采用LabVIEW 8.2的多用虛擬電壓表原理及設(shè)計

概述：為了滿足不同測量的要求傳統(tǒng)的電壓表分別做成獨立的儀表，包括峰值電壓表、平均值電壓表和有效值電壓表。在此，提出采用虛擬儀器同時實現(xiàn)三種示值電壓表的方案；介紹了虛擬儀器軟件平臺LabVIEW的特點。對虛擬數(shù)字電壓表的設(shè)計和實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)描述，包括基于LabVIEW 8．2的虛擬信號發(fā)生器的實現(xiàn)過程，它能產(chǎn)生正弦、方波、三角波及由輸入數(shù)學(xué)公式確定的復(fù)雜自編輯波形。最后，對設(shè)計的虛擬電壓表運行結(jié)果進(jìn)行分析，驗證了虛擬電壓表設(shè)計方法的正確性。

虛擬儀器是隨著計算機(jī)技術(shù)、電子測量技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型儀器。它充分利用計算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和顯示能力，利用軟件完成數(shù)據(jù)的采集、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測試結(jié)果的顯示等，通過軟、硬件的配合，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能，真正實現(xiàn)了“軟件即儀器”的概念，用戶可以方便地對儀器進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)展。
電壓是電路中常用的電信號，通過電壓測量，利用基本公式可以導(dǎo)出其他的參數(shù)。因此，電壓測量是其他許多電參數(shù)和非電參數(shù)量的基礎(chǔ)。測量電壓相當(dāng)普及的一種測量儀表就是電壓表，但常用的是模擬電壓表。模擬電壓表根據(jù)檢波方式的不同。分為峰值電壓表、均值電壓表和平均值電壓表，它們都各自做成獨立的儀表。這樣，使用模擬電壓表進(jìn)行交流電壓測量時，必須根據(jù)測量要求選擇儀表。另外，多數(shù)電壓表的表頭是按正弦交流有效值刻度的，而測量非正弦波時，必須經(jīng)過換算才能得到正確的測量結(jié)果，從而給實際工作帶來不便。
采用虛擬電壓表，可將表征交流電壓特征的峰值、平均值和有效值集中顯示在一塊面板上，測量時可根據(jù)波形在面板上選擇儀表，用戶僅通過面板指示值就能對測量結(jié)果進(jìn)行分析比較，大大簡化了測量步驟。

1 虛擬電壓表的設(shè)計思路
LabVIEw 8．2版本的工程技術(shù)比以往任何一個版本都豐富．它采用了中文界面，各個控件的功能一目了然。利用它全新的用戶界面對象和功能，能開發(fā)出專業(yè)化、可完全自定義的前面板。LabVIEW 8．2對數(shù)學(xué)、信號處理和分析也進(jìn)行了重大的補(bǔ)充和完善，信號處理分析和數(shù)學(xué)具有更為全面和強(qiáng)大的庫，其中包括500多個函數(shù)。所以在LabVIEW 8．2版本下能夠更方便地實現(xiàn)虛擬電壓表的設(shè)計。
虛擬電壓表是基于計算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)的模塊化系統(tǒng)，通常它由控制模塊、儀器模塊和軟件組成，由軟件編程來實現(xiàn)儀器的功能。在虛擬儀器中，計算機(jī)顯示器是惟一的交互界面，物理的開關(guān)、按鍵、旋鈕以及數(shù)碼管等顯示器件均由與實物外觀相似的圖形控件來代替，操作人員只要通過鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關(guān)、按鍵等設(shè)置各種參數(shù)，就能根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。在虛擬電壓表的設(shè)計中，考慮到儀器主要用于教學(xué)和實驗，使用對象是學(xué)生，因此將引言中提到的三種檢波方式的儀器合為一體，既簡化了面板操作，又便于直接對比。
該電壓表主要用于電路分析和模擬電子技術(shù)等實驗課的教學(xué)和測量儀器，能夠使學(xué)習(xí)者了解和掌握電壓的測量和電壓表對各種波形的不同響應(yīng)。因此，虛擬電壓表應(yīng)具備電源開關(guān)控制、波形選擇，以及顯示峰值、有效值和平均值三種結(jié)果，且輸入信號的大小可調(diào)節(jié)等功能。虛擬電壓表由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口包括儀器接口設(shè)備和計算機(jī)，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通信，并以虛擬儀器面板的形式在計算機(jī)屏幕上顯示與真實儀器面板操作相對應(yīng)的各種控件。在此，用軟件虛擬了一個信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器可產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，還可以輸入公式，產(chǎn)生任意波形。根據(jù)需要，可調(diào)節(jié)面板上的控件來改變信號的頻率和幅度等可調(diào)參數(shù)，然后檢測電壓表的運行情況。因此，在LabVIEW圖形語言環(huán)境下設(shè)計的虛擬電壓表主要分為兩個部分：第一部分是虛擬電壓表前面板的設(shè)計；第二部分是虛擬電壓表流程圖的設(shè)汁。

2 前面板的設(shè)計
前面板模擬真實電壓表的前面板，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬電壓表控制軟件的核心。設(shè)計這部分時，主要考慮界面美觀、操作簡潔，用戶能通過面板上的各種按鈕、開關(guān)等控件來控制虛擬電壓表進(jìn)行測量工作。根據(jù)傳統(tǒng)電壓表面板控件的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分別在設(shè)計面板上放入模擬實際電壓表控件的數(shù)據(jù)輸入控件、顯示器、數(shù)據(jù)輸出控件、開關(guān)、選擇器，顯示器用于顯示輸入的信號波形；數(shù)據(jù)輸入控件主要用于輸入被測信號的信號頻率、采樣頻率、采樣數(shù)、振幅和相位；數(shù)據(jù)輸出控件則用于輸出被測信號經(jīng)過處理后得到的峰值、平均值和有效值及標(biāo)準(zhǔn)頻率的有效顯示。打開LabVIEW前面板的編輯窗口，點擊鼠標(biāo)右鍵，顯示控制模板，選擇圖形一波形圖，作為電壓表的顯示器。在顯示器模板上點擊鼠標(biāo)右鍵，對其進(jìn)行屬性設(shè)置，例如根據(jù)示波器的頻率與幅度值的變化，利用工具模板中的文字工具，對示波器橫(時間)、縱(幅度)坐標(biāo)的刻度進(jìn)行重新設(shè)置。用Graph控件設(shè)計的示波器是完全同步的，且波形穩(wěn)定。
選擇控件→數(shù)值→數(shù)值輸入控件／數(shù)值顯示控件，作為電壓表參數(shù)設(shè)置中輸入和測試結(jié)果的數(shù)據(jù)顯示。
選擇控件→下拉列表與枚舉→菜單下拉列表，放置對輸入波形選擇開關(guān)，在下拉列表中單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“編輯項”對其進(jìn)行編輯。
“電源開關(guān)”控件選擇經(jīng)典→經(jīng)典布爾→方形按鈕，當(dāng)按下開關(guān)時，虛擬電壓表開始運行，同時電源開關(guān)的指示燈亮。同樣，當(dāng)彈起開關(guān)時，虛擬電壓表停止運行。前面板如圖1所示。

3 流程圖的設(shè)計
每一個前面板都對應(yīng)一個流程圖程序。前面板的設(shè)計完成后，可對流程圖程序進(jìn)行設(shè)計。打開LabVIEW設(shè)計環(huán)境中的窗口→顯示程序框圖，進(jìn)入流程圖編輯窗口，與前面板各控件對應(yīng)的端口圖標(biāo)自動出現(xiàn)在流程圖編輯窗口中。利用LabVIEW中的功能模塊，根據(jù)虛擬示波器前面板各控件的作用和聯(lián)系，虛擬示波器運作后數(shù)據(jù)流的控制，分別在流程圖設(shè)計面板中放置各個功能模塊，合理擺放后，在用連線工具依次連接，以實現(xiàn)虛擬示波器的功能。數(shù)據(jù)流的編輯主要是對端口圖標(biāo)的連接。用連線工具進(jìn)行連線時，如果端口閃爍，說明相連的數(shù)據(jù)類型匹配，否則不能連接。
3．1 虛擬信號發(fā)生器的實現(xiàn)
由于虛擬電壓表主要用于演示，所以為了方便，可直接利用LabVIEW軟件產(chǎn)生仿真信號。在該設(shè)計中，設(shè)置了正弦波、方波和三角波以及由公式確定的任意波形。在程序設(shè)計框圖中，使用一個Case(選擇)語句對四種波形進(jìn)行選擇。Case語句中，每一個數(shù)字(0，1，2，3，4)都代表一種波形，與前面板控件中5種狀態(tài)相對應(yīng)。至于Case語句的制作，只需將4個圖標(biāo)中的一個，例如正弦波發(fā)生程序，用Case框起來，然后在上面的空白處寫上相應(yīng)的數(shù)字，例如1；然后點擊箭頭，可以設(shè)置第二個圖標(biāo)，如果要添加一個Case的話，可以點擊鼠標(biāo)右鍵，直接添加，編輯相應(yīng)的基本信號發(fā)生器VI中相應(yīng)的節(jié)點即可。在添加公式波時，要把基本信號發(fā)生器VI換成公式波形VI，0代表默認(rèn)狀態(tài)，表示無任何波形輸入。本文給出了Case結(jié)構(gòu)的一個分支，公式波形的流程圖如圖2所示。該子Ⅵ可使用指定時間函數(shù)的公式字符串生成一個函數(shù)波形，它要求公式的自變量必須是t，它所支持的運算符和常用的函數(shù)詳見參考文獻(xiàn)。