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1、大学 毕业设计（论文） 工频电量虚拟测试仪学 院 年级专业 03电子信息工程 学生姓名 指导教师 专业负责人 答辩日期 07年06月24日 大学毕业设计（论文）任务书学院：信息学院 系级教学单位：电子与通信工程系学号0学生姓名专 业班 级电子信息工程2班课题题 目工频电量虚拟测试仪来 源自选主要内容1. 用数据采集卡,在计算机上开发虚拟仪器功能 a) 测量交流电压有效值 : 0500Vb) 测量交流电流有效值 : 050Ac) 测量有功功率 : 025KWd) 测量无功功率 : 035kvare) 测量功率因数 : 012. 软件设计:数据采集与处理,计算,显示3. 输入信号自动分档变换的硬件
2、电路实际基本要求1. 软件设计:用图形化软件 LabVIEW 实现,人机界面友好,仪器模仿逼真,测试结果误差合理2. 数据采集卡:利用计算机内的声卡参考资料1现代检测技术与测试系统设计刘君华著 西安交大出版社2. 电工仪表原理3. LabVIEW 程序设计与应用周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容收集有关资料,消化理解相关内容,确定设计方案,写出开题报告.设计硬件电路和软件程序框图,准备有关元气件.编写软件程序,模拟调试测试实验,记录并整理实验数据.总结设计体会,写毕业论文; 答辩指导教师：系级教单位审批：说明：如计算机输入，表题黑体小三号字，内容五号字。本任务书一式二份
3、，教师、学生各执一份。摘 要工频电量虚拟测试仪是由信号采集、信号处理和结果显示三大部分构成。其中信号采集部分是由硬件声卡实现的，包括了利用声卡对信号进行采集的原理及应用的介绍；其它两部分都是由软件LabVIEW(它是美国NI仪器公司的创新软件产品，也是应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境)实现的。此虚拟测试仪的开发内容包括了功能需求分析、系统所应测量的参数、系统应达到的精度及各个参数的测试方法，并包括软件框架、流程、及各功能模块的实现过程。它除了通用功能外，又具有普通测试仪所没有的许多优点，如波形可存储为数据文件，以便进行永久保存、随时调用数据，进行波形实时显示、打印，其成本低廉
4、，功能可根据应用的需要不断加强。而且它具有开发周期短、运行速度快、可重用性、使用方便灵活等优点。关键词虚拟仪器；数据采集； 工频参量 AbstractVirtual-frequency power consumption tester is signal acquisition, signal processing and the results showed that constitute the majority. Some of which signal acquisition hardware sound card is achieved, including the use of s
5、ound card to signal acquisition and application of the principle of the introduction; the other two are part of LabVIEW software (it is the United States NI equipment companys innovative software products, is the most widely and rapidly growing, the most powerful graphical software development envir
6、onment) achievable. This virtual test instrument includes the development of functional requirements analysis, system parameters to be measured. system should achieve the accuracy and various parameters of the test methods, and includes the software framework, process, and various functional modules
7、 of the course. In addition to its generic functions, but also has general tester did not have many advantages, such as waveform storage for data files, for permanent preservation at the disposal of data, real-time waveform display, print, the cost is cheap, function under the application should be
8、strengthened constantly. And it has a short development cycle, running speed, reusability, ease-of-use advantages. Keywords Virtual Instrument Data Acquisition Frequency parameter 目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 课题的目的11.1.2 课题的意义21.2 论文主要内容介绍3第2章 课题的开发工具介绍52.1 虚拟仪器简介52.1.1虚拟仪器技术的本质特征52.1.2虚拟仪器技术
9、的特点62.1.3测量仪器与自动测试系统未来的发展方向62.1.4 虚拟仪器与传统仪器的比较72.2 虚拟仪器LabVIEW72.2.1 LabVIEW 开发平台82.2.2 LabVIEW 发展方向及特点82.2.3 程序创建步骤92.3 本章小结10第3章 数据采集系统113.1 硬件系统的实现113.1.1 声卡简介113.1.2 声卡的工作原理及性能指标123.2 采集系统软件的实现133.3 本章小结16第4章 工频测量原理174.1 工频特性参数174.2 软件实现结构184.2.1 While循环194.2.2 移位寄存器194.2.3 For循环204.2.4 分支结构Case
10、214.3 本章小结22第5章 课题的实现235.1 软件流程图235.2 前面板的设计245.2.1 模块介绍245.2.2 前面板275.2.3 前面板个功能介绍275.3 工频电量测试仪程序285.2.1 程序子vi305.2.2 主要控件介绍325.4 本章小结33结 论35参考文献37附录139附录243附录347致谢67第1章 绪论1.1 课题背景测试技术发展到现在，数字技术逐渐取代模拟技术，组合式、集多功能于一体的仪器取代单台仪器，网络化趋势渐渐明显。软件在现代测量中举足轻重，计算机的日益普及也带动了测试技术的发展。测量技术在计算机技术和其它相关技术不断发展的推动下，有了很大的发
11、展。准确度不断提高，测量范围不断扩大，不但能测量所有的电学量、磁学量和电路参数等，而且通过不断进步和发展的传感器技术可以测量如温度、压力、振动、速度、位移、水位、血压、气味等很多非电量。同时，在计算机技术的推动下，可以很方便地实现自动测量、自动控制及数据的自动处理。电测量理论和技术的不断发展、测量领域和测量观念的不断拓展，给测量仪器仪表提出了更高的要求。仪器是测量的工具，测量的本质是利用仪器仪表获得定量认知的过程，测量的实现离不开仪器仪表，测量技术的发展过程，也就是仪器仪表的发展过程。因而，为适应测量技术发展的需要，仪器仪表技术也不断地进步和提高，虚拟仪器就是为了适应测量技术发展的需要而产生并
12、发展起来的。1.1.1 课题的目的传统的电测量有很多需要解决：首先，电压调制精度、频率调制精度、交流电压波形等参数均有一定的技术标准，以往对这些参数都是用各种专用的测量设备进行测试，需要较多价格昂贵的专用设备；另一方面，由于各种专用设备大多采用模拟方式进行测量，在测试精度上也会难免有所欠缺；且传统设备自动化程度低，手工记录测试结果，没有分析处理功能，记录结果难于进行统计分析。为了解决这些矛盾，需要研制一种新型的基于虚拟仪器的通用测试设备，它能够将高精度的数据采集设备、计算机和强大的软件结合起来，不仅能够对被测信号进行分析处理，还能对测试的数据进行保存，最后的测试结果还能进行存盘打印、波形的显示
13、等。具体分为以下几个功能：(1)信号记录：采集交直流电压信号，并将其记录下来保存到硬盘上，供后期分析处理。(2)信号波形显示：显示出交直流电压信号的时域波形以及频域分析波形，还包含各种电气参数瞬态变化的过程。(3)信号实时分析：回放已经采集的信号，并且分析信号的参数，给出处理结果。(4)系统管理：管理用户信息，记录文件和检测结果，并且在多个测试任务间进行切换。这样就能够使用户抛开多种传统的测试设备和繁杂的测试手段，只要具备统一的参数标准、统一的计算方法、高精度的数据采集卡和通用PC机，就可以构成一套价格低廉的适用于各种不同型号产品的高精度通用测试设备。1.1.2 课题的意义计算机强大的处理能力
14、，使得它成为一种很好的电测量工具，其应用范围也越来越广泛。虽然传统仪器己经得到迅猛的发展，仪器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好，但传统仪器基本上没有摆脱独立使用、手动操作的模式。在工频电量测量领域，传统的方法有许多重复建设，使用起来就很不方便，其局限性非常明显，显然己经不能适应时代发展的需要了。传统台式仪器是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有固定的输入/输出接口和仪器操作面板。每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。对比传统测量仪器和虚拟仪器的构成特点和发展空间，可以看到研究基于虚拟仪器的工频电量测试仪具有广泛的意义。首先，工频电量虚拟测试仪主要用来测量并
15、显示被测信号的电参数和波形，在现场测量等许多领域被广泛应用，目前高精度、具有数据存储能力的电量测试仪，由于工艺复杂、技术要求高，因而价格昂贵，所以工频电量虚拟测试仪的设计有一定的经济价值。其次，电量测试仪的虚拟化实现，将使得传统的电量测试仪充分利用计算机丰富的软硬件资源和强大的信息处理能力，实现对多路输入信号的实时采集和存储，并进行离线或在线的分析和处理。借助于虚拟仪器思想的强大支持，传统电量测试仪的功能将大大增强，应用范围将得到很大的扩展，工频电量虚拟测试仪能充分发挥虚拟仪器结构简单、灵活方便、功能丰富、价格低廉、一机多用、能重复开发、可用户自定义的优势。最后，工频电量虚拟测试仪将促进虚拟仪
16、器的思想与传统仪器技术的相互融合，为两者的发展开辟更广阔的空间。本课题中的工频电量虚拟测试仪，不仅具有通用电量测试仪的功能，还可同时显示、记录、存储和打印多通道输入的波形，对存储的曲线可通过“回放”功能显示在屏幕上，“回放”速度可调，“回放”过程可暂停波形扫描，以便能更清楚地观察波形的变化，所存储的曲线可以在任何时间打印输出，使用者可以及时进行数据处理、观察和分析实验结果，所以本课题具有一定的研究意义。1.2 论文主要内容介绍本文主要是要介绍工频电量虚拟测试仪的实现。正文中我们首先要对虚拟测试系统进行了解，包括什么是虚拟仪器，虚拟仪器有什么特点，与传统仪器有什么不同，什么是虚拟仪器的开发平台L
17、abVIEW，它有什么功能，如何使用这种图形化的编程语言。接着是对工频电量进行分析，包括怎样对工频电量的数据进行采集，采集系统的硬件用声卡是怎样实现的，声卡的参数是怎样设定的，软件又是怎样实现的，采集到的数据又怎样进行处理。最后接着介绍工频电量虚拟测试仪的前面板怎样实现，前面板中各功能模块有什么样的功能，软件程序流程图怎样实现，软件程序又怎样实现，程序中的模块有什么作用等。本文中各章的安排如下：第1章是绪论。主要介绍以下几个方面：工频电量虚拟测试仪的背景；课题的目的；课题的意义；论文的主要内容介绍。第2章是对工频电量虚拟测试仪的开发工具介绍。主要介绍以下几个方面的内容：虚拟仪器简介，包括虚拟仪
18、器技术的本质特征，虚拟仪器技术的特点，测量仪器与自动测试系统未来的发展方向和虚拟仪器与传统仪器的比较：虚拟仪器LabVIEW简介，包括LabVIEW开发平台，LabVIEW发展方向及特点和程序创建步骤。第3章是对工频电量虚拟测试仪数据采集系统的介绍。主要介绍以下几个方面的内容：硬件系统的实现，包括声卡功能简介和声卡的工作原理及性能指标介绍：采集系统软件的实现，包括软件系统的采集流程图。第4章是工频的测量原理。主要介绍以下几个方面的内容：工频特性参数，包括什么是工频参量，课题中所要求的参数的求导公式；循环结构，包括While循环，移位寄存器和For循环；分之结构Case。第5章是工频电量虚拟测试
19、仪是实现。主要介绍了以下几个方面的内容：工频电量虚拟测试仪的软件流程图；前面板是设计，包括控制模块和功能模块的介绍，课题的前面板，前面板上的功能介绍；工频电量虚拟测试仪软件程序，包括程序中的子vi建立和程序中主要模块的介绍。最后对论文进行了总结。第2章 课题的开发工具介绍2.1 虚拟仪器简介虚拟仪器(virtual instrumention)是基于计算机的仪器。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。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统
20、的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。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。虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器的特点：(1)尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。(2)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。(3)用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器2.1.1虚拟仪器技术的本质特征数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实验室研究和工业自动化领域广泛存在的实际任务。虚拟仪器技术是以计算机为基础，软件为核心，配以相应的硬件(如数据采集卡)，完成高度智能化的信号采集调理、数据测试分析、结果表达处理等众多功能的高新仪器技术。它是计算机的
21、自动测量与控制技术的重要组成部分，是信息科学的重要分支。它出现于1986年，近些年来这项科学技术的开发和应用在国内外得到广泛和迅猛的发展。在个人计算机出现之前，几乎所有拥有程控仪器的实验室都采用贵重的仪器控制器来控制测试系统。这些功能单一、价格昂贵器控制器通过一个集成通讯口来控制IEEE488总线仪器，也称为GPIB程控仪器。20世纪80年代以后，随着PC机的出现，工程师和科学家们找到了一种通过通用PC机控制台式仪器的方法，在硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统，即所谓的虚拟仪器(VirtualInstrument，简称VI)。这是仪器技术与计算
22、机技术在深层次结合的产物，在某种意义上讲是一个全新概念的仪器，又是对传统仪器概念的重大突破。于此同时，各种基于PC计算机的接口板卡产品相继问世，并迅速打开市场，使虚拟仪器得以迅猛发展。虚拟仪器的出现，使测量仪器与Pc机的界限变得模糊了，开始了测量仪器的新时代，形成了仪器领域的一次革命。2.1.2虚拟仪器技术的特点虚拟仪器将传统仪器由硬件实现数据分析处理与显示功能，改变为由功能强大的PC计算机及其显示器来完成，配置各种IO接口设备，再编制具有不同功能的软件对采集来的信号数据进行分析处理及显示，从而实质上是构成了一个计算机仪器系统。其特点如下：(1)在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件
23、来完成仪器的功能。(2)虚拟仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义的，而不是由厂家来定义好的。(3)仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不再需要购买新仪器。(4)与传统仪器相比较，研制周期可以大大缩短。(5)虚拟仪器开放、灵活，可以与网络及外围设备互连。因此，虚拟仪器在工程应用和社会效益方面具有更突出的优势。目前，我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、精尖医学仪器等还主要依赖进口，主要因为这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，生产突破有困难。如果采用虚拟仪器技术，可以只采购必要的通用仪器硬件，自己来设计高性能价格比的仪器系统。2.1.3测量仪器与自动测试系统
24、未来的发展方向自动测试仪器系统的发展方向是仪器的智能化进一步增强，标准化程度进一步提高，网络化测控技术进一步发展。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法。把网络技术与虚拟仪器相结合，构成网络化虚拟仪器系统，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。虚拟仪器的功能可以由用户根据实际需要，通过自行设计的软件，灵活方便地实现定义和扩展。这对于诸如特别希望减少自身体积和重量的卫星、舰船、飞机等移动工具的发展，将起到极大推动作用。对于高新技术产业所需的大量昂贵仪器可以集各种功能于一身，不必再购置功能各异的多台仪器。因为虚拟仪器可以与计算机同步发展，与网络及多种外
25、围设备互联，因此，也不必要经常更新购买新仪器。从此，仪器制造再也不是厂家的专利，而仪器的使用者可以成为仪器设计者的时代即将到来。无疑，在给仪器的使用者带来方便的同时，也必将产生无尽的效益。随着各种计算机数据网迅猛发展的带动，伴随着大规模器件技术、自动控制技术、各种智能技术的发展，近年来诞生了智能测控网络的新型网络，它与一般意义上的信息网的不同点在于：其主要应用不是一般信息的交流与共享，而是用于工业控制与测量数据的传输与通信2.1.4 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器以计算机为平台，利用计算机强大的数据处理能力和图形环境，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，实现数据处理与显示。它改变了传统仪器的
26、使用方式，扩展仪器功能并提高了使用效率，从而相对降低了仪器的价格，且使用户可以根据自己的需要设计仪器，增减仪器的功能。但是，简单地用计算机中插入一块数据采集卡这种硬件结构组成的虚拟仪器测试系统是单CPU运行模式，在其上进行多台仪器的工作或多个任务的执行时，基本上是按分时的方式处理的，所以，如此形式的多个虚拟仪器并不能像多个传统仪器那样真正做到同步执行测量和处理任务，而且，一旦任务量过大，系统的响应就会变慢，任务之间的切换也会变得不灵活。这样的虚拟仪器系统的性能不可能太好，而VXI系统就要好得多。另外，这种计算机加数据采集卡构成的虚拟仪器系统的电磁兼容性也差一些。2.2 虚拟仪器LabVIEW目
27、前流行的虚拟仪器软件开发工具有两类。文本式编程语言有C、Visual C+、VB、abwindowsCVI等；图形化编程语言有LabVIEW、HPVEE等。其中LabVIEW 最流行，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。2.2.1 LabVIEW 开发平台LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering wod bench)的简称，是美国国家仪器公司(National Instrument)的创新软件产品，被誉为“科学家与工程师”的语言。为不熟悉文本语言编程的设计者在测控领域建立计算机仪器系统，提供便捷、轻
28、松的图形化设计开发集成环境。虚拟仪器是LabVIEW 的精髓，正是因为LabVIEW 的成功，才使虚拟仪器的概念为学术界和工程界广泛接受；反过来也正是因为虚拟仪器概念的延伸与扩展，才使I_abVIEW 的应用更加广泛。目前，已经发展到以最新版本LabVIEW6I为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制和PID控制等众多附加软件包，运行于WindowsNT98、Linux、Macintosh、Sun和HPUX等多种平台的工业标准软件开发环境。在自动化领域，现场总线控制系统FCS(FieIdbus Control System)将逐步取代一般分布式控制系统DCS(Distr
29、ibuted Control System)。对大型数据采集系统而言，特别是工厂级的数据采集系统，由于其中的传感器、执行器品种繁多、数以万计，特别需要减少其中的总线数量，最好能够统一为一种总线或网络。这样，既有利于简化布线，又节省空间，同时大大降低了成本，而且也方便了系统维护。另外，现有工厂和企业大都建有企业内部网(Intranet)，基于Intranet的信息管理系统(MIS)成为企业运作的公共信息平台，为工厂企业现代化提供了保障。Intranet和Internet具有相同的技术原理，都基于TCPIP网络通信协议。LabVIEW 不但具有很强的测量功能，同时也具有很强的通信功能。应用LabV
30、IEW 使测控网和信息网有机地结合起来，使得工厂企业拥有一个一体的网络平台，无论从成本、管理、维护等方面考虑，都是最佳的选择。2.2.2 LabVIEW 发展方向及特点在美国，许多工科大学已将LabVIEW 作为课堂或实验室教学内容，作为工程师素质培养的一个方面。不同领域的科学家和工程师都借助这个易用的软件包来解决工作中的各种应用课题。LabVIEW 在包括航空、航天、通信、汽车、半导体和生物医学的世界范围内得到广泛应用。从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂企业，从探索研究到技术集成，都可以发现应用LabVIEW 的成果和开发产品。主要有以下三个方面：(1)应
31、用于测试与测量。LabVIEW 已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI、PLC、串行设备和卡式数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Intemet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试和测量任务变得简单易行。(2)应用于过程控制和工业自动化。LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。(3)应用于实验室研究与自动化。LabVIEW 为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库、包括统计、估计、回归分析、线性代
32、数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可以满足各种计算和分析需要。2.2.3 程序创建步骤创建虚拟仪器的过程分为四步：(1)创建前面板。前面板是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。它模仿了实际仪器的面板。前面板包含了旋钮、按钮、图形和其他控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，也可在计算机显示器上直接观看结果。若想要在数字控制中输入或修改数值，你只需要用操作工具(见工具模板)点击控制部件和增减按钮，或者用操作工具或标签工具双击数值栏进行输入数值修改。(2)创建框图程序。在前面板窗口的主菜单Windows中选择Show Block Diagram或用快捷键ctrl+
33、E将前面板窗口切换到框图程序窗口，此时会看到与前面板对象对应的端口。根据需要在功能模板中找到所需的节点，并将节点图标放置到框图程序窗口。用数据连线将这些端口和节点的图标连接起来，形成一个完整的框图程序。LabVIEW中提供了一些很有用的辅助连线选择，可使线的布局整齐，提高可阅读性。(3)创建图标。一个虚拟仪器的图标/连接端口就象一个图形(表示某一虚拟仪器)的参数列表。这样，其它的虚拟仪器才能将数据传输给下一个子仪器。图标/连接端口允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其它程序或子程序中的子程序(子仪器)。(4)调试程序。运行和调试程序是任何一门编程语言编程中最重要的一步。在LabVIEW中，
34、用户可以通过两种方式来运行程序：运行和连续运行。如果一个VI程序存在语法错误，则位于面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时这个按钮被称作错误列表。点击它，则LabVIEW弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错一误，选用Find功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。调试程序时可以利用单步执行、设置断点、设置探针来显示数据流动方向。同时高亮执行也是一种非常有效的执行方式，可以展示出程序运行中数据的流向。2.3 本章小结采用NI公司研制的LabVIEW软件作为虚拟仪器的开发平台，不仅可大大简化微机化虚拟仪器的研制过程，明显缩短其开发的周期，而且，对由其所构成的测
35、量系统多种性能的改进和维护工作也变得更加容易。不过，在虚拟仪器的实际应用当中，还需要考虑到一些具体的问题，要逐渐学会根据不同的要求和情况采取相应的措施，尽可能地优化程序与算法，使软硬件有机结合起来，最大可能地提高虚拟仪器测量系统的性能。第3章 数据采集系统3.1 硬件系统的实现数据采集系统的任务是采集原始的数字信号，其主要指标有采样精度、采样速度。采样精度由转换器的位数来决定，而采样速度是与采样频率不可分的。从提高精度的角度出发，模数转换器的位数与采样频率之间是相互制约的。数据采集卡的选择主要与采样率、测量通道、分辨率和测量精度有关。采样率即在单位时间内的测量次数，一般用Hz即采样频率来表示，
36、也有的S/s表示。采样率的选择，取决于被测量的信号的变化速度，根据奈奎斯特采样定理，所需的采样频率应为所测信号的最高频率分量的两倍以上，即应选用100 kHz的板卡才能完成最高频率为50 kHz的被测信号的测量工作。测量通道是整个系统所需测量的信号数量，产品不同，可测量的通道数也不同。在选取产品时需要注意以下几点：可测通道数是否满足系统要求；在需要差分输入测量时，板卡上有无差分输入以及差分输入的通道数；在测量道数多时，应注意产品能否扩展及最多可扩展的道数。测量中都需将模拟信号经A/D转换成二进制的数字信号，分辨率就是将满量程信号经A/D转换后得到的二进数的位数。分辨率越高，意味着可检测出来的电
37、压变化越小，它和测量范围(可测量的最高电平和最高电平)及增益(板卡的放大倍数)一起决定了该板卡可测的最小电压变化量，也称为二进码的宽度，现产品中有8位、12位、16位的最多。通过上面的分析我们将在工频电量虚拟测试仪设计中使用声卡作为数据采集卡。3.1.1 声卡简介声卡一般有Line In和Mic In两个信号输入插孔，声音传感器(本文采用通用的麦克风)信号可通过这两个插孔连接到声卡。若由Mic In输入，由于有前置放大器，容易引入噪声且会导致信号过负荷，故推荐使用Line In，其噪声干扰小且动态特性良好。声卡测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰。若输入信号电平高于声卡所规定的
38、最大输入电平，则应在声卡输入插孔和被测信号之间配置一个衰减器，将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平。此外，将声卡的Line Out端口接到耳机上还可以实时的监听声音信号。LabVIEW对声音采集的设置默认于其所处的操作系统，本文使用的是最普通的声卡，对于高级的声卡采集信号时，要注意关闭如混响之类的一些特效，避免影响测量结果的真实性。典型数据采集系统的硬件组成有通用的模式，如图3-1： 传感器信号调理仪器信号记录仪器图3-1采集系统的通用组成模式按照测试的内容选择适当的传感器和与之相配套的信号调理仪器。信号记录仪器采用计算机，计算机内置的声卡作为A/D转换设备。由于声卡是计算机的标准配置，
39、有成熟的驱动程序和操作系统配合，因此无需考虑软硬件方面的兼容问题，在跨操作系统平台时也不存在程序的移植问题。3.1.2 声卡的工作原理及性能指标声音的本质是一种波，表现为振幅、频率、相位等物理量的连续性变化。声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功能就是将所获取的模拟音频信号转换为数字信号，经过DSP音效芯片的处理，将该数字信号转换为模拟信号输出。声卡的基本工作流程为：输入时，麦克风或线路输入(Line In)获取的音频信号通过A/D转换器转换成数字信号，送到计算机进行播放、录音等各种处理；输出时，计算机通过总线将数字化的声音信号以PCM(脉冲编码调制)方式送到D/A转换器，变成模拟的音频
40、信号，进而通过功率放大器或线路输出(Line Out)送到音箱等设备转换为声波，人耳侦测到环境空气压力的改变，大脑将其解释为声音。衡量声卡的技术指标包括复音数量、采样频率、采样位数(即量化精度)、声道数、信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)等，主要介绍如下：(1)复音数量 代表了声卡能够同时发出多少种声音。复音数越大，音色就越好，播放声音时可以听到的声部越多、越细腻。(2)采样频率 每秒采集声音样本的数量。采样频率越高，记录的声音波形就越准确，保真度就越高，但采样数据量相应变大，要求的存储空间也越多。(3)采样位数 将声音从模拟信号转化为数字信号的二进制位数(bit)。位数越高，在定域内能表
41、示的声波振幅的数目越多，记录的音质也就越高。例如，16位声卡把音频信号的大小分为216=65536个量化等级来实施上述转换。目前一般的声卡最高采样频率可达96KHz；采样位数可达16位甚至32位；声道数为2，即立体声双声道，可同时采集两路信号，需要时还可选用多路输入的高档声卡或配置多块声卡；每路输入信号的最高频率可达22.05 KHz，输出16位的数字音频信号，而16位数字系统的信噪比可达96dB。LabVIEW把声卡的声道分为mono 8-bit(单声道8位)、mono 16-bit(单声道16位)、stereo 8-bit(立体声8位)和stereo 16-bit(立体声16位)。若用单声
42、道采样，左右声道信号都相同，而且幅值为原信号的1/2；用立体声采样，左右声道互不干扰，可以采集两路不同的信号，而且幅值与原信号相同。声卡的采样频率分为8000Hz、11025Hz、22050Hz和44100Hz，应根据具体情况采用合适的频率。本文根据主流声卡的性能指标，默认设置采样频率为44.1KHz，采样位数为16位，采样方式为单声道，这样采样的波形稳定，而且干扰小。声卡对外部信号的采样在起始部分会有几十个不稳定的数据，所以无特殊要求时忽略了前100个数据。图3-2声卡性能指标设置通过图3-2的设置选项我们将更轻松的设置声卡的性能指标,使其达到最加采集效果,将使以后进行数据分析的结果更加准确
43、,使采集到的信号波形也更加清晰,逼真。我们还可以通过不同的设置对分析结果进行对比，使设计的结果更加丰富。3.2 采集系统软件的实现数据采集模块根据用户设置的声音格式从声卡获得数据。采集到的数据及其频谱特性以直观的图形方式呈现于用户面前。该模块还提供保存所有或部分数据以及转到信号分析模块的功能。由于PCM波形音频格式输出的信号质量最好，所以本文使用该格式对信号进行数字化处理、存盘和重载。数据采集过程分为三步：(1)初始化/配置声卡；(2)采样；(3)释放声卡。图3-3数据采集系统结构上图表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间
44、环节。需要注意的两个问题是：是否使用Buffer？是否使用外触发启动、停止 或同步一个操作。下图为多通道模入波形采集AI Acquire Waveform.vi图3-4波形采集子videvice设备号。在NI 采集设置工具中设定。该参数告诉LabVIEW你使用什么卡，它可以使采集 VI自身独立于卡的类型，也就是说，如果你稍后使用了另一种卡，并且赋予它同样的设备号，你的VI程序可正常工作而无须修改。channels指定数据样本的物理源。例如，一个卡有16个模拟输入通道，你就可以同时采集16组数据点。在LabVIEW VI中，一个通道或一组通道都用一个字符串来指定。例如：表3-1 通道和通道串的对
45、应通道通道串通道55通道0到40：4通道1，8，以及10到131，8，10：13scan rate(1000 scans/sec)是在多通道采样时，分配给一个通道得到的样本速率，缺省值是1000/秒。number of samples/ch每通道要采集的样本数，缺省值是1000。high limit被测信号的最高电平，其缺省值是0。设为缺省值时系统将按照采集卡设置程序MAX中的设定处理。low limit被测信号的最低电平，其缺省值是0。设为缺省值时系统将按照采集卡设置程序MAX中的设定处理。high limit 和 low limit的值将决定采集系统的增益。对大多数卡输入信号变化的缺省值是
46、10V到-10V，如果你将其设为5到-5V，则增益为2。如果你将其设为1到-1V，则增益为10。如果你设置一个理论上的增益是得不到支持的，LabVIEW会自动将其调整到最近的预置值。典型的采集卡所支持的增益值有0.5,1,2,5,10,20,50,100。waveformsA/D转换后的输出，是一个二维的waveform数组，其每一列对应于一个输入通道，同时包含有反映时间信息的t0和t。下面是声卡采集的5个组建：图3-5声卡采集子vi图3-6开始、停止、清空子vi图3-7采样效果子vi3.3 本章小结如果在PC上配置多块声卡并行工作，完全可以构成一个多通道数据采集系统，满足特定应用范围内数据采集的需要。如果采用笔记本电脑则无需添加任何硬件就可以构成便携式测量系统。在声卡性能越来越好，成本越来越低，普及率越来越高的情况下，这种方法值得在工程测量应用及相关实验室中进一步推广和扩充。例如，对环境噪声进行实时监测，采集语音信号并进行分析和处理来实现语音识别，还可以实现示波器、信号发生器及万用表等设备在音频信号范围内的基本功能，其应用前景较为广阔。第4章 工频测量原理4.1 工频特性参数(1)交流电压有效值： 采集稳态时的电压瞬时值，采样时间根据有关参数需要确定。按照式(4-1)分别计算出各相电压的方均根值
