虚拟仪器课程设计虚拟功率分析仪设计.docx
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虚拟仪器课程设计虚拟功率分析仪设计
**学院
《虚拟仪器技术》课程设计
题目:
虚拟功率分析仪设计
专业:
班级:
学号:
姓名:
指导教师:
完成日期:
第一部分
任
务
及
指
导
书
《模拟电子技术》课程设计任务指导书
课题:
虚拟功率分析仪设计
虚拟功率分析仪是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。
本课题将结合虚拟功率分析仪的设计过程,了解使用基于图形化编程语言LabVIEW进行虚拟仪器编程的方法与实现技术。
要求设计基于LabVIEW的虚拟功率分析仪,对同频率的正弦电压和正弦电流的有效值、相位差及其功率和瞬时功率进行了测试和显示,并给出连续信号经采样后电压和电流有效值、功率和相位等电信号参数测量原理。
并具有良好的可操作性和可维护性。
要求产生同频率的仿真电压、电流信号,它们的幅值、初相位、周期都可任意调节。
通过数据采集卡将信号送入计算机,通过调节各参数,可正确测量有效值、相位差和有功功率。
具体包括以下四个部分:
(1)计算瞬时功率和显示瞬时功率的波形图;
(2)计算相位差和功率因数;
(3)计算有功功率;
(4)计算电压有效值;
一.设计目的
(1)掌握LabVIEW软件编程方法
(2)掌握LabVIEW硬件的应用
(3)培养综合应用所学知识来指导实践的能力
二.设计所用仪器及器件
(1)NI公司的数据采集和信号调理卡。
NIDQA-6024卡,NISC-2075卡各一套。
(2)PⅢ计算机一台。
(3)各种相关的实验材料和设备。
三.实物内容及要求
(1)设计成果一份。
(2)课程设计论文一份。
四.进程安排
1.布置任务、查阅资料,方案设计 (两天)
根据设计要求,查阅参考资料,进行方案设计及可行性论证,确定设计方案,画出详细的原理图。
2.上机在LabVIEW环境下按要求进行设计(三天)
要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。
3.硬件的装配及调试 (三天)
使用数据采集卡进行装配调试,使其全面达到规定的技术指标,最终通过验收。
4.总结报告 (一天)
五.课程设计报告内容
总结设计过程,写出设计报告,设计报告具体内容要求如下:
1.课程设计的目的和设计的任务
2.课程设计的要求及技术指标
3.总方案的确定并画出原理框图。
4.各基本单元原理及设计(结合设计图写)。
5.总原理图,工作原理、工作特性(结合框图及前面版讲解)。
6.电路安装、调试步骤及方法,调试中遇到的问题,及分析解决方法。
7.实验结果分析,改进意见及收获。
8.体会。
第二部分
课
程
设
计
报
告
目录
1设计的目的和任务……………………………………………………………
(1)
1.1课程设计的目的…………………………………………………………
(1)
1.2课程设计的任务…………………………………………………………
(1)
2设计的要求和技术指标………………………………………………………
(1)
2.1课程设计的要求…………………………………………………………
(1)
2.2课程设计的技术指标……………………………………………………
(1)
3设计总方案和原理框图………………………………………………………
(2)
3.1设计总方案………………………………………………………………
(2)
3.2总程序和前面板…………………………………………………………(3)
4各基本单元设计及原理………………………………………………………(5)
4.1信号发生器设计…………………………………………………………(5)
4.2数据采集设计……………………………………………………………(6)
4.3相位分析设计……………………………………………………………(7)
4.4功率分析设计……………………………………………………………(8)
4.5选择部分设计……………………………………………………………(9)
5电路的安装与调试……………………………………………………………(11)
5.1电路的安装与调试步骤…………………………………………………(11)
5.2调试中遇到的问题及解决方法…………………………………………(11)
6实验结果分析和改进意见……………………………………………………(12)
6.1模拟信号输入……………………………………………………………(12)
6.2采集信号输入……………………………………………………………(13)
7收获与体会…………………………………………………………………(14)
参考文献………………………………………………………………………(15)
1设计的目的和任务
1.1课程设计的目的
·掌握LabVIEW软件编程方法
·掌握LabVIEW硬件的应用
·培养综合应用所学知识来指导实践的能力
1.2课程设计的任务
要求设计基于LabVIEW的虚拟功率分析仪,对同频率的正弦电压和正弦电流的有效值、相位差及其功率和瞬时功率进行了测试和显示,并给出连续信号经采样后电压和电流有效值、功率和相位等电信号参数测量原理。
2设计的要求和技术指标
2.1课程设计的要求
要求产生同频率的仿真电压、电流信号,它们的幅值、初相位、周期都可任意调节。
通过数据采集卡将信号送入计算机,通过调节各参数,可正确测量有效值、相位差和有功功率。
并具有良好的可操作性和可维护性。
2.2课程设计的技术指标
·计算瞬时功率和显示瞬时功率的波形图;
·计算相位差和功率因数;
·计算有功功率;
·计算电压有效值;
3设计总方案和原理框图
3.1设计总方案
如图3.1,总体方案是将采集到的电压和电流信号采样,再通过计算有效值、视在功率等计算出有功功率,并显示出波形。
信号可以有两种方式获取,方式0是用虚拟的信号发生器产生标准的信号,方式1是通过采集板获取外界信号。
采用方式1时,外界信号通过采集板传到电脑会有一定的失真或误差,这时候调整到方式0可以用同样幅值和频率的信号来与之对比。
图3.1设计总方案
3.2总程序和前面板
总程序由几个子程序构成,分别是:
相位分析部分、功率分析部分和选择部分。
其中选择部分包括信号发生部分、数据采集(DAQ)部分。
如图3.2.1为总原理框图;图3.2.2为总面板,可以控制输入方式、输入通道和更改波形数据。
图3.2.1总原理框图
图3.2.2总前面板
4各基本单元设计及原理
4.1信号发生器设计
通过设定参数发生器产生一个正弦波,可以同时调节它的幅值,频率。
要产生同频率的一个正弦电压信号和一个正弦电流信号,可使用sinewave.vi节点来产生正弦波,尤其注意器输入频率=信号频率/采样频率。
具体原理见图4.1.1。
其前面板设计见图4.1.2。
图4.1.1信号发生器部分原理框图
图4.1.2信号发生器部分前面板
4.2数据采集设计
这部分用来采集信号发生器产生的电压、电流信号。
采集信号后在PC机上进行显示,显示出其信号波形以及瞬时值。
该部分的程序框图见图4.2.1,前面板见图4.2.2。
图4.2.1数据采集部分框图程序
图4.2.2数据采集部分前面板
4.3相位分析设计
DAQ数据采集通道的数据输入,使用FFT函数即FFTSpectrum(Mag-Phase).vi进行傅里叶变换,将信号由时域变换到频域,得到该信号的幅度谱和相位谱。
通过对FFTSpectrum(Mag-Phase)函数的view参数设置,使输出的信号的相位单位为度。
从输出的簇中。
提取数组,对数组进行运算,得到两同频率信号的相位差。
图4.3.1相位差部分框图程序
图4.3.2相位差部分前面板
4.4功率分析设计
这部分涉及较多的计算,如电压、电流的有效值,瞬时功率、有功功率等。
我们知道电压和电流的有效值分别为:
,
这可以用CycleAverageandRms.vi检测出电压和电流周期波形的均方根,即电压和电流的有效值,分别记为U和I。
根据在单相交流电中,视在功率S=电压有效值U*电流有效值I,求出视在功率。
而有功功率=视在功率×功率因数。
程序框图见图4.4.1,前面板见图4.4.2。
图4.4.1功率分析部分框图程序
图4.4.2功率分析部分前面板
4.5选择部分设计
据课题要求,需要分别产生一次模拟的电压和电流信号和使用数据采集卡采集一次电压电流信号,故使用了选择结构来选择是使用何种方式来产生需要进行功率分析的信号。
图4.5.1为该部分的框图程序,“0,Default”为产生模拟信号,使用了信号产生部分作为子程序,而“1”为使用DAQ采集信号,使用了DAQ部分作为子程序。
图4.5.2为该部分的前面板。
图4.5.1选择部分框图程序(0方式和1方式)
图4.5.2选择部分前面板
5电路的安装与调试
5.1电路的安装与调试步骤
1、信号发生器部分,这个部分在之前的虚拟仪器的试验中我们就做过了,所以十分的简单,我们花了很短的时间就把它做了出来,并且调试出了试验所需要的波形。
2、数据采集部分,这部分之前采用了实验册上的方法,采用双通道的采集。
可同时采集两组数据,一组是电压信号,一组是电流信号。
由于这个之前试验也是做过的,所以我们也是很顺利的就完成了这个部分。
3、相位分析部分,这个部分我们一开始还是没有头绪的,后来通过查阅资料,才知道可以通过FFT来实现相位差的计算,不过在画图的过程中我们遇到了很多的问题,比如有的模块找不到,还有就是有些模块即使找到了,但是它的功能不了解,所以连线的时候就不知道怎么,后来通过努力还是连成功了。
4、功率分析部分,这个部分的话一开始我们通过看书,基本知道了这些数据如何得出,知道了它们的计算公式,然后再查找相应功能的模块,有效电压有效电流,以及有功功率,都是比较容易得到的,这些知道之后很快我们就得出了结果。
5、整个程序,完成了每一个过程最后形成一个完整的程序,只等待最后的调试成功,这一次我们确遇到了问题,把每一个部分做成子VI后最后画成总图,但是由于我们没有将所有的输入量全部放在总图上,而是需要在每一个子VI中输入数据,这样做就不对了,最后在老师的指导下,我们成功的将所有的输入变量全部放在了总VI上。
这样我们整个程序就顺利的完成了。
5.2调试中遇到的问题及解决方法
调试是完成课题必不可少的部分,也是非常重要的部分。
在一步步完成课题的过程中,没做完一个部分就要调试知道达到要求为止,最后再把各个部分合在一起综合起来调试,最终要做到符合要求。
由于对DAQ的不熟悉,在通道的设置上首先就出了问题,比如不知道虚拟通道和实际通道怎么对应,不知道采集两路信号时需要将共地端接地。
这些问题都解决了之后,我们发现采集到的信号经常会失真,几经实验发现是接口接触不良的问题,换了台机子之后,就比较顺利了。
之后遇到的问题就是采集到的信号偶尔会有些微失真,经过检查后发现一台信号发生器上按了加窗的按钮,导致产生的信号就解决了。
6实验结果分析和改进意见
6.1模拟信号输入
选择方式0时,通过虚拟的函数信号发生器产生信号直接读入虚拟仪器。
这样就能得到非常精确的功率数据和图形。
6.2采集信号输入
选择方式1时,外接函数信号发生器将信号输入到信号采集卡中,再从数据采集卡将信号读入虚拟仪器。
由于是从外接入信号,所以有一定的误差,函数信号就不是非常精确,所以最后的功率图也是有误差的。
7收获与体会
课程设计持续了一周半,在这期间我收获了很多,也发现了自己的不足之处。
下面就谈谈我的一些心得体会和改进的方法。
这次设计是基于LabVIEW即虚拟仪器的,虚拟仪器在现实测试方面能起到其他方法无法比拟的作用。
它是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。
虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。
我们这次课程设计的任务是功率的分析与设计,由于时间有限,我所考虑的功率问题非常有局限性。
一般来说功率的大小为电压和电流信号相乘然后在一个周期内积分在除以周期的大小。
但是由于我设计的是在单相交流点的基础上即频率恒为50Hz,所以这里的功率大小为电压的有效值乘以电流的有效值再乘以功率因数。
如果以后还有类似机会,我一定会弥补遗憾,考虑各种各样的情况,力争做到完美,做一个对用户普遍使用的功率分析仪。
这次的课程设计让我受益匪浅。
LabVIEW这个图形化的编程语言的开发环境提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径,较之其他的变成软件,既形象又便捷,使用起来非常顺手。
在刚开始的时候我就发现了自己的不足,例如对基本概念的没有理解透彻,没有太多的创新理念等等。
之后我就特别注意这些方面并努力去改变,提高自己的能力。
在大学的最后一个学期里,我计划尽力将每一份工作都尽力做到最好,而这个部分是一个很好的开端。
参考文献
[1]《虚拟仪器技术分析与设计》张重雄编.电子工业出版社.2007-08
[2]《虚拟仪器技术分析与应用》张毅德国编著.机械工业出版社.2004-02
[3]《LabWIEW程序设计与应用(第二版)》杨乐平等编著.电子工业出版社.2003-01
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- 关 键 词:
- 虚拟仪器 课程设计 虚拟 功率 分析 设计