三、實驗器材

1. 計算機　1臺

2. SJ-8002B電子測量實驗箱（817V4.5）　１臺

3. SAMPO(FG1617)函數信號發生器（1Hz～1MHz）　1臺

4. TEK（TDS2012）雙蹤示波器（20MHz以上的模擬或數字示波器） 1臺

四、實驗原理

1.交流電壓測量方法

??? 傳統的交流電壓測量技術，大都是采用把交流電壓變換成直流電壓（AC/DC變換）后進行測量，即交流電壓通過檢波器后測量其直流電壓或電流。由于直流電壓及電流測量準確度可做的很高，因此交流電壓測量的準確度在很大程度上取決于檢波器的性能。使用檢波器類型不同，有峰值，均值，有效值方式的電壓表，各種方式的電壓表對不同的交流電壓波形（如正弦波，三角波和方波）的響應不同，欲測量電壓，往往有波形影響的誤差。

??????????

?? ?????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1
??? 一個交流電壓的大小，可以用有效值U，峰值，平均值等表征，若被測電壓的瞬時值為，則
?? 全波平均值為

????????????? 　　　????? （1）
?? 有效值為

? ?????????? 　　　　? （2）

?? 波形因數為??? 　　　?????????? （3）

?? 波峰因數為?? ?????????????? ?? （4）

?? 幾種典型電壓波形的U、、之間的換算關系見表1。

???????? ??????????? ???????????? ???????? ??????? 表1

??? 本實驗采用了與傳統方法完全不同的交流電壓測量的方法，它基于高速的A/D轉換技術測量出交流電壓的波形瞬時值，傳給計算機，由計算積按照式（1）～(3)進行計算，得到交流電壓的各種特征值。
??? 本實驗系統基于虛擬儀器構建的流數字電壓表通過實驗箱內的數據采集來實現的。被測的模擬電壓通過數據采集得到的離散的數字信號，由PC機運行虛擬儀器軟件按各種電壓的定義計算出被測電壓的有效值、均值或峰值。
??? 離散信號的電壓平均值及峰值的數學表達式如下所示：

?? 電壓有效值： ??????? 　　? 　???? （5）

?? 電壓平均值：　 ?????? 　 ???? （6）

? 電壓峰－峰值： ??????????? ????????? （7）

?? 在上面各式中，其中N為整周期倍數的采樣點總數，VK為第K次采樣值。

?? 與傳統的模擬電壓表相比，被測電壓的瞬時值數據量化更實時準確，而且很容易實現存儲、傳輸、處理等。在對交流電壓的測量，根據奈奎斯特采樣定理，采樣速率必須是信號最高頻率的兩倍以上，采樣頻率越高，時間軸上的信號分辨力就越高，所獲得的信號就越能反映原始信號的瞬時變化值。電壓測量的分辨率取決于A/D采樣器件的位數。
??? Ain1通道接入同樣的采樣時鐘，同時進行轉換。轉換后的數據經過緩沖器，送至SRAM鎖存。當一次采集完成后，由主機讀回數據，進行進一步的處理，如濾波、顯示等。
?? 數據寫入：AD9288在采樣時鐘CLK的控制下，將兩路輸入模擬信號數字離散為8bit數字信號經過數據緩沖器送至SRAM。地址由同一個地址計數器提供，該地址計數器為加/減計數器（采集數據時遞增，讀取時遞減）。這樣，每次采集所得數據都會順利的存入SRAM中。

2．交流電壓表的相關參數
?? 下面主要介紹一下每個電壓表的檔位對應的通道增益放大倍數，由于此電壓表分為了6檔，因此對應的關系如下表所示。
????????????????????????????????????????????????表2

?? 由于選用的A/D輸入范圍為1V，再考慮適當的過載的情況的話，
??? 以及對應的秒格序號（總的采集點數5000點）：
???????????????????????????????????????????????? 表3

?? 選用這些秒格序號的原因是，設采樣頻率為fs,總采樣點數為N，被測信號頻率為fx,則被測信號每周期采樣點數M=fs/fx,總的采樣點數為N時，信號周期數K=N/M=Nfs/fx.測量時，采樣的周期數>2，每周期采樣點數>100為好。

五 設計指導

??? 本實驗基于“SJ8002B電子測量實驗箱”的高速數據采集和基于PC機的虛擬儀器軟件平臺（LabView）構建，實現交流信號電壓和波形的測量，完成“虛擬存直流電壓表”的設計。SJ8002B的采集通道性能的控制。
?? 1．功能與前面板設計

?? 虛擬直流電壓表主要完成的是對信號發出的數據的采集和處理，并將其顯示在LabView的前面板上。因此，在虛擬直流電壓表的前面板上需要有峰值量程，頻率范圍，三組電壓值顯示，電壓值的指針顯示，采集波形顯示，量程和頻率出錯判斷。。根據SJ8002B高速數據采集的性能指標，我們使用了峰值量程的其中的六個檔位，分別為：100mV,1V,2.5V,5V,10V和25V，頻率范圍分為了：1Hz-100Hz,100Hz-1KHz,1KHz-10KHz,10KHz-1MHz。此外，界面上還有運行和退出控件，主要是執行測量電壓值的控制和退出面板的控制。

軟件流程如下所示：
??????? ???

??? 啟動虛擬儀器labview軟件開發環境，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。

?? 本程序用到的前面板控件有：
???? ??? ?? ??? ??? ??? ?? ??? ??? ?? ??? ?? 表 4

?? 3 動態鏈接庫的調用

??? 本程序設計的主要實現已經做成底層fp函數（用Labwindows/CVI實現），在程序實現時可直接調用實驗箱提供的驅動函數動態鏈接（即.dll函數），驅動函數原型及常數和變量在control_channel.prj中。程序設計時，應加入動態鏈接control_channel.dll。
?? 實現虛擬直流電壓表的驅動函數如表5所示：

??????? ???????????????????? ??????????????? 表 5

?? 動態鏈接調用舉例： int led_display(double display_data):
?? 在block panel中點擊右鍵：All functions>Advanced>Call library function node.

???????????????

???????????????????? ??? ?????????? 圖 2

?

雙擊圖圖標，將出現如圖3所示

????????????????????????? ????? 圖 3

?? 此時可根據調用函數的路徑，參數及名稱進行設置進行得

?? 4. 子VI的編寫與調用

??? 本程序除了調用了動態鏈接庫以外還編寫并調用了多個子VI，使得整個程序更加的緊湊和完善，子VI編寫過程和整個程序的編寫都是相同的。但不同的是在子VI的程序做好后要對其做輸入和輸出的引腳，以便在調用子VI的時候就能夠方便的進行程序的編寫。本程序在編寫中主要調用了以下的幾個子VI程序，如表6

???????????????????????????????????????????????????? 表 6

六、實驗步驟

?? 1. 采用實驗箱提供的虛擬交流電壓表進行測量的步驟如下：

? （1）按圖5所示各輸入輸出接頭連接實驗系統。

? （2）測量內部DDS信號源輸出的交流電壓：

?

?

?

? ? ???? ?? ???? ?? ??? ???? ??????????? 圖 5
????????????
??? 交流數字電壓表的輸入信號有兩種接法：（1）測外部信號發生器輸出的交流電壓，如圖5所示的①，由外部的信號發生器連接Ain1的BNC插頭；一種是如圖5所示的②，由實驗箱內的信號源Aout1(或者Aout2)連接實驗箱內的采集通道輸入Ain1的BNC接頭；同時可用示波器監測輸入信號的幅度和頻率，以便對測量結果進行對照和比較。

?? 軟件調試：
?? 首先對軟件的功能性測試，可以看到面板上有三組指示燈，超量程、欠量程和頻率出錯的指示。在這里可以分別對三組指示等分別測試功能是否正確。
?? 對超量程，首先輸入一個較大的信號，如5V峰值的正弦波，而虛擬交流電壓表則選擇幅格低于5V的檔位來進行測量，這時可以看到超量程的指示燈亮起，這就說明這個軟件實現了超量程判定的功能。
?? 同理，對于欠量程功能的判定，我們也可以選取一個400mV的正弦信號，而幅格則用5V/div的檔位。這時如果欠量程的指示燈亮起，則說明欠量程測量功能實現。
?? 對于頻率出錯，我們可以選用一個5KHz的電壓，而頻率范圍我們則選用在非5KHz的范圍，則可以看到頻率出錯指示燈亮。這時說明這個功能也成功實現。
?? 然后按照交流電壓表實驗運行交流電壓表程序進行電壓值的測量．

?? 2. 使用如圖6所示虛擬交流數字電壓表的面板，進行測量操作。

?????????????????????????????????????? 圖6 ? 虛擬交流數字電壓表面板
??? 使用說明：

? 3.交流電壓表實驗

表7

?

?????????????????
?????????????????????????????????????????????? 圖? 7

??????????????????

???????????????????????????????????????????????? 圖8

?????????????????

? ?? ???????? ??????? ???????????????? ??? 圖 9

? （２） 由外部信號源輸出不同頻率、峰值為1V的正弦（三角波、方波）電壓信號，用虛擬交流數字電壓表測量其有效值、平均值，并與理論值比較做誤差分析，并將測量和計算結果填入表8

?????????????????????????????????????????????????????????? 表8

?????????????????
?????????????????????????????????????????? 圖 10

????????????????????????????????????????????????????? ?????? 表9