虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 專 業(yè): 學(xué) 號(hào): 姓 名: 2015年11月30日1 正弦信號(hào)的發(fā)生及頻率、相位的測(cè)量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：l 設(shè)計(jì)一個(gè)雙路正弦波發(fā)生器，其相位差可調(diào)。l 設(shè)計(jì)一個(gè)頻率計(jì)l 設(shè)計(jì)一個(gè)相位計(jì)分兩種情況測(cè)量頻率和相位：l 不經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集的仿真l 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集卡為PCI9112頻率和相位的測(cè)量至少有兩種方法l FFT及其他信號(hào)處理方法l 直接方法實(shí)驗(yàn)過(guò)程：1、 正弦波發(fā)生器，相位差可調(diào)雙路正弦波發(fā)生器設(shè)計(jì)程序：相位差的設(shè)計(jì)方法：可以令正弦2的相位為0，正弦1的相位可調(diào)，這樣調(diào)節(jié)正弦1的相位，即為兩正弦波的相位差。 2設(shè)計(jì)頻率計(jì)、相位計(jì)方法一：直接讀取從調(diào)

2、節(jié)旋鈕處直接讀取數(shù)值，再顯示出來(lái)。方法二：直接測(cè)量使用單頻測(cè)量模塊進(jìn)行頻率、相位的測(cè)量。方法為將模塊直接接到輸出信號(hào)的端子，即可讀取測(cè)量值。方法三：利用FFT進(jìn)行頻率和相位的測(cè)量在頻率譜和相位譜上可以直接讀取正弦信號(hào)的主頻和相位。也可通過(guò)FFT求得兩正弦波的相位差。即對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，獲得信號(hào)的想頻特性，兩信號(hào)的相位差即主頻率處的相位差值，所以這一方法是針對(duì)單一頻率信號(hào)的相位差。前面板如下：程序框圖：2幅頻特性的掃頻測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、掌握BT3 D掃頻儀的使用方法。 2、學(xué)會(huì)用掃頻法測(cè)量放大電路的幅頻特性、增益及帶寬。 二、工作原理 放大電路的幅頻特性，一般在中頻段中最大，而且基本上不隨

3、頻率而變化。在中頻段以外隨著頻率的升高或降低，放大倍數(shù)都將隨之下降。一般規(guī)定放大電路的頻率響應(yīng)指標(biāo)為3dB，即放大倍數(shù)下降到中頻放大倍數(shù)的70.7%，相應(yīng)的頻率分別叫作下限頻率和上限頻率。上下限頻率之間的頻率范圍稱為放大電路的通頻帶，它是表征放大電路頻率特性的主要指標(biāo)之一。如果放大電路的性能很差，在放大電路工作頻帶內(nèi)的放大倍數(shù)變化很大，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率失真，相應(yīng)的頻率響應(yīng)指標(biāo)用不均勻度表示。 放大電路幅頻特性的測(cè)量方法有許多種：點(diǎn)頻法、多頻法和掃頻測(cè)量法等。這里僅介紹掃頻測(cè)量法。 掃頻法測(cè)量幅頻特性的基本測(cè)量電路如下圖所示。圖中的掃描信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)，一方面輸入到示波器的輸入端實(shí)現(xiàn)示

4、波器電子束水平掃描的控制，另一方面控制掃頻信號(hào)發(fā)生器（實(shí)質(zhì)上是一個(gè)調(diào)頻振蕩器）的振蕩頻率，隨著鋸齒波電壓從低到高作線性和周期性的變化。由于掃頻信號(hào)的頻率和掃描信號(hào)的電壓自動(dòng)地保持線性同步關(guān)系，故熒光屏上的水平掃描線變成了頻率坐標(biāo)線。掃頻信號(hào)加到放大電路的輸入端，由于放大電路對(duì)不同頻率的信號(hào)增益不同，故輸出電壓幅度便隨頻率的變化而變化。由“峰值檢波器”檢出的輸出信號(hào)的包絡(luò)曲線與幅頻特性曲線的形狀相同。這個(gè)包絡(luò)信號(hào)送至示波器的軸輸入端，在水平鋸齒波掃描電壓的作用下，可以在熒光屏上觀察到被測(cè)電路的幅頻特性曲線。 在幅頻特性曲線的實(shí)際測(cè)量中，需要對(duì)示波器熒光屏上幅頻特性曲線的頻率坐標(biāo)進(jìn)行“定標(biāo)”，以便

5、確定曲線各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率。為此，測(cè)量電路中還配備有“頻標(biāo)發(fā)生器”，它產(chǎn)生頻率為已知的頻率標(biāo)記信號(hào)，測(cè)量時(shí)疊加在頻率特性曲線上。為了使用的方便，將掃頻信號(hào)發(fā)生器、頻標(biāo)信號(hào)發(fā)生器、放大、檢波和示波顯示組合在一起，成為專門(mén)用于測(cè)量電路幅頻特性的專用設(shè)備，稱之為頻率特性測(cè)試儀。本實(shí)驗(yàn)將對(duì)VHF高頻調(diào)諧器（俗稱高頻頭）作幅頻特性方面的測(cè)試。 三、實(shí)驗(yàn)儀器 BT3D RF寬帶掃頻儀，穩(wěn)壓電源，高頻信號(hào)發(fā)生器，VHF高頻調(diào)諧器 四、實(shí)驗(yàn)步驟 （一）、掃頻儀電氣性能的檢查(填附表一) 1、掃頻范圍（中心頻率1-300兆，掃頻寬度1-40兆連續(xù)可調(diào)） “全掃”方式下從零頻數(shù)得的50兆頻率標(biāo)記數(shù)應(yīng)大于6個(gè)，“窄掃”

6、方式下，旋轉(zhuǎn)“中心頻率”旋鈕，從零頻數(shù)得的50兆頻率標(biāo)記數(shù)應(yīng)大于6個(gè)，“掃頻寬度”旋鈕順時(shí)針到最大，數(shù)得的10兆頻率標(biāo)記數(shù)應(yīng)大于4個(gè)。 2、寄生調(diào)幅系數(shù) 將“射頻輸出”端電纜與“Y輸入”端檢波探頭對(duì)接。輸出衰減0dB, Y軸衰減X1，調(diào)Y增益使屏上顯示適當(dāng)高度（6-7格）的矩形方框，測(cè)出方框的最大高度A和最小高度B，計(jì)算寄生調(diào)幅系數(shù)M 。 3、掃頻線性 連接方法同上，“中心頻率”處于任意位置，調(diào)“掃頻寬度” 約40兆， 查屏幕顯示任一相鄰10兆范圍間隔a和b，計(jì)算掃頻非線性系數(shù)r 。 （二）、對(duì)VHF高頻調(diào)諧器的測(cè)試(填附表二) 1、測(cè)繪某頻道下的總幅頻特性曲線 按要求進(jìn)行電路連接，“外頻標(biāo)輸

7、入”送入選定頻道的圖像載頻頻率，調(diào)整掃頻儀的相關(guān)旋鈕，使屏幕上顯示出符合要求的總幅頻特性曲線并測(cè)繪之。（VHF 112 頻道頻率表參見(jiàn)表三） 2、測(cè)繪某頻道下高頻調(diào)諧器的增益 電路不變，記下屏幕上曲線的高度及掃頻儀的輸出衰減量（設(shè)為N1）。將檢波探頭與掃頻輸出直接相連，調(diào)節(jié)輸出衰減量，使屏幕上兩根水平亮線距離與原來(lái)曲線的高度相同，記下此時(shí)的輸出衰減量（設(shè)為N2），則高頻調(diào)諧器的增益為N1-N2(dB)（測(cè)試過(guò)程中Y增益旋鈕不能再動(dòng)）。 4、測(cè)繪某頻道下高頻調(diào)諧器的通道帶寬 電路不變，測(cè)量時(shí)按帶寬的定義在曲線規(guī)定的范圍內(nèi)數(shù)出頻標(biāo)個(gè)數(shù)，再乘以頻標(biāo)所代表的頻率值，則可求得帶寬B（一般將輸出衰減量變化

8、3 dB）。 3 數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：l 連續(xù)、定時(shí)采集和存儲(chǔ)一個(gè)電壓信號(hào)l 可回放記錄數(shù)據(jù)的圖形，回放速度可調(diào)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)調(diào)用（用來(lái)分析和展示）。本實(shí)驗(yàn)中把“錄制波形”及“回放波形”兩大過(guò)程分別用兩個(gè)程序圖實(shí)現(xiàn)。通過(guò)寫(xiě)入程序記錄波形后，可通過(guò)回放程序?qū)τ涗浀牟ㄐ芜M(jìn)行回放。電壓記錄儀中設(shè)計(jì)了信號(hào)選擇及參數(shù)調(diào)節(jié)部分來(lái)模擬電壓的變化。通過(guò)信號(hào)選擇可以實(shí)現(xiàn)電壓種類的變化，如正弦、方波、直流，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值頻率的變化。通過(guò)調(diào)節(jié)記錄時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)記錄電壓波形的按需求記錄，如當(dāng)電壓變化不劇烈時(shí)可以將間隔設(shè)的大一些，而當(dāng)電壓變化

9、劇烈時(shí)將記錄時(shí)間設(shè)的短一些。收集的電壓信號(hào)存入一個(gè)波形數(shù)組，然后可以通過(guò)波形圖表顯示出來(lái)。在顯示的同時(shí)，將波形存入指定路徑的文件中。電壓回放的程序中主要實(shí)現(xiàn)了將電壓記錄儀記錄的波形數(shù)組讀入，然后顯示出來(lái)。在程序中使用一個(gè)for循環(huán)實(shí)現(xiàn)了對(duì)波形數(shù)組的索引，并通過(guò)調(diào)節(jié)for循環(huán)的延時(shí)實(shí)現(xiàn)了回放時(shí)間間隔的可調(diào)。電壓記錄儀前面板：電壓記錄儀程序框圖：電壓回放前面板：電壓回放程序框圖：4功率表的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：l 一個(gè)周期（或若干個(gè)整周期）的平均功率、有功功率l 同時(shí)計(jì)算視在功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、相位差等首先，應(yīng)當(dāng)在環(huán)境下（不經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集,使用仿真信號(hào)源）檢查算法的效果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：在交流電中，電壓電流

10、都隨時(shí)間而變，因此電壓與電流的乘機(jī)所表示的功率也隨時(shí)間而不斷變化。但是在交流功率中，還有許多具體的內(nèi)容。如有有功功率，功率因數(shù)，視在功率，無(wú)功功率，瞬時(shí)功率等在現(xiàn)實(shí)功率占有很高的地位。電阻元件的瞬時(shí)功率p=ui=UI(1-Cos2t)。瞬時(shí)功率是t趨近于0時(shí)的功率p=lim(t0)W/t=lim(t0) F*s*cos/t = F*v*cos。其中v是瞬時(shí)速度，W是功，s是位移，是力與位移或速度的夾角。在正弦穩(wěn)態(tài)電路中我們知道P(t)=u(t)*i(t)。在這里都是瞬時(shí)值,其中u(t)和i(t)是用正弦表示的函數(shù)。功率因數(shù)是在在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)c

11、os表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cos=P/S。在一般的單相交流電路（頻率為50Hz）中，電壓與電流之間總存在一定的相位差，可以把電壓和電流分別表示為u(t) =U0 cosw t,和i(t) = I0cos(w t-) .電源輸給該交流電路的瞬時(shí)功率可以表示為 (1)可見(jiàn)，瞬時(shí)功率是由兩項(xiàng)組成，一項(xiàng)是與時(shí)間無(wú)關(guān)的常數(shù)項(xiàng)，另一項(xiàng)是以二倍頻率隨時(shí)間變化的周期性函數(shù)。通常是用電流在一個(gè)周期內(nèi)所完成功率的平均值, 即平均功率來(lái)表示交流電的功率，而不是用瞬時(shí)功率。交流電的平均功率也稱有功功率，是由下式定義的 (2)將式(1)代入式(2)，得 (3)式中COS稱為功率因數(shù)，表示

12、有功功率在UI中所占比率。上式表示，交流電的有功功率等于電壓和電流的有效值與功率因數(shù)三者的乘積。在純電阻電路中，= 0，COS=1，表示電源提供給電路的有功功率為最大。在純電感或純電容電路中，=± p/2，COS= 0，。從式(1)看，在這種電路中功率的瞬時(shí)值并不總為零，只是正值功率的時(shí)間與負(fù)值功率的時(shí)間相等。瞬時(shí)值為正值，表示電源向電路提供能量；瞬時(shí)值為負(fù)值，表示電路將能量回授給電源。平均功率為零，說(shuō)明電源向電路提供的能量與電路回授給電源的能量相等。在一般情況下，+ p/2 >>- p/ 2，1 > COS> 0，。這時(shí)，正值功

13、率的時(shí)間長(zhǎng)于負(fù)值功率的時(shí)間，即電源對(duì)電路提供的能量大于電路回授給電源的能量。所以，在下述實(shí)驗(yàn)中，我們以一般單相交流電路為基礎(chǔ)，其中有功功率P=UICOS，功率因數(shù)=COS，無(wú)功功率Q=UIsin，視在功率（S）、有功功率（P）和無(wú)功功率（Q）構(gòu)成一個(gè)直角三角形，我們稱為功率三角形。得S*S=P*P+Q*Q，且COS= P/Q。結(jié)構(gòu)框圖如下：電壓波形電流波形采樣有效值檢測(cè)有效值檢測(cè)視在功率功率因數(shù)COS有功功率無(wú)功功率瞬時(shí)功率相位差功率分析的結(jié)構(gòu)框圖在界面設(shè)計(jì)中，界面分為操作界面和顯示界面，如下圖所示，圖的左邊為用戶操作區(qū)，而右邊為結(jié)果顯示區(qū)。在用戶操作區(qū)中，上面為波形設(shè)計(jì)，用于生成頻率50Hz

14、的電壓波形和電流波形，通過(guò)旋鈕等器件可控制電壓和電流波形的大小和相位等參數(shù)。下面則為通過(guò)計(jì)算所得的有功功率，功率因數(shù)，視在功率，無(wú)功功率，瞬時(shí)功率和電壓電流有效值。另外，還有一個(gè)波形選擇的按鈕，也算一個(gè)總的控制選擇開(kāi)關(guān)，用戶通過(guò)按鈕可以旋轉(zhuǎn)電壓波形，電流波形，電壓/電流波形，功率波形。在顯示界面區(qū)，在四個(gè)顯示屏中顯示電壓波形，電流波形，電壓/電流波形，功率波形。前面板：內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：1）電壓波形的產(chǎn)生與顯示如下圖所示，使用sine wave.vi產(chǎn)生電壓波形。改變sine wave.vi中的采樣，幅值，頻率，相位輸入的大小即可使電壓波形發(fā)生變化，等到用戶所需要的電壓波形，并顯示在graph

15、中。電壓波形內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）電流波形的產(chǎn)生與顯示如下圖所示，和電壓的產(chǎn)生一樣，使用sine wave.vi產(chǎn)生電流波形。改變sine wave.vi中的采樣，幅值，頻率，相位輸入的大小即可使電流波形發(fā)生變化，等到用戶所需要的電壓波形，并顯示在graph中。電流波形內(nèi)部結(jié)構(gòu)3）電壓和電流波形產(chǎn)生與顯示如下圖所示，此結(jié)構(gòu)的功能就是將電壓和電流共同顯示在一個(gè)屏中的，便于用戶觀察和對(duì)比。將電壓波形和電流波形（采樣后）作為數(shù)組的元素通過(guò)Build Array組成數(shù)組一起顯示在graph中Build Array電壓和電流波形內(nèi)部結(jié)構(gòu)4）功率波形的產(chǎn)生與顯示如下圖所示，功率波形的產(chǎn)生與顯示是虛擬功率的分析與設(shè)計(jì)非常重要的一個(gè)模塊，即核心模塊。 首先，先用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=電壓有效值U*電流有效值I，求出視在功率。Cycle Average and Rms.vi其次，由于考慮的是交流電，采集后的電壓和電流波形會(huì)產(chǎn)生一定的相位差，根據(jù)功率因數(shù)等于相位差的余弦，這樣就能等到功率因數(shù)。因此也就能計(jì)算出有功功率，無(wú)功功率。 最后，采樣后的