虛擬儀器課程設(shè)計(jì)---虛擬功率分析儀設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　**學(xué)院</b></p><p>　　《虛擬儀器技術(shù)》課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題 目： 虛擬功率分析儀設(shè)計(jì) </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級(jí)：

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><

3、p>　　完成日期： </p><p><b>　　第 一 部 分</b></p><p><b>　　任</b></p><p><b>　　務(wù)</b></p><p><b>　　及</b>

4、;</p><p><b>　　指</b></p><p><b>　　導(dǎo)</b></p><p><b>　　書</b></p><p>　　《模擬電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)任務(wù)指導(dǎo)書</p><p>　　課題：虛擬功率分析儀設(shè)計(jì)</p><

5、;p>　　虛擬功率分析儀是在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。本課題將結(jié)合虛擬功率分析儀的設(shè)計(jì)過程，了解使用基于圖形化編程語言LabVIEW進(jìn)行虛擬儀器編程的方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。要求設(shè)計(jì)基于LabVIEW的虛擬功率分析儀，對(duì)同頻率的正弦電壓和正弦電流的有效值、相位差及其功率和瞬時(shí)功率進(jìn)行了測(cè)試和顯示，并給出連續(xù)信號(hào)經(jīng)采樣后電壓和電流有效值、功率和相位等電信號(hào)參數(shù)測(cè)量原理。并具有良好的可操作性和可維護(hù)性。</p>

6、<p>　　要求產(chǎn)生同頻率的仿真電壓、電流信號(hào)，它們的幅值、初相位、周期都可任意調(diào)節(jié)。通過數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)， 通過調(diào)節(jié)各參數(shù)，可正確測(cè)量有效值、相位差和有功功率。具體包括以下四個(gè)部分：</p><p>　　（1）計(jì)算瞬時(shí)功率和顯示瞬時(shí)功率的波形圖；</p><p>　　（2）計(jì)算相位差和功率因數(shù)；</p><p>　?。?）計(jì)算有功功率；<

7、;/p><p>　?。?）計(jì)算電壓有效值；</p><p><b>　　一.設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　?。?）掌握LabVIEW軟件編程方法</p><p>　?。?）掌握LabVIEW硬件的應(yīng)用</p><p>　?。?）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來指導(dǎo)實(shí)踐的能力</p><

8、p>　　二.設(shè)計(jì)所用儀器及器件</p><p>　　(1) NI公司的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)調(diào)理卡。NI DQA-6024卡，NI SC-2075卡各一套。</p><p>　　(2) PⅢ計(jì)算機(jī)一臺(tái)。</p><p>　　(3)各種相關(guān)的實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備。

9、 </p><p><b>　　三.實(shí)物內(nèi)容及要求</b></p><p>　　（1）設(shè)計(jì)成果一份。</p><p>　?。?）課程設(shè)計(jì)論文一份。</p><p><b>　　四.進(jìn)程安排</b&g

10、t;</p><p>　　1．布置任務(wù)、查閱資料，方案設(shè)計(jì)　?。▋商欤?lt;/p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，查閱參考資料，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及可行性論證，確定設(shè)計(jì)方案，畫出詳細(xì)的原理圖。</p><p>　　2．上機(jī)在LabVIEW環(huán)境下按要求進(jìn)行設(shè)計(jì) （三天）</p><p>　　要求在虛擬儀器上觀測(cè)到正確的波形并達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。</p&

11、gt;<p>　　3．硬件的裝配及調(diào)試　　（三天）</p><p>　　使用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行裝配調(diào)試，使其全面達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，最終通過驗(yàn)收。</p><p>　　4．總結(jié)報(bào)告　　 （一天）</p><p>　　五.課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容</p><p>　　總結(jié)設(shè)計(jì)過程，寫出設(shè)計(jì)報(bào)告，設(shè)計(jì)報(bào)告具體內(nèi)容要求如下：</p>

12、;<p>　　1．課程設(shè)計(jì)的目的和設(shè)計(jì)的任務(wù)</p><p>　　2．課程設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　3．總方案的確定并畫出原理框圖。</p><p>　　4．各基本單元原理及設(shè)計(jì) (結(jié)合設(shè)計(jì)圖寫)。</p><p>　　5．總原理圖，工作原理、工作特性（結(jié)合框圖及前面版講解）。</p><p&

13、gt;　　6．電路安裝、調(diào)試步驟及方法，調(diào)試中遇到的問題，及分析解決方法。</p><p>　　7．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，改進(jìn)意見及收獲。</p><p><b>　　8．體會(huì)。</b></p><p><b>　　第 二 部 分</b></p><p><b>　　課</b><

14、/p><p><b>　　程</b></p><p><b>　　設(shè)</b></p><p><b>　　計(jì)</b></p><p><b>　　報(bào)</b></p><p><b>　　告</b></p>

15、;<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)……………………………………………………………（1）</p><p>　　1.1 課程設(shè)計(jì)的目的…………………………………………………………（1）</p><p>　　1.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)…………………………………………………………（1）</

16、p><p>　　2設(shè)計(jì)的要求和技術(shù)指標(biāo)………………………………………………………（1）</p><p>　　2.1 課程設(shè)計(jì)的要求…………………………………………………………（1） </p><p>　　2.2 課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)……………………………………………………（1）</p><p>　　3設(shè)計(jì)總方案和原理框圖……………………………………

17、…………………（2）</p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)總方案………………………………………………………………（2）</p><p>　　3.2 總程序和前面板…………………………………………………………（3）</p><p>　　4各基本單元設(shè)計(jì)及原理………………………………………………………（5）</p><p>　　4.1信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)…

18、………………………………………………………（5）</p><p>　　4.2數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)……………………………………………………………（6）</p><p>　　4.3相位分析設(shè)計(jì)……………………………………………………………（7）</p><p>　　4.4功率分析設(shè)計(jì)……………………………………………………………（8）</p><p>　

19、　4.5選擇部分設(shè)計(jì)……………………………………………………………（9）</p><p>　　5電路的安裝與調(diào)試……………………………………………………………（11）</p><p>　　5.1電路的安裝與調(diào)試步驟…………………………………………………（11）</p><p>　　5.2 調(diào)試中遇到的問題及解決方法…………………………………………（11）</p

20、><p>　　6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和改進(jìn)意見……………………………………………………（12）</p><p>　　6.1模擬信號(hào)輸入……………………………………………………………（12）</p><p>　　6.2 采集信號(hào)輸入……………………………………………………………（13）</p><p>　　7 收獲與體會(huì)……………………………………………

21、……………………（14）</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………（15）</p><p><b>　　1設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)的目的</b></p><p>　　·掌握LabVIEW軟件編程方法</p

22、><p>　　·掌握LabVIEW硬件的應(yīng)用</p><p>　　·培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來指導(dǎo)實(shí)踐的能力</p><p>　　1.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)</p><p>　　要求設(shè)計(jì)基于LabVIEW的虛擬功率分析儀，對(duì)同頻率的正弦電壓和正弦電流的有效值、相位差及其功率和瞬時(shí)功率進(jìn)行了測(cè)試和顯示，并給出連續(xù)信號(hào)經(jīng)采樣后電壓和電流有

23、效值、功率和相位等電信號(hào)參數(shù)測(cè)量原理。</p><p>　　2設(shè)計(jì)的要求和技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　2.1 課程設(shè)計(jì)的要求</p><p>　　要求產(chǎn)生同頻率的仿真電壓、電流信號(hào)，它們的幅值、初相位、周期都可任意調(diào)節(jié)。通過數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)， 通過調(diào)節(jié)各參數(shù)，可正確測(cè)量有效值、相位差和有功功率。并具有良好的可操作性和可維護(hù)性。</p>&l

24、t;p>　　2.2 課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　·計(jì)算瞬時(shí)功率和顯示瞬時(shí)功率的波形圖；</p><p>　　·計(jì)算相位差和功率因數(shù)；</p><p><b>　　·計(jì)算有功功率；</b></p><p><b>　　·計(jì)算電壓有效值；</b>

25、</p><p>　　3設(shè)計(jì)總方案和原理框圖</p><p><b>　　3.1設(shè)計(jì)總方案</b></p><p>　　如圖3.1，總體方案是將采集到的電壓和電流信號(hào)采樣，再通過計(jì)算有效值、視在功率等計(jì)算出有功功率，并顯示出波形。信號(hào)可以有兩種方式獲取，方式0是用虛擬的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，方式1是通過采集板獲取外界信號(hào)。</p>

26、;<p>　　采用方式1時(shí)，外界信號(hào)通過采集板傳到電腦會(huì)有一定的失真或誤差，這時(shí)候調(diào)整到方式0可以用同樣幅值和頻率的信號(hào)來與之對(duì)比。</p><p>　　圖3.1 設(shè)計(jì)總方案</p><p>　　3.2 總程序和前面板</p><p>　　總程序由幾個(gè)子程序構(gòu)成，分別是：相位分析部分、功率分析部分和選擇部分。其中選擇部分包括信號(hào)發(fā)生部分、數(shù)據(jù)采集（DA

27、Q）部分。</p><p>　　如圖3.2.1為總原理框圖；圖3.2.2為總面板，可以控制輸入方式、輸入通道和更改波形數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖3.2.1 總原理框圖</p><p>　　圖3.2.2 總前面板</p><p>　　4各基本單元設(shè)計(jì)及原理</p><p>　　4.1信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)</p>

28、<p>　　通過設(shè)定參數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正弦波，可以同時(shí)調(diào)節(jié)它的幅值，頻率。</p><p>　　要產(chǎn)生同頻率的一個(gè)正弦電壓信號(hào)和一個(gè)正弦電流信號(hào)，可使用sine wave.vi節(jié)點(diǎn)來產(chǎn)生正弦波，尤其注意器輸入頻率=信號(hào)頻率/采樣頻率。具體原理見圖4.1.1。其前面板設(shè)計(jì)見圖4.1.2。</p><p>　　圖4.1.1 信號(hào)發(fā)生器部分原理框圖</p><p

29、>　　圖4.1.2 信號(hào)發(fā)生器部分前面板</p><p><b>　　4.2數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)</b></p><p>　　這部分用來采集信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓、電流信號(hào)。采集信號(hào)后在PC機(jī)上進(jìn)行顯示，顯示出其信號(hào)波形以及瞬時(shí)值。該部分的程序框圖見圖4.2.1，前面板見圖4.2.2。</p><p>　　圖4.2.1 數(shù)據(jù)采集部分框圖程序<

30、/p><p>　　圖4.2.2 數(shù)據(jù)采集部分前面板</p><p><b>　　4.3相位分析設(shè)計(jì)</b></p><p>　　DAQ 數(shù)據(jù)采集通道的數(shù)據(jù)輸入, 使用FFT 函數(shù)即FFTSpectrum(Mag- Phase).vi 進(jìn)行傅里葉變換,將信號(hào)由時(shí)域變換到頻域, 得到該信號(hào)的幅度譜和相位譜。通過對(duì)FFT Spectrum(Mag- Ph

31、ase)函數(shù)的view參數(shù)設(shè)置, 使輸出的信號(hào)的相位單位為度。從輸出的簇中。提取數(shù)組, 對(duì)數(shù)組進(jìn)行運(yùn)算, 得到兩同頻率信號(hào)的相位差。</p><p>　　圖4.3.1 相位差部分框圖程序</p><p>　　圖4.3.2 相位差部分前面板</p><p><b>　　4.4功率分析設(shè)計(jì)</b></p><p>　　這部分

32、涉及較多的計(jì)算，如電壓、電流的有效值，瞬時(shí)功率、有功功率等。</p><p>　　我們知道電壓和電流的有效值分別為：</p><p><b>　　，</b></p><p>　　這可以用Cycle Average and Rms.vi檢測(cè)出電壓和電流周期波形的均方根，即電壓和電流的有效值，分別記為U和I。根據(jù)在單相交流電中，視在功率S=電壓有效

33、值U*電流有效值I，求出視在功率。而有功功率=視在功率×功率因數(shù)。程序框圖見圖4.4.1，前面板見圖4.4.2。</p><p>　　圖4.4.1 功率分析部分框圖程序</p><p>　　圖4.4.2 功率分析部分前面板</p><p>　　4.5 選擇部分設(shè)計(jì)</p><p>　　據(jù)課題要求，需要分別產(chǎn)生一次模擬的電壓和電流信號(hào)

34、和使用數(shù)據(jù)采集卡采集一次電壓電流信號(hào)，故使用了選擇結(jié)構(gòu)來選擇是使用何種方式來產(chǎn)生需要進(jìn)行功率分析的信號(hào)。圖4.5.1為該部分的框圖程序，“0，Default”為產(chǎn)生模擬信號(hào)，使用了信號(hào)產(chǎn)生部分作為子程序，而“1”為使用DAQ采集信號(hào)，使用了DAQ部分作為子程序。圖4.5.2為該部分的前面板。</p><p>　　圖4.5.1 選擇部分框圖程序（0方式和1方式）</p><p>　　圖4.5

35、.2 選擇部分前面板</p><p><b>　　5電路的安裝與調(diào)試</b></p><p>　　5.1電路的安裝與調(diào)試步驟</p><p>　　1、信號(hào)發(fā)生器部分，這個(gè)部分在之前的虛擬儀器的試驗(yàn)中我們就做過了，所以十分的簡(jiǎn)單，我們花了很短的時(shí)間就把它做了出來，并且調(diào)試出了試驗(yàn)所需要的波形。</p><p>　　2、數(shù)據(jù)

36、采集部分，這部分之前采用了實(shí)驗(yàn)冊(cè)上的方法，采用雙通道的采集?？赏瑫r(shí)采集兩組數(shù)據(jù)，一組是電壓信號(hào)，一組是電流信號(hào)。由于這個(gè)之前試驗(yàn)也是做過的，所以我們也是很順利的就完成了這個(gè)部分。</p><p>　　3、相位分析部分，這個(gè)部分我們一開始還是沒有頭緒的，后來通過查閱資料，才知道可以通過FFT來實(shí)現(xiàn)相位差的計(jì)算，不過在畫圖的過程中我們遇到了很多的問題，比如有的模塊找不到，還有就是有些模塊即使找到了，但是它的功能不了解

37、，所以連線的時(shí)候就不知道怎么，后來通過努力還是連成功了。</p><p>　　4、功率分析部分，這個(gè)部分的話一開始我們通過看書，基本知道了這些數(shù)據(jù)如何得出，知道了它們的計(jì)算公式，然后再查找相應(yīng)功能的模塊，有效電壓有效電流，以及有功功率，都是比較容易得到的，這些知道之后很快我們就得出了結(jié)果。 </p><p>　　5、整個(gè)程序，完成了每一個(gè)過程最后形成一個(gè)完整的程序，只等待最后的調(diào)試成功，這

38、一次我們確遇到了問題，把每一個(gè)部分做成子VI后最后畫成總圖，但是由于我們沒有將所有的輸入量全部放在總圖上，而是需要在每一個(gè)子VI中輸入數(shù)據(jù)，這樣做就不對(duì)了，最后在老師的指導(dǎo)下，我們成功的將所有的輸入變量全部放在了總VI上。這樣我們整個(gè)程序就順利的完成了。</p><p>　　5.2 調(diào)試中遇到的問題及解決方法</p><p>　　調(diào)試是完成課題必不可少的部分，也是非常重要的部分。在一步步完

39、成課題的過程中，沒做完一個(gè)部分就要調(diào)試知道達(dá)到要求為止，最后再把各個(gè)部分合在一起綜合起來調(diào)試，最終要做到符合要求。</p><p>　　由于對(duì)DAQ的不熟悉，在通道的設(shè)置上首先就出了問題，比如不知道虛擬通道和實(shí)際通道怎么對(duì)應(yīng)，不知道采集兩路信號(hào)時(shí)需要將共地端接地。這些問題都解決了之后，我們發(fā)現(xiàn)采集到的信號(hào)經(jīng)常會(huì)失真，幾經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是接口接觸不良的問題，換了臺(tái)機(jī)子之后，就比較順利了。之后遇到的問題就是采集到的信號(hào)偶爾

40、會(huì)有些微失真，經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器上按了加窗的按鈕，導(dǎo)致產(chǎn)生的信號(hào)就解決了。</p><p>　　6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和改進(jìn)意見</p><p>　　6.1 模擬信號(hào)輸入</p><p>　　選擇方式 0時(shí)，通過虛擬的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)直接讀入虛擬儀器。這樣就能得到非常精確的功率數(shù)據(jù)和圖形。</p><p><b>　　6.

41、2采集信號(hào)輸入</b></p><p>　　選擇方式1時(shí)，外接函數(shù)信號(hào)發(fā)生器將信號(hào)輸入到信號(hào)采集卡中，再?gòu)臄?shù)據(jù)采集卡將信號(hào)讀入虛擬儀器。由于是從外接入信號(hào)，所以有一定的誤差，函數(shù)信號(hào)就不是非常精確，所以最后的功率圖也是有誤差的。</p><p><b>　　7 收獲與體會(huì)</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)持續(xù)了一周半，在這期間我

42、收獲了很多，也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處。下面就談?wù)勎业囊恍┬牡皿w會(huì)和改進(jìn)的方法。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)是基于LabVIEW即虛擬儀器的，虛擬儀器在現(xiàn)實(shí)測(cè)試方面能起到其他方法無法比擬的作用。它是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。</p><p>　　我們這次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是功率的分析與設(shè)計(jì)，由于時(shí)間有限，我所考慮的功率問

43、題非常有局限性。一般來說功率的大小為電壓和電流信號(hào)相乘然后在一個(gè)周期內(nèi)積分在除以周期的大小。但是由于我設(shè)計(jì)的是在單相交流點(diǎn)的基礎(chǔ)上即頻率恒為50Hz，所以這里的功率大小為電壓的有效值乘以電流的有效值再乘以功率因數(shù)。如果以后還有類似機(jī)會(huì)，我一定會(huì)彌補(bǔ)遺憾，考慮各種各樣的情況，力爭(zhēng)做到完美，做一個(gè)對(duì)用戶普遍使用的功率分析儀。</p><p>　　這次的課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺。LabVIEW這個(gè)圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境

44、提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，較之其他的變成軟件，既形象又便捷，使用起來非常順手。</p><p>　　在剛開始的時(shí)候我就發(fā)現(xiàn)了自己的不足，例如對(duì)基本概念的沒有理解透徹，沒有太多的創(chuàng)新理念等等。之后我就特別注意這些方面并努力去改變，提高自己的能力。在大學(xué)的最后一個(gè)學(xué)期里，我計(jì)劃盡力將每一份工作都盡力做到最好，而這個(gè)部分是一個(gè)很好的開端。</p><p><b>