第9章++教學(xué)用虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn).ppt

第9章教學(xué)用虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 9 1熟悉LabVIEW軟件平臺(tái)環(huán)境類9 2基本訓(xùn)練類實(shí)驗(yàn)9 3信號(hào)分析處理類虛擬儀器9 4虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)本章小結(jié) 9 1熟悉LabVIEW軟件平臺(tái)環(huán)境類 練習(xí)9 1 在NewVI環(huán)境對(duì)窗口命名與存放已命名的VI 1 練習(xí)內(nèi)容練習(xí)對(duì)前面板開發(fā)窗口及流程圖編輯窗口的命名與文件的存放路徑 2 具體任務(wù)擬設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬速度記錄儀 將untitled1前面板開發(fā)窗口和untitled1diagram編輯窗口分別命名為velocity vi和velocity vi 并存放在c measurement目錄下 練習(xí)9 2 在OpenVI環(huán)境下 尋找用戶命名的VI 用兩種方式找出曾經(jīng)在NewVI環(huán)境下命名為velocity vi的虛擬速度記錄儀 練習(xí)9 3 在OpenVI環(huán)境下 尋找FileDialog 文件管理 對(duì)話框中已列入的VI 1 找出虛擬輸入 輸出值記錄儀 TestSequencer vi 2 練習(xí)使用虛擬輸入 輸出值記錄儀 假設(shè)測(cè)量序列值為12 23 34 41 10 45或其它將上述測(cè)量序列值輸入到數(shù)字輸入控件 觀察輸出顯示器的顯示值 二者應(yīng)該相同 9 2基本訓(xùn)練類實(shí)驗(yàn) 練習(xí)9 4 虛擬比較器功能校驗(yàn)儀 1 練習(xí)目的 1 學(xué)習(xí)虛擬儀器設(shè)計(jì)的基本方法 常用工具的使用方法和設(shè)計(jì)全過程 2 學(xué)習(xí)圖標(biāo)功能的檢驗(yàn)方法 3 學(xué)習(xí)WhileLoop結(jié)構(gòu)圖標(biāo)的一種應(yīng)用方法 2 練習(xí)內(nèi)容 1 設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬比較器功能檢驗(yàn)儀 該檢驗(yàn)儀可對(duì)比較運(yùn)算圖標(biāo)的功能進(jìn)行檢驗(yàn) 用戶可鍵入輸入量x 參考量y 將x與y的值進(jìn)行比較 當(dāng)x y時(shí) 給出顯示值 True 當(dāng)x y時(shí) 給出顯示值 False 校驗(yàn)儀具有狀態(tài)控制開關(guān) 使校驗(yàn)儀可處在兩種工作模式 校驗(yàn) 和 不校驗(yàn) 2 練習(xí)使用Boolean控制子模板中的開關(guān) Switch 類控件與WhileLoop結(jié)構(gòu)圖標(biāo)相結(jié)合 實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)儀的兩種狀態(tài)控制 3 練習(xí)圖標(biāo)端口的兩種生成方法 在流程圖編輯窗口放置比較運(yùn)算圖標(biāo) 在前面板設(shè)計(jì)窗口放置控件 3 設(shè)計(jì)與主要步驟提示 1 有關(guān)詳細(xì)的VI設(shè)計(jì)步驟參閱8 1節(jié)與 示例8 1 2 交替進(jìn)行前面板與流程圖的設(shè)計(jì) 3 前面板上應(yīng)放置三個(gè)數(shù)字控件和一個(gè)開關(guān)型控件 數(shù)字控件1 2 為輸入控制型 可由用戶分別鍵入輸入量x與參考量y的數(shù)值 數(shù)字控件3 為輸出顯示型 可顯示 True 或 False 開關(guān)型控件 實(shí)現(xiàn)VI的兩種狀態(tài) 校驗(yàn) 和 不校驗(yàn) 4 試分別用兩種方法生成圖標(biāo)端口 5 運(yùn)行檢驗(yàn) 令y 20 65 在0 21范圍內(nèi)鍵入x值 觀察校驗(yàn)儀顯示狀態(tài) 觀察校驗(yàn)儀的狀態(tài)控制開關(guān)的功能 6 存盤 退出LabVIEW 練習(xí)9 5 虛擬壓力單位轉(zhuǎn)換器 1 練習(xí)目的 1 通過本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步掌握虛擬儀器的基本設(shè)計(jì)方法 常用工具的使用方法與設(shè)計(jì)步驟 2 學(xué)習(xí)乘法運(yùn)算圖標(biāo)的使用方法 3 學(xué)習(xí)Case結(jié)構(gòu)圖標(biāo)的使用方法 2 練習(xí)內(nèi)容 1 設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬壓力單位轉(zhuǎn)換器 該轉(zhuǎn)換器可將英制壓力單位表示的壓力值轉(zhuǎn)換為符合我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓力單位表示值 轉(zhuǎn)換關(guān)系為1PSI 6890Pa 用戶可鍵入用英制壓力單位PSI表示的壓力值 5 350 PSI 也可向同一數(shù)字控件鍵入由國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單位Pa表示的壓力值 34500 2 4 106 Pa 由數(shù)字顯示控件顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果 即用單位Pa表示的壓力值 或用單位PSI表示的壓力值 輸入與輸出單位制壓力值的轉(zhuǎn)換方向由一開關(guān)控件來實(shí)現(xiàn) 2 練習(xí)圖標(biāo)端口的生成方法 任選擇一種生成方法 3 練習(xí)使用Case結(jié)構(gòu) 3 設(shè)計(jì)與主要練習(xí)步驟提示 1 有關(guān)詳細(xì)的VI設(shè)計(jì)步驟參看2 3 2 1小節(jié) 2 4 2 1節(jié)及 示例8 4 有關(guān)內(nèi)容 2 前面板上應(yīng)放置兩個(gè)數(shù)字控件和一個(gè)開關(guān)型控件 數(shù)字控件1 為輸入控制型 可由用戶鍵入壓力值 數(shù)字控件2 為輸出顯示型 可顯示兩種單位Pa PSI壓力值的轉(zhuǎn)換結(jié)果 開關(guān)型控件 控制兩種壓力值單位Pa與PSI的轉(zhuǎn)換方向 Pa PSI與PSI Pa 3 任選一種方法生成圖標(biāo)的端口 4 運(yùn)行校驗(yàn)及其它參閱 示例8 2 練習(xí)9 6 鐵 康銅熱電偶非線性校正儀 1 練習(xí)目的 1 學(xué)習(xí)用曲線擬合法實(shí)現(xiàn)非線性校正 2 學(xué)習(xí)乘法 加法器圖標(biāo)的使用方法 3 學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)流檢查與觀測(cè)的方法 2 練習(xí)內(nèi)容 1 設(shè)計(jì)一個(gè)鐵 康銅熱電偶非線性校正儀 該非線性校正儀能在 0 400 溫度范圍內(nèi)自動(dòng)根據(jù)式 8 12 校正鐵 康銅熱電偶非線性特性 重寫式 8 12 如下 T b4E4 b3E3 b2E2 b1E1 b4E b3 E b2 E b1 E式中b1 19 75095 b2 0 18542600b3 0 0083683958 b4 0 0001328568 用戶可鍵入鐵 康銅熱電偶的熱電勢(shì)值E 范圍為 0 000 21 468 mV 非線性校正儀能按式 8 12 給出對(duì)應(yīng)熱電勢(shì)值E的溫度值T 校正與否由開關(guān)控件控制 校正儀的工作狀態(tài) 校正 或 不校正 2 練習(xí)圖標(biāo)端口的生成方法 任選擇一種生成方法 3 練習(xí)使用Case結(jié)構(gòu) 3 設(shè)計(jì)與主要練習(xí)步驟提示 1 有關(guān)校正原理及VI設(shè)計(jì)詳細(xì)資料參閱2 3 2 1小節(jié) 2 4 1節(jié)及 示例8 4 2 運(yùn)行檢驗(yàn) 檢驗(yàn)輸入熱電勢(shì)值E 0mV 5 268mV 10 777mV 16 325mV和21 846mV時(shí) 校正儀應(yīng)相應(yīng)顯示溫度T 0 100 200 300 400 觀察與記錄各加法器與乘法器節(jié)點(diǎn)輸出端的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)流的觀測(cè)方法參見8 1節(jié) 9 3信號(hào)分析處理類虛擬儀器 練習(xí)9 7 虛擬正弦波仿真信號(hào)生成器 1 練習(xí)目的練習(xí)Sine vi圖標(biāo)的使用方法 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 8 練習(xí)9 8 自相關(guān)函數(shù)儀 1 練習(xí)目的 1 學(xué)習(xí)Autocorelation vi圖標(biāo)的使用方法 2 分析該圖標(biāo)的算法與通常的算法有什么不同 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 9 練習(xí)9 9 相關(guān)法測(cè)量相位差仿真儀 1 練習(xí)目的學(xué)習(xí)Crosscorelation vi圖標(biāo)的使用方法 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 10 練習(xí)9 10 信號(hào)頻譜分析演示儀 1 練習(xí)目的 1 學(xué)習(xí)RealFFT v 圖標(biāo)的使用方法 2 觀察正弦波通過FFT法后的幅值譜 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 11 練習(xí)9 11 方波信號(hào)頻譜分析演示儀 1 練習(xí)目的 1 學(xué)習(xí)RealFFT vi圖標(biāo)的使用方法 2 觀察方波通過FFT法后的幅值譜 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 12 練習(xí)9 12 ButterworthFilter vi圖標(biāo)頻率特性演示儀 1 練習(xí)目的 1 學(xué)習(xí)ButterworthFilter vi圖標(biāo)的使用方法 2 觀察不同頻率正弦波通過ButterworthFilter vi后的波形 并進(jìn)而獲得它的幅頻特性 3 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 14 練習(xí)9 13 ChebishevFilter vi圖標(biāo)頻率特性演示儀 1 練習(xí)目的 1 學(xué)習(xí)ChebishevFilter vi圖標(biāo)的使用方法 2 觀察不同頻率正弦波通過ChebishevFilter vi后的波形 3 分析二階切比雪夫低通濾波器的幅頻特性的特點(diǎn) 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 15 練習(xí)9 14 虛擬巴特沃斯濾波器 1 練習(xí)目的 1 學(xué)習(xí)ButterworthFilter vi圖標(biāo)的使用方法 2 觀察不同頻率方波通過ButterworthFilter vi后的波形 并進(jìn)而獲得它的幅頻特性 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 16 練習(xí)9 15 調(diào)幅波解調(diào)器 1 練習(xí)目的觀察調(diào)幅波以及經(jīng)過巴特沃斯濾波器后的解調(diào)信號(hào)波形 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 17 練習(xí)9 16 直線擬合演示儀 1 練習(xí)目的學(xué)習(xí)LinearFit vi圖標(biāo)的使用方法 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 18 練習(xí)9 17 多項(xiàng)式擬合演示儀 1 練習(xí)目的學(xué)習(xí)GeneralPolynomialFit vi圖標(biāo)的使用方法 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 19 練習(xí)9 18 正弦波多值表 1 練習(xí)目的 1 學(xué)習(xí)Mean vi Rms vi和Variance vi圖標(biāo)的使用方法 2 熟悉正弦波信號(hào)的絕對(duì)平均值 方差 均方根值 有效值 的公式 2 練習(xí)內(nèi)容實(shí)現(xiàn) 示例8 20 練習(xí)9 19 過程信號(hào)多值記錄儀 1 練習(xí)目的 1 學(xué)習(xí)用數(shù)據(jù)采集的子VI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 2 學(xué)習(xí)Mean vi和Variance vi圖標(biāo)的使用方法 2 練習(xí)內(nèi)容顯示數(shù)據(jù)采集的波形 顯示過程信號(hào)的平均值和方差 有關(guān)內(nèi)容參考 練習(xí)9 18 和 示例8 24 9 4虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn) 9 4 1壓力傳感器系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定與技術(shù)指標(biāo)的確定9 4 1 1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 學(xué)習(xí)1151電容式傳感器與壓阻式壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定 2 學(xué)習(xí)根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)確定技術(shù)指標(biāo) 3 了解壓力測(cè)量系統(tǒng)的組建過程 并會(huì)確定各個(gè)部分的主要參數(shù) 9 4 1 2預(yù)習(xí)要求 1 仔細(xì)閱讀關(guān)于傳感器靜態(tài)特性質(zhì)量指標(biāo)的內(nèi)容 2 了解活塞式壓力計(jì)的使用方法 3 了解1151電容式壓力變送器及CYJ 101壓阻式壓力傳感器的工作原理 4 設(shè)壓阻式壓力傳感器的電壓輸出為10 47mV A D采集卡的輸入電壓范圍為0 5V 實(shí)驗(yàn)中放大器的放大倍數(shù)應(yīng)如何選擇 9 4 1 3實(shí)驗(yàn)原理1 傳感器的各項(xiàng)靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)1 遲滯 滯后 遲滯表征測(cè)量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi) 輸入量由小到大 正行程 或由大到小 反行程 兩者靜態(tài)特性不一致的程度 遲滯用引用誤差形式表示為 9 1 其中 Hm 為同一輸入量對(duì)應(yīng)正 反行程輸出量的最大差值 YF S為測(cè)量系統(tǒng)的滿度值 2 重復(fù)性重復(fù)性表征測(cè)量系統(tǒng)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí) 靜態(tài)特性不一致的程度 重復(fù)性用引用誤差形式表示為 9 2 其中 R為同一輸入量對(duì)應(yīng)多次循環(huán)的同向行程輸出量的絕對(duì)誤差 重復(fù)性是指標(biāo)定值的分散性 是一種隨機(jī)誤差 可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差來計(jì)算 R 9 3 其中 S為子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差 它可用標(biāo)準(zhǔn)法和極差法來計(jì)算 K為置信因子 K 2時(shí) 置信度為95 K 3時(shí) 置信度為99 73 3 線性度線性度表示測(cè)量系統(tǒng)靜態(tài)特性對(duì)選定擬合直線y b kx的接近程度 線性度用非線性誤差表示為 9 4 其中 Lm 為靜態(tài)特性與選定擬合直線的最大擬合偏差 為最小值 由一階偏導(dǎo)等于零 即 由上可得兩個(gè)方程式 并解得兩個(gè)未知量的b k的表達(dá)式如下 9 5 2 活塞式壓力計(jì)本實(shí)驗(yàn)使用的是YS 6型0 05級(jí)活塞式壓力計(jì) 用于檢驗(yàn)0 2級(jí)活塞壓力計(jì)及精密壓力表 用于對(duì)壓力表及壓力傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定 其工作原理是基于托盤桿本身重量和加在托盤桿上的專用砝碼重量 作用在托盤桿面積上所產(chǎn)生的壓力與液壓容器內(nèi)產(chǎn)生的壓力相平衡 3 1151型電容式壓力變送器電容式傳感器是以各種形式的電容器作為變換器與傳感彈性元件組成 將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的傳感器 見圖9 1 當(dāng)忽略邊界效應(yīng)時(shí) 兩個(gè)金屬平板間的電容為 9 6 式中 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù) S 兩極板相對(duì)有效面積 兩極板間的間隙 C 兩金屬極板間的電容 圖9 1平板電容器 圖9 21151型電容式壓力傳感器接線圖 本實(shí)驗(yàn)使用的是1151型電容式壓力傳感器 該傳感器是由差動(dòng)式電容變換器與變送器相結(jié)合而組成的壓差式傳感器 其接線圖如圖9 2所示 由于其輸出電壓和輸出電流已是規(guī)范化的 因此可與計(jì)算機(jī)直接相連進(jìn)行工業(yè)化過程壓力的測(cè)量 也可直接讀數(shù) 1151型電容式壓力傳感器回路要求電源采用穩(wěn)壓電源供電 電壓0 24V連續(xù)可調(diào) 其輸出電流范圍為4 20mA 相應(yīng)壓力范圍為0 105 1 17 105Pa 串接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻RN 250后 在該電阻兩端獲得相應(yīng)電壓輸出范圍為1 5V 這樣可通過計(jì)算機(jī)的A D卡采集數(shù)據(jù) 與四位半數(shù)字電壓表的測(cè)量值進(jìn)行比對(duì) 4 CYJ 101型壓阻式壓力傳感器電阻式傳感器是將輸入的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的變換元件 電阻變換器的輸入量為應(yīng)變 L L 即材料的長度相對(duì)變化量 它是一個(gè)無量綱的相對(duì)值 通常 10 6成為一個(gè)微應(yīng)變 電阻變換器的輸出量為電阻值的相對(duì)變化量R R 電阻變換器有金屬電阻變換器和半導(dǎo)體電阻變換器兩種類型 根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng) 9 7 9 8 要測(cè)量其它物理量 如壓力 力 加速度等 就需要先將應(yīng)變片貼在相應(yīng)的彈性元件上 這些物理量被轉(zhuǎn)換為彈性元件的應(yīng)變 再經(jīng)應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻輸出量 應(yīng)變轉(zhuǎn)感器的組成框圖如圖9 3所示 圖9 3應(yīng)變式傳感器框圖 CYJ 101型壓阻式壓力傳感器是一個(gè)全橋差動(dòng)電路 其接線圖見圖9 4 電橋要求采用恒流源供電 回路電流為8mA 橋路輸出為毫伏級(jí)電壓 通過放大器放大后 將輸出電壓變?yōu)? 5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集 與四位半數(shù)字電壓表的測(cè)量值進(jìn)行比對(duì) 圖9 4CYJ 101型壓阻式壓力傳感器接線圖 9 4 1 4壓力傳感器標(biāo)定的軟件流程框圖壓力傳感器標(biāo)定的軟件流程框圖如圖9 5所示 圖9 5壓力傳感器標(biāo)定的軟件流程框圖 9 4 1 5實(shí)驗(yàn)儀器清單 見表9 1 表9 1 9 4 1 6壓力測(cè)量儀的面板描述壓力測(cè)量儀面板如圖9 6所示 本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的壓力通過傳感器已變換為電壓值 由于油壓的不穩(wěn)定性 因此需要多點(diǎn)采集 當(dāng)調(diào)定壓力后 按 測(cè)量 按鈕 電壓回顯框中顯示的是采樣20個(gè)點(diǎn)的 電壓平均值 示波器屏幕上顯示的是采樣20個(gè)點(diǎn)的 電壓折線 圖9 6壓力測(cè)量儀面板圖 9 4 1 7實(shí)驗(yàn)步驟1 調(diào)節(jié)活塞壓力計(jì)逆時(shí)針打開油杯的三個(gè)閥 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪 使手搖泵的汽缸充滿油液 此時(shí)作用在壓力傳感器上的壓力為0MPa 2 在常溫下測(cè)定1151型電容式壓力變送器的輸入 輸出特性 1 組建系統(tǒng)的零點(diǎn)遷移調(diào)節(jié) 按圖9 4組建1151的測(cè)量電路 在0MPa壓力下 調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出電壓 0 24V 使電阻兩端的電壓為 用數(shù)字電壓表測(cè)量 1V 注意控制mA表中的電流在4mA 2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn) 第一個(gè)壓力值的標(biāo)定 正程 由于托盤本身重量的壓力為0 04MPa 此時(shí)在托盤上輕放0 06MPa的砝碼 使測(cè)量壓力為0 1MPa 順時(shí)針關(guān)閉油杯 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪 使底盤緩慢升起 同時(shí)使托盤順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) 到托盤桿上的刻度線與紅漆線相重合為止 并把持住手輪以保持此值 在采集電壓的折線平穩(wěn)時(shí) 分別記錄砝碼的重量和傳感器的輸出電壓值 計(jì)算機(jī)采集電壓的平均值和數(shù)字電壓表的讀數(shù) 填入表9 2中 表9 2 其它壓力值的標(biāo)定 在0 1MPa壓力下 逐步增加砝碼重量0 0 1 0 2 0 3 0 7 同時(shí)注意觀察壓力表的壓力不超過砝碼重量的10 以完成各壓力點(diǎn)的測(cè)量 繼續(xù)標(biāo)定步驟 即正向行程的測(cè)量 在0 7MPa壓力下 逐步減少砝碼重量0 7 0 6 0 5 0 同時(shí)注意觀察壓力表的壓力不超過砝碼重量的10 以完成反向行程壓力的測(cè)量并讀數(shù) 正向行程和反向行程各做三次 3 在常溫下測(cè)定CYJ 101型壓阻式壓力傳感器的輸入 輸出特性 1 按圖9 4組建CYJ 101型壓阻式壓力傳感器的測(cè)量電路 在橋路中 調(diào)節(jié)滑線變阻器使回路恒定電流為8mA mA表的讀數(shù) 2 按照標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的步驟操作 分別記錄砝碼的重量和傳感器的輸出電壓 填入表9 3中 且正向行程和反向行程各三次 表9 3 9 4 1 8實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1 在坐標(biāo)紙上描繪出兩種壓力傳感器的輸入 輸出特性 2 計(jì)算并確定傳感器的各項(xiàng)靜態(tài)技術(shù)指標(biāo) 參照本書第3章3 4 1節(jié)中實(shí)例內(nèi)容 遲滯H 重復(fù)性R 最小二乘線性度L 精度 3 比較1151型電容式壓力傳感器 差 與壓阻式壓力傳感器的技術(shù)指標(biāo) 9 4 2測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)定與改善9 4 2 1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 學(xué)習(xí)對(duì)一階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的快速測(cè)定方法 2 學(xué)習(xí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的頻率補(bǔ)償方法 3 學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的基本設(shè)計(jì)方法 9 4 2 2實(shí)驗(yàn)原理1 一階慣性環(huán)節(jié)的構(gòu)成鉑電阻溫度傳感器為一階系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)以其作為分析的對(duì)象 研究信號(hào)動(dòng)態(tài)特性的快速測(cè)定和利用數(shù)字濾波器進(jìn)行系統(tǒng)性能改善的原理及其基本設(shè)計(jì)方法 實(shí)驗(yàn)線路如圖9 7所示 圖9 7一階慣性環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 圖9 7中 R1為標(biāo)準(zhǔn)電阻 1k RT為熱電阻 其阻值隨溫度的變化而變化 U為直流輸入 mA表用以監(jiān)視回路中電流的變化 實(shí)驗(yàn)時(shí) 將RT從低溫環(huán)境快速伸入90 左右的熱水中 即相當(dāng)于對(duì)該溫度傳感器輸入階躍信號(hào) RT受熱后其阻值逐漸增大 則RT兩端電壓呈一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的狀態(tài) 該信號(hào)送入微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 微機(jī)系統(tǒng)對(duì)此進(jìn)行分析處理 求出其穩(wěn)態(tài)值及時(shí)間常數(shù) 并對(duì)其作出頻率補(bǔ)償 在實(shí)驗(yàn)過程中 流過RT的電流應(yīng)保持恒定 且數(shù)值為3mA左右為宜 在這里我們通過調(diào)節(jié)信號(hào)源幅值或R1并監(jiān)視mA表來實(shí)現(xiàn) 2 一階慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的快速求取1 一階慣性環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)值的快速求取已知一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為 9 9 式 9 9 為一指數(shù)曲線 理論上要經(jīng)無限長的時(shí)間 u才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值A(chǔ) 下面介紹只需采集三個(gè)值就能推算出穩(wěn)態(tài)值A(chǔ)的計(jì)算式 這對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行快速測(cè)量是很有意義的 設(shè)u1 u2 u3為相隔同樣時(shí)間間隔的三個(gè)采樣值 將一階系統(tǒng)的微分方程 改寫為差分方程 聯(lián)立求解可得 2 一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)的快速求取將式 9 9 改寫為 兩邊求對(duì)數(shù) 有 令 則有 在z t圖上 利用作圖法可求得時(shí)間常數(shù) 3 用數(shù)字濾波法改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于已有的由傳感器構(gòu)成的一階慣性環(huán)節(jié) 存在動(dòng)態(tài)幅值誤差過大 頻帶過窄的問題 此時(shí)需用數(shù)字濾波法改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 1 數(shù)字濾波法的原理數(shù)字濾波法的補(bǔ)償原理是 給現(xiàn)有的傳感器系統(tǒng) 傳遞函數(shù)為W s 附加一個(gè)傳遞函數(shù)為H s 的環(huán)節(jié) 于是系統(tǒng)的總傳遞函數(shù)為I s W s H s I s 為滿足性能的系統(tǒng)傳遞函數(shù) H s 為用軟件編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器 設(shè)原傳感器的傳遞函數(shù)為 則 現(xiàn)欲將頻帶擴(kuò)展K倍 也就是將它的時(shí)間常數(shù)減小至原來的1 K倍 即 于是 由后向差分法求得的模擬濾波器H s 的等效數(shù)字濾波器為 再將上式改寫為 式中 其中 fb 傳感器系統(tǒng)原有的轉(zhuǎn)折頻率 fc 頻帶擴(kuò)展后 傳感器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率fb Kfc n 采樣序號(hào) T 采樣間隔 9 4 2 3實(shí)驗(yàn)流程框圖一階慣性環(huán)節(jié)頻率特性及其參數(shù)測(cè)定的軟件流程框圖如圖9 8所示 圖9 8一階慣用語性節(jié)頻率特性及其參數(shù)測(cè)定的軟件流程框圖 9 4 2 4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)儀器面板 文件名 step 2 仿真 按下 仿真參數(shù)設(shè)置 按鈕 即進(jìn)入仿真狀態(tài) 在相應(yīng)的對(duì)話框內(nèi)輸入穩(wěn)態(tài)值A(chǔ) 時(shí)間常數(shù)后按下 確定 鍵 屏幕即顯示相應(yīng)的一階階躍響應(yīng)波形 再按下 Z t圖 鍵 程序內(nèi)部按實(shí)驗(yàn)原理中所述的方法計(jì)算出A 值 并顯示結(jié)果 要求 令A(yù) 3V 10mS 頻帶擴(kuò)展倍數(shù)為K 1 查看仿真結(jié)果 并記錄 保持A 值不變 令K分別為2 5 10 0 2 查看仿真結(jié)果 并記錄有關(guān)數(shù)據(jù)及屏幕顯示的變化 3 測(cè)量熱電阻的階躍響應(yīng)特性 按下 加熱 鍵 稍后 采樣點(diǎn)數(shù)欄顯示的已采點(diǎn)數(shù)不宜超過100 將熱電阻插入熱水瓶中 系統(tǒng)采樣結(jié)束后即顯示采樣得到的波形 為保證測(cè)試的準(zhǔn)確度 需輸入起始點(diǎn)數(shù) 該點(diǎn)數(shù)為采樣波形正常后 即去掉畸形采樣點(diǎn) 的起始點(diǎn)數(shù) 最后按下 Z t圖 鍵查看結(jié)果 對(duì)以上信號(hào)進(jìn)行頻率補(bǔ)償 按下 頻率補(bǔ)償 鍵 輸入K值即可 選擇K值 記下過 欠 最佳補(bǔ)償波形及計(jì)算結(jié)果 9 4 2 5實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1 記錄仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 2 在同一坐標(biāo)紙上繪出四條曲線 RT兩端的電壓信號(hào) 經(jīng)過數(shù)字濾波器最佳補(bǔ)償后的信號(hào)曲線及A 的計(jì)算值 經(jīng)過數(shù)字濾波器欠補(bǔ)償后的信號(hào)曲線及A 的計(jì)算值 經(jīng)過數(shù)字濾波器過補(bǔ)償后的信號(hào)曲線 3 指出在實(shí)測(cè)和仿真兩種情況下 過補(bǔ)償狀態(tài)的信號(hào)曲線的不同 并說明在實(shí)測(cè)時(shí)過補(bǔ)償曲線出現(xiàn)振蕩的原因 4 由熱電阻的阻值 溫度變換式 R 100 1 at 9 10 式中 a為溫度系數(shù) 為0 00425 t為銅電阻溫度 根據(jù)穩(wěn)態(tài)值A(chǔ) 注意I 3mA 換算出熱水的溫度 5 附錄1是一組一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)數(shù)據(jù) 利用參數(shù)的快速求取方法計(jì)算穩(wěn)態(tài)值A(chǔ)和時(shí)間常數(shù) 6 附錄2是實(shí)驗(yàn)儀器面板圖 圖9 9 及說明 圖9 9實(shí)驗(yàn)儀器面板 9 4 2 6實(shí)驗(yàn)儀器清單 見表9 4 表9 4 9 4 3RLC電參數(shù)測(cè)量與虛擬RLC測(cè)試儀9 4 3 1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 學(xué)習(xí)虛擬RLC測(cè)試儀的工作原理及使用方法 2 學(xué)習(xí)測(cè)試儀的一般修正方法 3 學(xué)習(xí)測(cè)試儀的準(zhǔn)確度評(píng)定方法 9 4 3 2實(shí)驗(yàn)原理1 測(cè)試接線圖測(cè)試接線圖如圖9 10所示 圖9 10中 zx為被測(cè)阻抗 Rs為采樣電阻 U為幅值可調(diào)信號(hào)源 頻率固定為50Hz 圖9 10測(cè)試接線圖 以上參數(shù) U Us 及的獲取 是采用FFT運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的 具體方法是 對(duì)U及Us信號(hào)進(jìn)行交替采樣 采樣示意圖見圖9 11 圖中T為采樣周期 結(jié)果送入計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)信號(hào)的采樣結(jié)果分別進(jìn)行FFT運(yùn)算 即可得到二者的幅值與初相角 將這些值帶入上述的有關(guān)計(jì)算式 即得到最終的測(cè)量結(jié)果 值得提出的是 對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算的前提條件是 須對(duì)該信號(hào)在一個(gè)周期或整數(shù)倍周期內(nèi)均勻采樣 否則會(huì)給FFT運(yùn)算結(jié)果帶來誤差 圖9 11采樣示意圖 9 4 3 3實(shí)驗(yàn)流程框圖虛擬RLC測(cè)試儀主程序流程框圖如圖9 12所示 圖9 12虛擬RLC測(cè)試儀主程序流程框圖 9 4 3 4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 按圖9 13連接實(shí)驗(yàn)線路 圖9 13中 Zx為被測(cè)阻抗 Rs為采樣電阻 分四檔 10 100 1000 10k U為信號(hào)源輸出 2 分三步測(cè)量若干待測(cè)電阻R R的范圍為 100 200 300 400 500 1000 2000 10000 20000 30000 99999 并記錄數(shù)據(jù) 仿真測(cè)量 對(duì)每一個(gè)待測(cè)阻抗在軟件的導(dǎo)引下進(jìn)行仿真測(cè)量 以取得最佳參數(shù) 信號(hào)源輸出電壓Us 采樣電阻Rs 利用虛擬RLC測(cè)試儀測(cè)量 并記錄數(shù)據(jù) 利用全自動(dòng)RLC測(cè)試儀測(cè)量 并記錄數(shù)據(jù) 圖9 13實(shí)驗(yàn)接線圖 3 分三步測(cè)量若干待測(cè)電容C C的范圍為 0 1F 0 2F 0 3F 0 4F 0 5F 1 0F 10F 47F 100F 步驟同上 并記錄數(shù)據(jù) 用虛擬RLC測(cè)試儀測(cè)量若干混合阻抗 提示 除e項(xiàng)外 其余采樣電阻均選取10k 并記錄數(shù)據(jù) Z1為R C串聯(lián) R 100 C 1 0F Z2為R C串聯(lián) R 1000 C 1 0F Z3為R C串聯(lián) R 5000 C 1 0F Z4為R C串聯(lián) R 10000 C 1 0F Z5為R L串聯(lián) R 227 L 1 0H 9 4 3 5儀器清單 見表9 5 表9 5 9 4 3 6數(shù)據(jù)處理 1 將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 2 3 的測(cè)試結(jié)果分別填入附錄1的表格中 2 以自動(dòng)RLC測(cè)試儀為標(biāo)準(zhǔn) 確定虛擬RLC測(cè)試儀的修正值 填入上表 并繪制出修正曲線 3 確定虛擬RLC測(cè)試儀的準(zhǔn)確度等級(jí) R C分別確定 并假定R的最大量程為100000 C為10F 4 將混合阻抗的測(cè)量結(jié)果填入附錄2的表格中 Rs 10k 5 虛擬RLC測(cè)試儀利用軟件功能可以方便地實(shí)現(xiàn)混合阻抗的測(cè)量 但也有一定的限制 分析混合阻抗Z1 Z4的測(cè)試結(jié)果 指出電阻誤差由大變小的原因 9 4 3 7分析回答問題 1 本虛擬RLC測(cè)試儀中信號(hào)源頻率固定為50Hz 因而限定了電感 電容的量程 分析其原因 并說明若欲擴(kuò)大電感 電容的量程 應(yīng)分別如何選取信號(hào)源頻率 2 仔細(xì)閱讀虛擬RLC測(cè)試儀中的信號(hào)采樣原理 為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果 必須對(duì)電壓 電流的相位差進(jìn)行補(bǔ)償 說明原因并寫出補(bǔ)償公式 3 對(duì)比仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果并結(jié)合測(cè)試儀的工作原理 試說明虛擬RLC測(cè)試儀的誤差來源 提示 從信號(hào)源頻率及幅值輸出的穩(wěn)定性 采集卡的采樣速度 采樣電阻的準(zhǔn)確度等方面進(jìn)行分析 圖9 14虛擬RLC測(cè)試儀面板 9 4 4相位差測(cè)量與虛擬相位差計(jì)9 4 4 1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 學(xué)習(xí)過零法 FFT頻譜分析法 相關(guān)法等測(cè)量相差的分析方法 理解其原理 2 通過仿真實(shí)驗(yàn)比較過零法 FFT頻譜分析法 相關(guān)法的優(yōu)劣 分析各自的適用條件 3 了解信號(hào)幅值 噪聲幅值 采樣點(diǎn)數(shù)等值的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響 9 4 4 2預(yù)習(xí)內(nèi)容 1 了解過零法 FFT頻譜分析法 相關(guān)法的測(cè)量原理 2 在理論上分析過零法 FFT頻譜分析法 相關(guān)法的誤差來源 3 分析在有噪聲干擾的情況下過零法 FFT頻譜分析法 相關(guān)法的優(yōu)劣 圖9 15過零法 9 4 4 3實(shí)驗(yàn)原理1 過零法測(cè)量原理過零法即通過判斷兩同頻率信號(hào)過零點(diǎn)時(shí)刻 計(jì)算其時(shí)間差 然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)相位差 這一過程可用圖9 15表示 在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí) 信號(hào)被采樣離散化而用一組數(shù)表示 t即為數(shù)組元素的序號(hào)之差 假設(shè)信號(hào)1過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)組的第i個(gè)元素 信號(hào)2的過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)其數(shù)組第j個(gè)元素 則有 2 FFT頻譜分析法原理FFT法求相位差 即對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析 獲得信號(hào)的相頻特性 兩信號(hào)的相差即主頻率處相位的差值 所以這一方法是針對(duì)單一頻率信號(hào)的相差測(cè)量的 在有限區(qū)間 t t T 內(nèi) 絕對(duì)可積的任一周期函數(shù)x t 它的傅里葉級(jí)數(shù)展開式為 同時(shí)x t 可以表示為 比較上兩式可得 由此可得 兩信號(hào)的相位差為 此方法基于連續(xù)信號(hào)離散化處理的離散傅立葉變換 DFT FFT是DFT的一種快速算法 它要求所處理的數(shù)據(jù)總數(shù)為2m 因而對(duì)采集的數(shù)據(jù)總數(shù)有要求 另外 要求采樣必須滿足 采樣定理 否則 會(huì)發(fā)生頻譜混疊 3 相關(guān)法原理設(shè)有兩同頻信號(hào)x t y t x t Asin t Nx t y t Bsin t Ny t 其中 Nx t Ny t 為噪聲信號(hào) 為兩信號(hào)相差 兩信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為 由于噪聲與信號(hào)不相關(guān) 而且兩噪聲之間也不相關(guān) 故可推得 所以 再由信號(hào)幅值與其自相關(guān)函數(shù)零點(diǎn)之間的關(guān)系 可得 最后可得 實(shí)際算法中 相關(guān)函數(shù)的離散時(shí)間表達(dá)式如下 9 4 4 4實(shí)驗(yàn)流程框圖過零法計(jì)算相位差的流程框圖如圖9 16所示 基于FFT譜分析法的虛擬相位差計(jì)軟件流程框圖如圖9 17所示 圖9 16過零計(jì)數(shù)式虛擬相位差計(jì)軟件流程框圖 圖9 17基于FFT譜分析法的虛擬相位差計(jì)軟件流程框圖 基于相關(guān)原理的相位差測(cè)量法軟件流程框圖如圖9 18所示 圖9 18相關(guān)法虛擬相位差計(jì)主程序流程圖 9 4 4 5實(shí)驗(yàn)儀器清單 見表9 8 表9 8 9 4 4 6儀器描述1 儀器主面板 見圖9 19 面板上的按鍵分別用來調(diào)用不同的儀器 例如 我們要使用仿真儀 只需擊下 仿真 按鍵即可調(diào)出相應(yīng)儀器面板 圖9 19儀器主面板示意圖 2 相位差測(cè)量演示儀面板介紹相位差測(cè)量演示儀面板如圖9 20所示 圖9 20相差測(cè)量演示儀面板圖 每周期采樣點(diǎn)數(shù) 控件用于輸入一周期信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù) 分析方法選擇 控件 滑動(dòng)開關(guān) 用于選擇分析方法 過零法 相關(guān)法 FFT法 生成數(shù)據(jù) 控件用于數(shù)據(jù)分析處理 顯示結(jié)果 控件可以在各種方法 過零法 相關(guān)法 FFT法 的回顯窗中查看仿真結(jié)果 波形1 控件和 波形2 控件分別用于在信號(hào)1和信號(hào)2上疊加噪聲 噪聲1 是個(gè)開關(guān)控件 當(dāng)在On處表示有噪聲存在 在Off處則表示沒有噪聲 相位1 控件和 噪聲1幅值 控件分別為波形1的初相位和幅值 波形2的參數(shù)情況與波形1相同 3 過零法相位差計(jì)使用簡介采集卡參數(shù)設(shè)置部分包括設(shè)置 通道號(hào) 信號(hào)頻率 和 采樣頻率 通道號(hào) 控件是兩信號(hào)通過轉(zhuǎn)接板0通道和1通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)的 信號(hào)頻率控件用來輸入從信號(hào)發(fā)生器得到的信號(hào)頻率 在 采樣頻率 控件處輸入對(duì)兩信號(hào)的采樣頻率 圖9 21所示為過零法虛擬相位差計(jì)的儀器面板 圖9 21過零法虛擬相位差計(jì)的儀器面板 相位差 控件和 實(shí)際采樣速率 控件用來回顯兩信號(hào)的相位差和實(shí)際采樣頻率 采集 控件用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 顯示結(jié)果 控件用來分析計(jì)算兩信號(hào)的相位差 在 相位差 控件中顯示出來 使用時(shí)先進(jìn)行采樣參數(shù)設(shè)置 然后啟動(dòng) 采集 控件 再進(jìn)行 顯示結(jié)果 數(shù)據(jù)處理過程 4 頻譜分析法相位差計(jì)使用簡介面板結(jié)構(gòu)與過零法基本相同 使用過程也類似 只是在 每周期采樣點(diǎn)數(shù) 處輸入信號(hào)的每周期采樣點(diǎn)數(shù)N1 當(dāng)N2 實(shí)際采樣頻率 信號(hào)頻率時(shí) 那么N1值就為最接近N2的2n 圖9 22為儀器面板圖 圖9 22頻譜分析法虛擬相位差計(jì)的儀器面板 5 相關(guān)法相位差計(jì)使用簡介與前兩者基本相同 這里只給出儀器面板圖 如圖9 23所示 圖9 23相關(guān)法虛擬相位差計(jì)的儀器面板 9 4 4 7實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 仿真 改變兩信號(hào)的相位差 觀察過零法 FFT頻譜分析法 相關(guān)法的測(cè)量結(jié)果 固定信號(hào)1初相位為30 改變信號(hào)2的初相位 由30 至120 必做 每次增加10 也可測(cè)相差在360 范圍內(nèi)變化的情況 選做 將數(shù)據(jù)填入表9 9中 表9 9 改變每周期取值點(diǎn)數(shù) 分析它對(duì)過零法 FFT頻譜分析法 相關(guān)法等方法分析精度的影響 在相差為30 45 60 90 時(shí) 取每周期采樣點(diǎn)數(shù)分別為50 500 1000 過零法和相關(guān)法 取每周期采樣點(diǎn)數(shù)為64 512 1024 FFT法 將數(shù)據(jù)填入表9 10中 表9 10 給信號(hào)疊加噪聲 改變?cè)肼暦?觀察分析結(jié)果有什么變化 哪一種方法受噪聲干擾小 先固定信號(hào)1疊加噪聲的幅值 改變信號(hào)2疊加噪聲的幅值 由0 1至2 步長變化為0 2 觀察噪聲幅值變化對(duì)相差結(jié)果的影響并記錄 再使兩噪聲幅值同步增大 觀察結(jié)果變化 圖9 24電路接線圖 2 實(shí)測(cè) 按圖9 24連接電路 觀察示波器顯示 調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出 使UAB UAC的峰值不超過5V 實(shí)測(cè)相位差 三種相位差計(jì)選做其一 取待測(cè)量的信號(hào)頻率為50Hz R為100 分別取變阻箱阻值為0 50 100 200 400 600 800 1000 2000 5000 必做 和9000 選做 反復(fù)測(cè)四組 將數(shù)據(jù)添入表9 11中 表9 11實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理 9 4 4 8回答問題 1 過零法 FFT頻譜分析法 相關(guān)法哪一種方法的精度最高 請(qǐng)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)說明其原因 2 根據(jù)實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)比較過零法 FFT頻譜分析法 相關(guān)法的抗噪能力 并說明原因 3 比較過零法 FFT頻譜分析法 相關(guān)法對(duì)每周期所取數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)的要求有什么不同 4 思考采集卡分辨率對(duì)小幅值信號(hào)相差測(cè)量的影響 5 分析實(shí)驗(yàn)誤差主要來源 9 4 5信號(hào)的頻譜分析及虛擬頻譜儀9 4 5 1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 掌握周期信號(hào)和非周期信號(hào)的頻域分析方法 2 掌握虛擬頻譜儀的使用方法 3 學(xué)習(xí)周期采樣點(diǎn)數(shù)及譜線數(shù)的正確選取 4 理解如何保證頻譜分析的精度 9 4 5 2預(yù)習(xí)要求 1 了解傅立葉變換的性質(zhì) 2 了解周期性信號(hào) 方波和正弦波信號(hào) 及非周期信號(hào) 指數(shù)衰減信號(hào) 的頻譜特點(diǎn) 3 了解采樣定理的內(nèi)容及如何避免頻率混疊現(xiàn)象的發(fā)生 4 了解柵欄效應(yīng)與泄漏現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和改善的方法 2 疊加諧波的周期信號(hào)的頻譜 根據(jù)傅立葉變換的線性疊加性 將時(shí)域內(nèi)的n個(gè)信號(hào)進(jìn)行合成 合成后的頻譜函數(shù)為各個(gè)信號(hào)頻譜函數(shù)之和 例如 在一個(gè)正弦信號(hào)中疊加諧波分量 其頻譜函數(shù)等于正弦信號(hào)的頻譜函數(shù)與諧波分量頻譜函數(shù)之和 3 非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)頻譜 本實(shí)驗(yàn)中待分析的典型非周期信號(hào)為一個(gè)指數(shù)衰減信號(hào) 指數(shù)衰減信號(hào)g t 為 9 10 圖9 25指數(shù)衰減號(hào)g t 的頻譜 9 11 9 12 9 13 指數(shù)衰減信號(hào)的產(chǎn)生 通過電容放電產(chǎn)生指數(shù)衰減信號(hào) 圖9 26 a 為理論放電曲線 而實(shí)際測(cè)量的放電曲線如圖9 26 b 所示 故在對(duì)實(shí)際測(cè)量的放電曲線進(jìn)行FFT頻譜分析之前 要確定放電曲線的放電起始點(diǎn) 去掉該點(diǎn)之前 即放電之前測(cè)到 的電壓值 得到與理論放電曲線一致的曲線 圖9 26放電曲線 a 理論放電曲線 b 實(shí)測(cè)放電曲線 3 采樣間隔T的給定及實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 1 采樣間隔T的給定 通過改變相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的延時(shí)獲得不同的采樣間隔 例如 采樣延時(shí)為1000 次 時(shí) 即在相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間進(jìn)行加數(shù)循環(huán)1000次 就有某個(gè)采樣間隔與之對(duì)應(yīng) 2 采樣間隔T的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 用過零法測(cè)量一已知頻率fi的標(biāo)準(zhǔn)周期信號(hào) 測(cè)得一周期的采樣點(diǎn)數(shù)nt 則采樣間隔T為 采樣頻率f為 f ntfi 9 4 5 4實(shí)驗(yàn)流程框圖虛擬頻譜儀的軟件流程框圖如圖9 27所示 圖9 27實(shí)驗(yàn)流程框圖 9 4 5 5儀器介紹實(shí)際用虛擬頻譜分析儀儀器面板如圖9 28所示 圖9 28虛擬頻譜分析儀儀器面板 實(shí)測(cè) 仿真 開關(guān) 該開關(guān)擲于下方 仿真 位置時(shí)可對(duì)由軟件生成的信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析 擲于上方 實(shí)測(cè) 位置時(shí)可對(duì)一實(shí)際信號(hào)采樣后進(jìn)行FFT頻譜分析 關(guān)閉儀器 鍵 具有關(guān)機(jī)功能 采樣點(diǎn)數(shù) 輸入窗 輸入被測(cè)信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù) 范圍為0 12288 譜線數(shù) 輸入窗 輸入被測(cè)信號(hào)的截取長度 必須是2n 不超過 采樣點(diǎn)數(shù) 中的數(shù)值 慮擬頻譜分析儀的機(jī)內(nèi)軟件提供了三種信號(hào)供用戶進(jìn)行FFT頻譜分析練習(xí) 這三種信號(hào)分別為周期信號(hào) 非周期信號(hào)和諧波合成信號(hào) 波形選擇 開關(guān) 用來選擇待分析機(jī)內(nèi)周期信號(hào)的波形 該開關(guān)擲于上方時(shí)由軟件自動(dòng)生成正弦波 擲于下方時(shí)機(jī)內(nèi)軟件自動(dòng)生成方波 信號(hào)周期 輸入窗 輸入信號(hào)在 采樣點(diǎn)數(shù) 中給定點(diǎn)數(shù)內(nèi)的周期數(shù) 信號(hào)幅值 輸入窗 輸入周期信號(hào)和非周期信號(hào)的幅值 仿真顯示 鍵 按下此鍵后 在圖形顯示窗上顯示所生成的待分析的周期信號(hào)的波形 AutoRun 狀態(tài)欄 當(dāng)該欄狀態(tài)為 時(shí) 切換 周期信號(hào)選擇 開關(guān)時(shí)將自動(dòng)顯示周期信號(hào)波形 不需再按 仿真顯示 鍵 指數(shù)衰減信號(hào) 鍵 在圖形顯示窗上顯示所生成的指數(shù)衰減信號(hào)的波形 時(shí)間常數(shù) 輸入窗 由用戶設(shè)置指數(shù)衰減信號(hào)的時(shí)間常數(shù) 采樣間隔Ts s 輸入窗 輸入根據(jù)公式 9 14 算出的采樣間隔 諧波合成 開關(guān) 該開關(guān)擲于上方 On 時(shí)將進(jìn)行有限個(gè) 僅一個(gè) 諧波與周期信號(hào)的疊加 擲于下方 Off 時(shí)基波信號(hào)將不疊加諧波 諧波幅值 輸入窗 輸入諧波信號(hào)的幅值 諧波周期 輸入窗 輸入諧波信號(hào)在 采樣點(diǎn)數(shù) 中確定點(diǎn)數(shù)內(nèi)的周期數(shù) 采樣延時(shí) 輸入窗 輸入數(shù)據(jù)采集時(shí)相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的延時(shí) 非負(fù)整數(shù) 顯示點(diǎn)數(shù) 輸入窗 輸入圖形顯示窗上欲顯示的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù) 不應(yīng)超過 采樣點(diǎn)數(shù) 中的數(shù)值 采樣點(diǎn)數(shù) 周期 回顯窗 回顯值表示被測(cè)周期信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù) 數(shù)據(jù)采集 命令鍵 對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并對(duì)相鄰的10個(gè)采樣值進(jìn)行平均 顯示放電信號(hào)的波形 實(shí)測(cè)再現(xiàn) 鍵 按照 顯示點(diǎn)數(shù) 中給定的點(diǎn)數(shù)再現(xiàn)采集的放電信號(hào)波形 用來確定放電的起始點(diǎn) 測(cè)周期點(diǎn)數(shù) 鍵 對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并顯示該周期信號(hào)的波形 起始點(diǎn)序數(shù) 輸入窗 輸入被測(cè)放電信號(hào)的起始點(diǎn)序數(shù) 修改起始點(diǎn) 鍵 按照 起始點(diǎn)序數(shù) 中給定的數(shù)值修改采集的放電信號(hào)的起始點(diǎn)并顯示修改后的放電信號(hào)波形 FFT 命令鍵 指令對(duì)采集的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析計(jì)算并顯示幅值頻譜 結(jié)果顯示 鍵 回顯前48條譜線的幅值 查看譜線 鍵 譜線序數(shù) 輸入窗 譜線幅值 回顯窗 在 譜線序數(shù) 輸入窗輸入要查看的譜線序數(shù) 單擊 查看譜線 鍵 就可在 譜線幅值 回顯窗顯示要查看的譜線的幅值 9 4 5 6實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 仿真 柵欄與泄漏效應(yīng) 對(duì)一正弦信號(hào)進(jìn)行頻譜分析 并觀察同一頻率的正弦波信號(hào)在不同的截取長度tp下的頻譜 分析有無柵欄與泄漏效應(yīng) 方波信號(hào)的頻譜分析 分析采樣頻率對(duì)頻譜的影響 分析同一頻率的方波信號(hào)在相同截取長度tp 不同采樣間隔T下頻譜譜線的幅值比Ai A1 i 1 3 5 相對(duì)理論幅值比1 i的誤差i 例如 疊加諧波的周期信號(hào)的頻譜分析 分析疊加的諧波對(duì)正弦波信號(hào)頻譜的影響 非周期信號(hào)的頻譜分析 觀察一個(gè)指數(shù)衰減信號(hào)g t 在不同采樣間隔T下的頻譜 g t 的頻譜經(jīng)歸一化處理后譜線的最大幅值 X 0 1 0 根據(jù)公式 9 12 或公式 9 13 計(jì)算指數(shù)衰減信號(hào)g t 的時(shí)間常數(shù)及相對(duì)誤差 9 15 0為用戶在 時(shí)間常數(shù) 中設(shè)置的值 2 虛擬頻譜儀的應(yīng)用 對(duì)一個(gè)一階RC系統(tǒng)的電容放電曲線進(jìn)行頻譜分析 測(cè)量電路如圖9 29所示 初始時(shí)開關(guān)S閉合 電容C充電 當(dāng)S斷開時(shí) 電容C將通過電阻R放電 放電曲線如公式 9 26 所給 為一指數(shù)衰減規(guī)律的曲線 時(shí)間常數(shù) RC 圖9 29RC一階系統(tǒng)測(cè)量電路 9 4 5 7實(shí)驗(yàn)步驟 1 用鼠標(biāo)雙擊Windows桌面上的 頻譜分析儀 圖標(biāo) 就可出現(xiàn)圖9 28所示的虛擬頻譜分析儀 2 頻譜的仿真分析 柵欄與泄漏效應(yīng)的觀察 觀察頻率為100Hz的正弦波信號(hào)在不同的截取長度tp下的頻譜 記錄前五條譜線的幅值 方波信號(hào)的頻譜分析 對(duì)一個(gè)周期的方波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析 方波信號(hào)周期為128 s 截取長度tp 128 s 當(dāng)采樣間隔T分別為1s 2s 4s時(shí) 采樣點(diǎn)數(shù)N分別為128 64 32 觀察并記錄前三條譜線幅值A(chǔ)1 A3 A5 疊加諧波的周期信號(hào)頻譜 觀察疊加諧波前后的正弦信號(hào)的頻譜 正弦信號(hào)的周期為1 幅值為4 0 采樣點(diǎn)數(shù)為128 疊加的諧波的周期分別為0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 幅值為4 0 采樣點(diǎn)數(shù)和正弦信號(hào)相同 為128 記錄諧波周期分別為2 0 3 5時(shí)正弦信號(hào)頻譜的前五條譜線的幅值 指數(shù)衰減信號(hào)的頻譜分析 指數(shù)衰減信號(hào)的時(shí)間常數(shù) 0 1s 采樣點(diǎn)數(shù)N 64 采樣間隔t分別為0 02s 0 01s 0 008s時(shí) 觀察指數(shù)衰減信號(hào)g kt 的頻譜X 記錄幅值為0 707 X 0 的譜線序數(shù)m及幅值為 X 0 10的譜線序數(shù)n 3 指數(shù)衰減信號(hào) 電容放電曲線的頻譜分析 時(shí)間常數(shù)的設(shè)定 改變圖9 29所示一階系統(tǒng)中R C的數(shù)值 使分別為0 02s 0 008s 0 001s 采樣間隔t的確定 指數(shù)衰減信號(hào)的測(cè)量 頻譜分析 對(duì)采集的數(shù)據(jù)修改完之后進(jìn)行頻譜分析 9 4 5 8實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1 周期信號(hào)頻譜的仿真分析要求 記錄正弦信號(hào)分別在實(shí)驗(yàn)步驟 2 中的三個(gè)條件下的頻譜的前五條譜線幅值 填入表9 12 中 要求對(duì)此結(jié)果進(jìn)行分析說明 有無柵欄效應(yīng)與泄漏現(xiàn)象 并分析在何條件下可避免無柵欄效應(yīng)與泄漏現(xiàn)象 表9 12 記錄方波信號(hào)在采樣點(diǎn)數(shù)分別為32 64 128時(shí)頻譜的前三條譜線幅值A(chǔ)1 A3 A5 填入表9 13中 計(jì)算幅值比 k A1與相對(duì)誤差i 表9 13 疊加諧波的周期信號(hào)頻譜分析 記錄未疊加諧波前后的正弦信號(hào)頻譜的前五條譜線幅值 填入表9 14中 比較兩個(gè)頻譜的結(jié)果 分析諧波對(duì)正弦波信號(hào)頻譜的影響 表9 14 2 指數(shù)衰減仿真信號(hào)的頻譜 在采樣間隔T分別為0 02s 0 01s 0 008s時(shí)記錄譜線序數(shù)m n 填入表9 15中 根據(jù)公式 9 12 9 13 計(jì)算時(shí)間常數(shù) 根據(jù)公式 9 15 計(jì)算的相對(duì)誤差 分析采樣間隔T對(duì)的精度的影響 表9 15 表9 16 9 4 5 9實(shí)驗(yàn)儀器清單 見表9 17 表9 17 9 4 5 10回答問題 1 對(duì)指數(shù)衰減信號(hào) 當(dāng)采樣頻率為0 01s 采樣點(diǎn)數(shù)為1000 譜線數(shù)為500時(shí) 頻譜分析的結(jié)果是什么 2 若采樣頻率為4 5kHz 被測(cè)方波信號(hào)頻率為10Hz 那么測(cè)量時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)至少是多少 由公式 9 14 算出的采樣間隔的誤差較小 3 若相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的采樣間隔為10ms 當(dāng)每20個(gè)相鄰點(diǎn)平均獲得一組新數(shù)據(jù)時(shí) 求新的采樣間隔 4 對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟 2 中的100Hz正弦波信號(hào) 基波頻率為多少時(shí)才不會(huì)發(fā)生柵欄與泄漏效應(yīng) 9 4 6虛擬傳遞函數(shù)測(cè)試儀9 4 6 1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 學(xué)習(xí)測(cè)量系統(tǒng) 環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 頻率特性的測(cè)量方法 2 學(xué)習(xí)一階RC低通濾波器的傳遞函數(shù)及轉(zhuǎn)折頻率的計(jì)算方法 3 學(xué)習(xí)利用頻域校正法進(jìn)行頻率自補(bǔ)償 改善測(cè)量系統(tǒng)的性能 9 4 6 2預(yù)習(xí)要求 1 欲測(cè)定一階RC低通濾波器系統(tǒng)的頻率特性H 若系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)約為0 159ms 系統(tǒng)輸入信號(hào)采用周期為T0的方波信號(hào) 數(shù)采卡對(duì)系統(tǒng)輸入 輸出信號(hào)的采樣周期 采樣間隔 Ts取0 02ms 若在一個(gè)T0內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N 128 試回答 該周期方波的重復(fù)頻率f0 Hz 預(yù)估被測(cè)一階RC低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 Hz 由公式 9 17 求H k 時(shí) 試預(yù)估譜線序號(hào)k 1 2 3所對(duì)應(yīng)的頻率值f 1 Hz f 2 Hz f 3 Hz 它們是否全部被系統(tǒng)所阻擋 9 16 利用數(shù)據(jù)采集卡采集輸入 輸出信號(hào)后得到離散時(shí)間序列x n y n 按FFT算法進(jìn)行計(jì)算 分別可得N 2條譜線 Y k k 0 1 2 3 N 2 1 X k k 0 1 2 3 N 2 1 對(duì)應(yīng)序號(hào)譜線幅值進(jìn)行除法運(yùn)算 即得到離散形式的傳遞函數(shù)H k 9 17 9 18 式中 H k 為系統(tǒng)的離散形式傳遞函數(shù) N為采樣點(diǎn)數(shù) k為譜線序號(hào) 對(duì)X k 作IFFT反變換則可得被測(cè)信號(hào)x t 的時(shí)間序列x n 它是無失真 無畸變的得到補(bǔ)償后時(shí)域里的輸入信號(hào)x t 3 一階RC低通濾波器的傳遞函數(shù)及其特征 9 19 幅頻特性數(shù)學(xué)表達(dá)式 5 tp N Ts的選取原則 以一階系統(tǒng)為例 設(shè)已知其時(shí)間常數(shù) 的近似值 1 tp 信號(hào)的截取長度 無限長信號(hào)被截?cái)喑捎邢揲L度為tp的信號(hào) 這意味著將有限長度tp的信號(hào)開拓為重復(fù)周期為tp的周期信號(hào) 因此 截?cái)鄷r(shí)應(yīng) 首 尾 相接以不增加間斷點(diǎn)為宜 故本測(cè)試儀中 tp應(yīng)是試驗(yàn)用輸入方波信號(hào)周期T0 1 f0的整數(shù)倍 tp NTs 9 20 tp KT0 K f0 K 1 2 3 9 21 圖9 30信號(hào)截取 K 1 最小截取長度為K 1 如圖9 30所示 由tp可知頻譜分析的基波f1及諧波頻率 f1 1 tp 9 22 2 N 2n tp時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù) 其值取2的冪次 這是FFT基2時(shí)間偶奇算法所要求的 由N值可知最高次諧波序號(hào)為N 2 1 為了獲得完整的傳遞函數(shù) 可令 對(duì)于一階系統(tǒng) 9 23 于是基波頻率為 9 24 2 Ts 采樣間隔 當(dāng)N值確定不變時(shí) 若Ts取值過大 則tp與K值將隨之增大 獲得的譜線將過密 最高次諧波的頻率值則偏低 傳遞函數(shù)特性不完整且誤差大 反之 若Ts取值過小 tp與K值隨之減小 獲得的譜線將過疏 有可能基波頻率f1 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率 傳遞函數(shù)特性也不完善 在K 1時(shí) Ts tp N 代入公式 9 24 9 22 有 9 25 圖9 31虛擬傳遞函數(shù)測(cè)試儀主程序流程圖 9 4 6 4實(shí)驗(yàn)儀器清單 見表9 18 表9 18 9 4 6 5虛擬傳遞函數(shù)測(cè)試儀器描述虛擬傳遞函數(shù)測(cè)試儀儀器面板如圖9 32所示 圖9 32虛擬傳遞函數(shù)測(cè)試儀儀器面板 面板上的 功能選擇 控件用來選取本系統(tǒng)的工作狀態(tài) 分為 實(shí)測(cè) 和 仿真 兩部分 默認(rèn)位置為 仿真 仿真功能用來分析一階RC低通濾波器的傳遞函數(shù) 輸入的方波信號(hào)與被分析的一階RC濾波器均由軟件生成 實(shí)測(cè)功能則是由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)作為輸入信號(hào)來測(cè)定一個(gè)實(shí)際系統(tǒng) 環(huán)節(jié) 1 仿真部分 1 參數(shù)設(shè)置控件 采樣點(diǎn)數(shù) 控件由用戶自行設(shè)置信號(hào)的采集點(diǎn)數(shù)即頻譜圖的譜線數(shù)目 范圍為32 1024 譜圖選擇 控件用來選擇在顯示窗中顯示頻譜分析的幅值譜圖 可選擇輸入信號(hào) 輸出信號(hào)或傳遞函數(shù)這三者中的任一個(gè) 時(shí)間常數(shù) 控件是用戶自行設(shè)定 則由軟件自動(dòng)生成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為設(shè)定值的一階RC低通濾波器 2 計(jì)算值回顯控件 基波頻率 f1 轉(zhuǎn)折頻率 和 采樣間隔 Ts控件都是回顯窗 用來自動(dòng)顯示由公式 9 25 9 24 及的計(jì)算值 采樣周期 Ts 可由用戶根據(jù) 采樣間隔 Ts回顯窗的提示值來設(shè)置 也可以增大或減小 用以觀察Ts Ts或Ts Ts時(shí)對(duì)獲取的系統(tǒng)傳遞函數(shù)特性的影響 2 實(shí)測(cè)參數(shù)設(shè)置部分 采樣點(diǎn)數(shù) 控件表示數(shù)采卡一次采樣點(diǎn)數(shù) 周期點(diǎn)數(shù) 控件回顯一周期內(nèi)的信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù) 應(yīng)微調(diào)信號(hào)源頻率使其最接近2n 譜線數(shù) 控件由用戶設(shè)定 設(shè)定值是與 周期點(diǎn)數(shù) 回顯值最接近的2n數(shù)值 3 命令控制按鈕部分 1 啟動(dòng)仿真 控件用來對(duì)被測(cè)系統(tǒng) 即一階RC低通系統(tǒng) 的分析計(jì)算 分析結(jié)束后在顯示窗中顯示三種波形 黑線表示輸入信號(hào)波形即方波信號(hào) 藍(lán)線表示方波通過被測(cè)系統(tǒng)后的輸出波形 紅線表示被測(cè)系統(tǒng)的全部譜線圖 IFFT 控件用來顯示其輸入信號(hào)的真函數(shù) 2 啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集 控件用于啟動(dòng)對(duì)實(shí)際輸入 輸出兩路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集 3 分析計(jì)算 控件用來對(duì)啟動(dòng)采集到的兩路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 幅頻顯示 控件用于顯示實(shí)測(cè)信號(hào)傳遞函數(shù)的有效譜線幅值譜圖 或在仿真時(shí)顯示輸入信號(hào) 輸出