實驗四 基于LabVIEW的虛擬直流電壓表設計

1、 西華大學實驗報告第 組 西華大學實驗報告（理工類）開課學院及實驗室：電氣信息學院電氣信息專業(yè)實驗中心 實驗時間：2014年 6 月 11 日學 生 姓 名學 號成 績學生所在學院年級/專業(yè)/班課 程 名 稱虛擬儀器技術課 程 代 碼6001429實驗項目名稱基于LabVIEW的虛擬直流電壓表設計項 目 代 碼實驗代碼4指 導 教 師王孝平項 目 學 分一、實驗目的：1. 理解雙積分A/D轉換器7109及數(shù)字電壓表的工作原理。2. 掌握虛擬直流電壓表設計的基本方法。3. 測量數(shù)據(jù)的誤差分析。二、實驗內(nèi)容：1. 根據(jù)實驗指導實現(xiàn)直流電壓表的設計。設計要求：測試對象：電位器，外部電壓量程：40mV

2、，80 mV，200 mV，400 mV，800 mV，2V，4V，8V。2. 選擇電壓表不同量程和不同測量對象，進行測量。三、實驗器材：1. 1.SJ-8002B電子測量實驗箱 1臺2雙蹤示波器（20MHz模擬或數(shù)字示波器） 1臺3計算機(具有運行windowsXP和LabVIEW軟件的能力) 1臺4. 萬用表（3 1/2位以上） 臺5. Q9連接線 根四、實驗原理：1. 雙積分A/D轉換器ICL7109如圖4-1為雙積分A/D轉換器ICL7109實驗電路圖。圖4-1 雙積分式A/D轉換器7109測量電壓原理圖2.工作原理整個直流電壓表設計主要包括四個部分：7109工作原理，A/D轉換時序，

3、增益選擇電路，通道輸入電路。系統(tǒng)電路圖如圖42所示：圖42 電路圖（1）7109工作原理ICL 7109 是雙積分式12 位A/D轉換器，轉換時間由外部時鐘周期決定，為10140/58個時鐘周期。其主要引腳定義如下： B1B12：12bit的數(shù)據(jù)輸出端OR：溢出判別，輸出高電平表示過量程；反之，數(shù)據(jù)有效。POL：極性判別，輸出高電平表示測量值為正值；反之，負值。MODE：方式選擇， 當輸入低電平信號時，轉換器處于直接輸出工作方式。此時可在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)；當輸入高電平時，轉換器將在信號信號握手方式的每一轉換周期的結尾輸出數(shù)據(jù)（本實驗選用直接輸出工作方式）。REF：外部參考電壓

4、輸入（本實驗用其典型值：2.048V）。INL,INH:輸入電壓端口（有效范圍是參考電壓的2倍）。OO,OI:外部時鐘輸入（本實驗用其典型值：3.579MHz）。RUN/HOLD_：運行/保持輸入, 當輸入高電平時,每經(jīng)8192時鐘脈沖完成一次轉換；當輸入低電平時，完成正在進行的轉換，并停在自動調零階段STATUS：狀態(tài)輸出，輸出高電平，表明芯片處于積分和反向積分階段；輸出為低電平，表明反向積分結束，數(shù)據(jù)被鎖存，模擬部分處于自動返回零態(tài)階段。CE/LOAD_：片選，當其為低電平時，數(shù)據(jù)正常輸出；當其為高電平時，所有數(shù)據(jù)輸出端（B1B12、POL、OR）均處于高阻狀態(tài)。LBEN_：低字節(jié)使能，輸

5、入低電平時，數(shù)據(jù)線輸出低位字節(jié)B1B8。HBEN_：高字節(jié)使能，輸入低電平時，數(shù)據(jù)線輸出高位字節(jié)B9B12及POL、OR的狀態(tài)值。(2) A/D轉換時序 ICL7109直接接口方式的定時圖如圖4-3所示。圖4-3 7109 直接接口方式(3) 增益選擇電路待測模擬信號需經(jīng)過測量放大器進行信號放大，如圖4-4所示，通過模擬開關CD4052選擇放大器反饋電阻即可進行增益選擇，圖中共設置了4檔增益：0.5、1、2、5。圖4-4 測量放大電路 (4) 通道輸入電路待測模擬信號從實驗箱的外部接線端7109+和7109-輸入。另外，為了方便實驗，實驗箱上提供了通過電位器調節(jié)的04V的直流電壓。此外為了進行

6、校準測量，還提供了接地(0V)和參考電壓(2.048V)輸入通道。7109的/轉換關系為： (4-1) 式中， A/D轉換器輸入電壓； A/D轉換結果的12bit數(shù)字量； A/D轉換器外部參考輸入電壓，調節(jié)為=2.048V；由式（4-1）可知，若=2.048V ，則即為以mv單位表示了，即 (4-2) 五、設計指導1方案設計本實驗基于“SJ8002B電子測量實驗箱”的高速數(shù)據(jù)采集和基于PC機的虛擬儀器軟件平臺（Labview）構建測量方案，實現(xiàn)直流電壓的數(shù)字化測量，完成“虛擬交流數(shù)字電壓表”的設計。整個程序采取順序結構，依次實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，7109啟動，EPP接口通信測試，7109的運行及結

7、果顯示。整個設計思路流程圖如下：2功能與前面板設計虛擬直流數(shù)字電壓表主要完成對電位器或外部直流電壓的測量與顯示。因此，在虛擬儀器界面上需有測量對象的選擇，同時，結果測量中，需同時進行表盤和數(shù)字顯示并通過LED顯示出來。根據(jù)SJ8002B高速數(shù)據(jù)采集的主要性能指標，設置10檔量程： 40mV、80mV、200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V（對應增益：100 、 50、 20、10、5、2、1、0.5）。界面上設置超量程指示。此外，界面上還需設置測量的啟動和退出測量功能。將量程缺省值設為8V。圖4-5為前面板設計的參考。圖4-5 虛擬直流數(shù)字電壓表面板啟動虛擬儀器labview軟件

8、開發(fā)環(huán)境，建立新的工程文件，打開front Panel設計界面，并存儲，由界面文件自動生成相關流程圖框架。本程序中需要用到的前面板控件有：表4-1 前面板控件控件類別序號名稱位置注釋指示類（1）電壓顯示表盤數(shù)值Numeric儀表Meter設置電壓表的屬性結點，對不同量程進行控制（2）超量程指示燈布爾LEDSRound LED圓形指示燈溢出時點亮（3）電壓數(shù)字顯示框數(shù)值Num IndisNumeric Indicator數(shù)值顯示控件設置屬性結點，對不同顯示位數(shù)進行控制測量選擇類（4）量程選擇檔數(shù)值Num Ctrls轉盤Dial選擇量程（具體見表3-2）（5）測試對象選擇檔布爾BooleanHor

9、izontalSwitch選擇測試對象，具體見表3-3）程序控制類（6）退出ButtonsOK Button控制程序退出 （7）測量ButtonsPush Button控制程序開始 使用量程選擇檔對量程控制字gain_cw（10進制）進行選擇，得到增益gain（10進制），由于7109的輸入電壓為4V。由于7109的輸入電壓為4V，故每檔量程對應的增益與量程之乘積應為4V。如表4-2所示：表4-2 量程選擇檔設置量程8V4V2V800mV400 mV200 mV80 mV40 mVgain_cw1617181933343549gain0.5125102050100使用測試對象選擇檔對測試對象控

10、制字進行控制，由于測試對象只有兩種，故將控件設置為布爾量，具體設置如表4-3所示表4-3 測試對象選擇檔設置控件位置選擇布爾值測試對象控制字測試對象（m_what）左邊FALSE50電位器右邊TRUE1外部電壓3動態(tài)鏈接調用本程序設計的主要實現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實現(xiàn)），在程序實現(xiàn)時可直接調用實驗箱提供的驅動函數(shù)動態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅動函數(shù)原型及常數(shù)和變量在cvidll.prj中。程序設計時，應加入動態(tài)鏈接7109.dll。實現(xiàn)直流電壓測量的驅動函數(shù)如表4-4所示：表4-4動態(tài)鏈接序號fp函數(shù)實現(xiàn)功能輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)返回值動態(tài)鏈接圖標1void _std

11、call epp_init(void)初始化EPP接口無無在cvidll.dll無2int_stdcall epp_read_check (void)EPP讀數(shù)檢查無無在cvidll.dll0：EPP可正常讀數(shù)；1：EPP不能讀數(shù)3int _stdcall run_7109 (unsigned char m_what, unsigned char gain_cw,double vref, double *rult)運行7109，實現(xiàn)7109的讀數(shù)及轉化m_what:測試對象gain_cw:量程控制字vref:參考電壓rult:測量結果在cvidll.dll0：讀數(shù)有效；2：讀數(shù)無效，正溢出；3

12、：讀數(shù)無效，負溢出；4： EPP不能讀數(shù)4void _stdcall amp_7109 (unsigned char gain_cw, double *gain, int *showdot) 根據(jù)量程設置增益和顯示位數(shù)gain_cw： 量程控制字 gain：量程的增益 howdot：該量程的有效位數(shù)（V為單位，showdot為小數(shù)點后的位數(shù)） 無5void _stdcall indicator_7109 (unsigned char gain_cw, double *indicator_gain,double *indicator_max)根據(jù)量程設置7109輸入增益，電壓表表最大顯示數(shù)字ga

13、in_cw： 量程控制字 gain：量程的增益indicator_gain:7109輸入增益indicator_max：表盤最大顯示數(shù)字無6void _stdcall start_7109 (void)啟動7109無無在cvidll.dll無7int _stdcall led_display(double display_data)LED顯示display_data：顯示數(shù)據(jù)無在cvidll.dll成功執(zhí)行后，返回值為0動態(tài)鏈接函數(shù)見附錄動態(tài)鏈接調用舉例： int led_display(double display_data):在block panel中點擊右鍵：All functionsA

14、dvancedCall library function node. 圖4-6 動態(tài)鏈接調用界面雙擊圖圖標，將出現(xiàn)如圖4-7所示圖4-7 動態(tài)鏈接調用 此時可根據(jù)調用函數(shù)的路徑，參數(shù)及名稱進行設置進行得到圖4-8 圖4-8 動態(tài)鏈接設置這樣就完成了動態(tài)鏈接的調用及設置。4流程圖設計整個程序要求由 “退出”按扭來控制程序的運行與否，因此主框架可以設計為structure中的while循環(huán)。由“測量”控制測量與否。如圖4-9所示：圖4-9 程序總框圖（while循環(huán)）由于Labview特性是順序流程，因此，循環(huán)內(nèi)部可以設計為順序結構。即使用structure中的flat sequence case

15、。整個設計流程分為四步：（1） EPP初始化：調用動態(tài)鏈接實現(xiàn)，函數(shù)無返回值（2） 啟動7109：調用動態(tài)鏈接實現(xiàn)，函數(shù)無返回值（3） EPP讀數(shù)檢查：由函數(shù)返回值判斷EPP讀數(shù)是否成功，當EPP讀數(shù)成功時進入下一步否則將“測量”鍵彈起，停止程序。前三步執(zhí)行如圖4-10所示：圖4-10 循環(huán)內(nèi)結構 （4） 運行7109：用case結構實現(xiàn)量程和測量對象的選擇，作為動態(tài)鏈接函數(shù)run_7109的輸入，然后把run_7109的輸出分別接到表盤和數(shù)字顯示，并作為led_display的輸入，進行l(wèi)ed顯示。根據(jù)7109的返回值判斷，當其等于2或者3時，表示超量程，則點亮超量程指示燈，如：當量程選擇為

16、case1如圖1-11所示：注意：本程序中包含了“顯示位數(shù)”、“增益”、“indicator_max”三個在前面板被隱藏的控件。 圖4-11 7109運行及結果顯示4顯示根據(jù)采集數(shù)據(jù)和計算結果，顯示在相應的顯示窗口。根據(jù)被測信號數(shù)值，可驗證雙積分式AD原理和直流電壓測量的關系。5調試與測試1.按圖4-12所示連接實驗系統(tǒng)圖4-12實驗連接圖說明：跳線s101靠右邊，接GND 2.虛擬直流電壓表的面板如圖4-5所示：使用說明：測試對象包括“待測電壓”和“電位器(電壓)”。當選擇電位器(電壓)時，即測量虛擬儀器實驗平臺左下腳電位器的電壓,可用萬用表在實驗箱的“TEST”點監(jiān)測。當選擇待測電壓時，即可測量外加直流電壓（由于虛擬直流電壓表的最大量程為8V，因此建議使用的直流電壓小于8V）