.2） rt=-5.847*10-5t2+0.39684t+100 可得 （4.1）由鉑電阻的測(cè)溫范圍 （4.2） 由式（3.2）(4.2），可建立一個(gè)子vi，步驟如下：（a

14、） 從開(kāi)始菜單中運(yùn)行“ national labview 8.6,在“getting started窗口左邊的files控件里，選擇blank vi 建立一個(gè)新程序。圖4.1 程序框圖圖4.2 設(shè)計(jì)時(shí)域信號(hào)采集器（b） 框圖程序的繪制:圖4.1所示為本設(shè)計(jì)程序的的程序框圖。考慮到輸入是關(guān)于時(shí)間和電壓的2維數(shù)組，設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)域信號(hào)采集器，它由控制面板i/o模塊里的波形函數(shù)經(jīng)過(guò)矩陣化而成，如圖4.2所示。利用foe loop的自動(dòng)索引功能，完成數(shù)組的轉(zhuǎn)換。這里foe loop的自動(dòng)索引是指使循環(huán)外的數(shù)組成員逐個(gè)依次進(jìn)入循環(huán)框內(nèi)，或使循環(huán)框內(nèi)的數(shù)據(jù)累加成一個(gè)數(shù)組輸出循環(huán)框外面的功能。這樣數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換

15、就可以直接在vi程序中完成。（c） 通過(guò)時(shí)域信號(hào)采集器，將電壓的波形提取出來(lái)，在將連續(xù)電壓值作為vi的輸入。循環(huán)時(shí)會(huì)將數(shù)據(jù)單個(gè)的輸出，所以很重要的一點(diǎn)是循環(huán)結(jié)束時(shí)不能使用自動(dòng)索引，否則輸出將是一維數(shù)組而不是單個(gè)的數(shù)值。while循環(huán)的條件端口選擇“stop if true”,連接的常數(shù)設(shè)為“t”。（d）定義圖標(biāo)與連接器，創(chuàng)建子vi：雙擊創(chuàng)建好的子vi，用鼠標(biāo)右鍵單擊前面板窗口中的圖標(biāo)窗格，在快捷菜單中選擇顯示連接器。接下來(lái)是建立前面板上的控件和連接器窗口的端子關(guān)聯(lián)，把輸入端口與時(shí)域信號(hào)采集器“電壓”相連;把兩輸出端口分別于“rt”“溫度計(jì)”兩顯示模塊相連。完成上述工作后，即完成了子vi的建立4

16、.2labview與multisim接口電路的設(shè)計(jì)如果要在multisim中啟動(dòng)和運(yùn)行l(wèi)abview儀器，所安裝的multisim中必須包含labview run-time engine這個(gè)模塊，該模塊是兩軟件的接口軟件，本設(shè)計(jì)接口部分的目的是把以上labview中設(shè)計(jì)的子程序鑲嵌到multisim中進(jìn)行溫度及其他參數(shù)的顯示。其過(guò)程可分以下幾個(gè)步驟。（1） 把multisim安裝目錄下sampling/labview instrument/templates/ input文件夾復(fù)制到另外一個(gè)地方，這樣做是為了避免更改了原始模板。（2） 在labview中打開(kāi)步驟（1）中所復(fù)制的starteri

17、nputstrument.lvproj工程，接口電路的設(shè)計(jì)是在starterinputstrument.vit中進(jìn)行的。 圖4.4 接口電路設(shè)計(jì)(3)打開(kāi)starterinputstrument.vit的框圖模板，完成接口框圖的設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)處理部分選擇“update data”選項(xiàng)進(jìn)行修改。按框圖的說(shuō)明，在結(jié)構(gòu)框圖中單擊鼠標(biāo)右鍵選擇“選擇vi”，把在labview完成的子vi添加在“update data”選項(xiàng)中，子程序的接口連接multism的輸出數(shù)據(jù)接口，在子程序的輸出端創(chuàng)建指示器，如圖4.4所示。此 時(shí)只能在已有的框圖的基礎(chǔ)上增加新的內(nèi)容，而不能刪除原有的模塊。 程序框圖設(shè)計(jì)好以后，要進(jìn)

18、行前面板的設(shè)計(jì)，除了要完成功能外，還要兼顧美觀。設(shè)計(jì)好的前面板如圖4.5。信號(hào)采集部分位于左下框內(nèi)，t0是采集起始時(shí)間，dt是時(shí)間間隔，y是采樣值。完成后選擇重命名，保存為wendu.vit。圖4.5 前面板的設(shè)計(jì) (4)在編譯之前，要對(duì)虛擬儀器進(jìn)行基本信息設(shè)置，打開(kāi)subvis下的start input instrument_multisiminformation.vi的后面板，在儀器id中和顯示名稱中填入唯一的標(biāo)志“wendu”。同時(shí)把輸入端口數(shù)設(shè)為“1”，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)電壓輸入；同時(shí)把輸出端口設(shè)為“0”，此模塊不需要輸出。設(shè)置完后，另存為wendu multisim information

19、.vi,注意前半部分的名字和接口部分的命名必須一致。（5）最后要對(duì)文件進(jìn)行編譯，編譯過(guò)后會(huì)在input文件夾下生成一個(gè)build文件夾，打開(kāi)后把里面的文件復(fù)制到electronics workbench下的lvinstruments文件夾中，這樣就完成了虛擬儀器的導(dǎo)入，打開(kāi)multisim時(shí)，在labview儀器下拉菜單下就會(huì)顯示設(shè)計(jì)的模塊。4.3labview與multisim聯(lián)合仿真上述內(nèi)容已將溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成，打開(kāi)前面在multisim10中設(shè)計(jì)的電路，在labview儀器下拉菜單下就會(huì)顯示設(shè)計(jì)的模塊。把設(shè)計(jì)好的電路和顯示模塊相連接，電路調(diào)整后，進(jìn)行仿真，驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)是否合理。圖4.7為所取的4個(gè)不同溫度時(shí)的仿真，可以看出，本設(shè)計(jì)的非線性誤差不大，