基于虚拟仪器的多路电压测量的设计与实现

陈世超

（四川大学 四川 成都 610064）

传统的数字电压表采用的A／D转换器件和通用集成逻辑器件来设计，这样的设计比较固定不便于系统的修改和升级，缺乏灵活性。以单片机为核心的数字电压表设计是目前使用作为广泛的设计方式，但它的功能修改及调试需要硬件电路的支持。本文设计的虚拟仪器的多路电压测量可以很好的克服这一缺点，它能够很高的实现可扩张性，同时能够准确稳定的实现多路直流电压的测量以及交流电压的频率的准确测量。

现代测量仪器系统正向着智能化、自动化、小型化、模块化和开放系统的方向发展，基于虚拟仪器的电子测量仪器可满足这种要求。用虚拟仪器技术完成的多路数字电压表利于系统的集成，提高和系统的测量精度，适合广泛应用于实验室测量，解决科研投资和维护等问题。

1 系统设计及原理

系统的构成见图1所示，该系统大致有三部分构成，待测电压经过采集卡把数据传入pc机，经过LabVIEW对采集的数据进行分析，从而判断其电压类型，从而显示。传统的数字电压表的直流和交流的区分是通过选挡实验区分的，本系统可以首先待测电压的类型进行判断。

图1 系统构成图Fig.1 Picture of system configuration

数据采集是LabVIEW的核心技术之一。也是LabVIEW与其他编程语言相比的优势所在。本系统采用的数据采集卡NI公司生产的数据采集设备NI USB-6008。NI USB-6008可提供 8个模拟输入（AI）通道、2个模拟输出（AO）通道、12个数字输入/输出（DIO）通道以及一个带全速USB接口的32位计数器。采集信号的电压范围-10～+10 v，最大采样率10 kS/s。由于NI USB-6008可提供8个模拟输入，这就说明该系统至少可以实现八路数字电压的测量，它的电压范围也就这该系统可以测量电压的量程。

2 基于LabVJEW的软件程序设计

文中设计的三路电压测试程序如图2所示，改程序分为4个部分，待测电压读取部分，电压类别分析部分，电压幅度计算和频率计算部分及电压和频率显示部分，由于该采集卡可接受8路信号，所以改程序还可扩展5路信号，该系统可以很方便的实现其扩展。该系统采样率为200 Hz，采集的类型为多通道多点采集方式。下面介绍具体模块的设计思想。

2.1 电压类型判断

直流电压是指大小和方向均不随时间变化的电压，交流电压是指大小和方向随时间变化而变化的电压。根据它们的定义可以知道直流电压大大小随时间不变，所以，只需要把采集前后的点相比较，从而判断电压的类型。改程序的具体实现如图3所示，利用求平均值的模块把采集到的数据平均，然后和采集到的每个数据进行比较，他们差的绝对值是否为零是判断直流和交流的条件。

图2 三路电压测量程序Fig.2 Three-way voltage measurement procedure

图3 电压类型判断Fig.3 Voltage type of judgment

2.2 电压测量与显示

电压的测量可区分为直流电压的测量，直流电压只需测量出它的幅度即可，而交流电压不仅要计算出它的幅度还有精确的测量出它的频率。直流电压的显示如图4所示，前面板由输入控制和输出显示两部分组成，操作方便，界面友好。输入控制用来控制系统的运行方式，决定测量的开关。输出显示用来显示测量的结果，同时，面板上模拟了指针式仪表的指针，用来指示被测量的大小。两个布尔数组指示灯控件分别显示每次比较结果和是否超出量程，由于测试存在随机性，程序还设计了自动报警功能。

图4 直流电压显示Fig.4 DC voltage display

基于对交流电压表原理的分析，在设计的过程中，利用LabVEW提供的工具模块对采集的电压信号通过不同形式的检波、计算等处理分析得出交流电压信号的有效值、峰值和平均值。对于一个纯粹的交流电压，正半周期信号和负半周期信号对称，平均值等于零，所以一般我们不直接测量平均值。 在设计时，按 Functions＞＞Nu-meric＞＞Absolute value 取交流电压的绝对值，然后求平均值，即全波平均值；交流电压中的最大值，即为峰值。可以把数据进行比较求出最大值，可通过Waveform.MinMax来进行处理；用DC value测量直流分量和用RMS value测量有效值。这样即把有赖于硬件电路的测试全部由软件来实现，提高系统的性能及集成度。其设计的程序框图如图5所示。频率的测量是通过利用Peak Detector找到最大点，而两个最大点的间隔就是周期，为了保证测量的准确性，我们在这里加上了阈值，从而保证测试的准确性，由于采用的采样率为200 Hz，可根据间隔数算出频率。基于USB6008设计的电压表，采样正弦信号的最高频率为2 000 Hz，显示波形的最高幅度为7 V。

3 系统分析

图5 交流电压测量Fig.5 AC voltage measurement

虚拟直流电压表针对不同的电压输入，其量程的大小影响测试的精度，在测量电压时，应使被测电压在量程的2／3以上。一般量程应选定在被测电压的3倍值以上。当输入直流测试信号在0～3 V时，测试的量程应选在10 V，其测试的误差基本为0.001 2 V。交流测试时，利用信号发生器发出测试信号，将虚拟电压表和万用表与示波器的测试值进行比较，虚拟电压表测试值如表1所示。在测试中，应注意合理设置采样率，其是减小测量误差的重要途径。通过下表可以看出虚拟仪器设计出来的多路数字电压表的测量的准确性还是比较高的，可以很好的满足实验室的测试要求，能够很好的应用的电路的电压测量中。

4 结束语

基于DAQ及LabVIEW的数字电压表能够实现数字电压表的功能，可视化的前面板控件构造仪器的用户界面，人机交互性强，界面友好。经过调试、运行，该设计能满足实验室用数字电压表的设计要求；且系统功能扩展方便，通过增加部分软件，就可以实现多路测量的功能，可解决现有实验设备的技术更新与维护困难等难题。

表1 虚拟仪器测得的电压Tab.1 virtual instrument measured voltage

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