基于虛擬儀器的多路電壓測量的設計與實現

陳世超

（四川大學 四川 成都 610064）

傳統的數字電壓表采用的A／D轉換器件和通用集成邏輯器件來設計，這樣的設計比較固定不便于系統的修改和升級，缺乏靈活性。以單片機為核心的數字電壓表設計是目前使用作為廣泛的設計方式，但它的功能修改及調試需要硬件電路的支持。本文設計的虛擬儀器的多路電壓測量可以很好的克服這一缺點，它能夠很高的實現可擴張性，同時能夠準確穩定的實現多路直流電壓的測量以及交流電壓的頻率的準確測量。

現代測量儀器系統正向著智能化、自動化、小型化、模塊化和開放系統的方向發展，基于虛擬儀器的電子測量儀器可滿足這種要求。用虛擬儀器技術完成的多路數字電壓表利于系統的集成，提高和系統的測量精度，適合廣泛應用于實驗室測量，解決科研投資和維護等問題。

1 系統設計及原理

系統的構成見圖1所示，該系統大致有三部分構成，待測電壓經過采集卡把數據傳入pc機，經過LabVIEW對采集的數據進行分析，從而判斷其電壓類型，從而顯示。傳統的數字電壓表的直流和交流的區分是通過選擋實驗區分的，本系統可以首先待測電壓的類型進行判斷。

圖1 系統構成圖Fig.1 Picture of system configuration

數據采集是LabVIEW的核心技術之一。也是LabVIEW與其他編程語言相比的優勢所在。本系統采用的數據采集卡NI公司生產的數據采集設備NI USB-6008。NI USB-6008可提供 8個模擬輸入（AI）通道、2個模擬輸出（AO）通道、12個數字輸入/輸出（DIO）通道以及一個帶全速USB接口的32位計數器。采集信號的電壓范圍-10～+10 v，最大采樣率10 kS/s。由于NI USB-6008可提供8個模擬輸入，這就說明該系統至少可以實現八路數字電壓的測量，它的電壓范圍也就這該系統可以測量電壓的量程。

2 基于LabVJEW的軟件程序設計

文中設計的三路電壓測試程序如圖2所示，改程序分為4個部分，待測電壓讀取部分，電壓類別分析部分，電壓幅度計算和頻率計算部分及電壓和頻率顯示部分，由于該采集卡可接受8路信號，所以改程序還可擴展5路信號，該系統可以很方便的實現其擴展。該系統采樣率為200 Hz，采集的類型為多通道多點采集方式。下面介紹具體模塊的設計思想。

2.1 電壓類型判斷

直流電壓是指大小和方向均不隨時間變化的電壓，交流電壓是指大小和方向隨時間變化而變化的電壓。根據它們的定義可以知道直流電壓大大小隨時間不變，所以，只需要把采集前后的點相比較，從而判斷電壓的類型。改程序的具體實現如圖3所示，利用求平均值的模塊把采集到的數據平均，然后和采集到的每個數據進行比較，他們差的絕對值是否為零是判斷直流和交流的條件。

圖2 三路電壓測量程序Fig.2 Three-way voltage measurement procedure

圖3 電壓類型判斷Fig.3 Voltage type of judgment

2.2 電壓測量與顯示

電壓的測量可區分為直流電壓的測量，直流電壓只需測量出它的幅度即可，而交流電壓不僅要計算出它的幅度還有精確的測量出它的頻率。直流電壓的顯示如圖4所示，前面板由輸入控制和輸出顯示兩部分組成，操作方便，界面友好。輸入控制用來控制系統的運行方式，決定測量的開關。輸出顯示用來顯示測量的結果，同時，面板上模擬了指針式儀表的指針，用來指示被測量的大小。兩個布爾數組指示燈控件分別顯示每次比較結果和是否超出量程，由于測試存在隨機性，程序還設計了自動報警功能。

圖4 直流電壓顯示Fig.4 DC voltage display

基于對交流電壓表原理的分析，在設計的過程中，利用LabVEW提供的工具模塊對采集的電壓信號通過不同形式的檢波、計算等處理分析得出交流電壓信號的有效值、峰值和平均值。對于一個純粹的交流電壓，正半周期信號和負半周期信號對稱，平均值等于零，所以一般我們不直接測量平均值。 在設計時，按 Functions＞＞Nu-meric＞＞Absolute value 取交流電壓的絕對值，然后求平均值，即全波平均值；交流電壓中的最大值，即為峰值。可以把數據進行比較求出最大值，可通過Waveform.MinMax來進行處理；用DC value測量直流分量和用RMS value測量有效值。這樣即把有賴于硬件電路的測試全部由軟件來實現，提高系統的性能及集成度。其設計的程序框圖如圖5所示。頻率的測量是通過利用Peak Detector找到最大點，而兩個最大點的間隔就是周期，為了保證測量的準確性，我們在這里加上了閾值，從而保證測試的準確性，由于采用的采樣率為200 Hz，可根據間隔數算出頻率。基于USB6008設計的電壓表，采樣正弦信號的最高頻率為2 000 Hz，顯示波形的最高幅度為7 V。

3 系統分析

圖5 交流電壓測量Fig.5 AC voltage measurement

虛擬直流電壓表針對不同的電壓輸入，其量程的大小影響測試的精度，在測量電壓時，應使被測電壓在量程的2／3以上。一般量程應選定在被測電壓的3倍值以上。當輸入直流測試信號在0～3 V時，測試的量程應選在10 V，其測試的誤差基本為0.001 2 V。交流測試時，利用信號發生器發出測試信號，將虛擬電壓表和萬用表與示波器的測試值進行比較，虛擬電壓表測試值如表1所示。在測試中，應注意合理設置采樣率，其是減小測量誤差的重要途徑。通過下表可以看出虛擬儀器設計出來的多路數字電壓表的測量的準確性還是比較高的，可以很好的滿足實驗室的測試要求，能夠很好的應用的電路的電壓測量中。

4 結束語

基于DAQ及LabVIEW的數字電壓表能夠實現數字電壓表的功能，可視化的前面板控件構造儀器的用戶界面，人機交互性強，界面友好。經過調試、運行，該設計能滿足實驗室用數字電壓表的設計要求；且系統功能擴展方便，通過增加部分軟件，就可以實現多路測量的功能，可解決現有實驗設備的技術更新與維護困難等難題。

表1 虛擬儀器測得的電壓Tab.1 virtual instrument measured voltage

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