数字万用表

数字万用表 2008届电子信息工程专业毕业设计 数字万用表 摘要: 介绍了一种基于虚拟仪器软件开发平台LabVIEW的数字万用表。通过数据采集卡很方便的实现了信号与计算机和软件程序之间的传递。这种万用表克服了传统数字万用表面板固定～不易升级维护等缺点～具有交好的发展前景。文中给出了测量原理、设置操作和实际的编程步骤。整个系统界面友好～容易操作～体现了现在虚拟仪器的发展方向。 关键词:虚拟仪器 LabVIEW 数字万用表 数据采集卡 1引言 数字仪表是把连续的被测模拟量自动地变成连续的、用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。数字万用表(DMM)是指可直接测量电压、电流、电阻或其他电参量的仪表，其功能可任意组合并以十进制数字显示被测量的结果，应用十分广泛。与传统的模拟测量仪表相比，避免了人为的“视差”，提高了准确性和可靠性。 传统数字万用表在测量中，通常都是手动测量，速度慢，工作量大。在数据记录和输入计算的过程中，重复劳动较多，效率不高，而且易引入人为误差。传统的数字万用表是由专业厂家生产的具有特定功能和仪器外观的测试设备，采用固化了的系统软件，固定不变的硬件电子线路和专用的接口器件，具有固定不变的操作面板，而且功能固定，其系统封闭固定、扩展性能差，用户只能完成单一的或固定的测试工作。美国国家仪器NI公司的LabVIEW软件，提出了与传统电子测量仪器完全不同的的概念，即“软件即仪器”。虚拟仪器具有操作性强，速度快，简单易学等优点，能够实现自动化测试，改变了传统仪器的概念、模式和结构，用户可以通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关、按键等选用仪器功能，设置各种参数，启动或停止一台仪器的工作，实现自定义仪器的功能。基于LabVIEW的数字万用表自动化程度高、可靠性高、价格低、升级容易、可维护性好，因此用户可以用较少的资金，较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统。这样不但节省人力物力资源，而且测试速度快，具有测量数据点多，准确可靠的优点，也是未来计量测试行业不断发展的趋势。 LabVIEW是美国NI(National Instrumenrs)公司的产品，采用图形化编程语言—G语言。LabVIEW是一种通用的编程系统，具有各种各样功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB 、串行仪器控制、数据分析显示存储功能，同时它也有完善的仿真、调试工具,如设置断点、单步运行等。LabVIEW 的动态连续跟踪方式,可以连续、动态的观察程序中数据及其变化情况,比其他语言的开发环境更方便、更有效。因此，本文选择LabVIEW 7.0作为数字万用表的软件开发平台，结合PCI-6014数据采集卡，建立数字万用表的测试系统。 2 系统结构 第 1 页 共 19 页 段绪利:数字万用表 整个系统由测试系统辅助电路、数据采集卡、计算机界面和LabVIEW软件四个部分组成。测试系统辅助电路是为了让数据采集卡获得电阻、二极管等元件上的电压信号，从而得到元件上的电压值，送回计算机处理。由于计算机是以二进制存储和处理数据，数据采集卡采集元件上的模拟电压信号，经过A/D转换得到无失真的离散时间序列信号，送入计算机以便处理。计算机作为虚拟仪器的载体，对测量数据进行分析，运算，存储和显示。我们在设计中用的主机是PIV700/256PC机。LabVIEW软件是整个系统的关键和核心，所有的功能是通过G语言编程来实现的，它提供了VI集成开发环境，用户可以很方便的使用仪器面板，完成仪器的数据测试和处理。 整个系统的框图结构如图2.1所示: 图2.1 系统结构框图 3 数字万用表的构成原理及测量理论 3.1 数字万用表的分类 数字万用表亦称数字多用表，简称DMM(Digital Multimeter)。数字万用表是由直流数字电压表(Digital Voltmeter，简称DVM)与各种转换器组合而成的。其中直流数字电压表是数字万用表的基本组成部分，是数字万用表的核心，输入到万用表的各种电量及非电量最终都要换成直流电压量进行测试。 数字万用表是在20世纪60年代问世的，我国的数字万用表工业起步于20世纪70年代中期，先后经历了引进、发展、技术创新这3个阶段。目前我国数字万用表的产量已跃居世界首位，每年生产近千万台(块)中、低档数字万用表，并向100多个国家大量出口，占世界中、低档数字万用表总产量的85%以上。 数字万用表的种类很多，大致可以作以下分类: 1. 按量程转换方式分类: 手动量程数字万用表;自动量程数字万用表;自动/手动量程数字万用表 2. 按工作原理分类，即按A/D转换电路分类: 比较型数字万用表;积分型数字万用表;V/T型数字万用表;复合型数字万用表 3. 按性能及用途分类: (1)低挡数字万用表 (2)中档数字万用表 多功能型数字万用表;语音报数数字万用表;4-1/2位数字万用表 第 2 页 共 19 页 2008届电子信息工程专业毕业设计 (3)智能数字万用表 中档智能数字万用表;高档智能数字万用表 (4)双显示及多重显示数字万用表 (5)专用数字仪表 (6)数字校准仪 3.2数字万用表的测量原理 数字万用表是一种以测量直流电压为基础，配以各种变换而实现多种电参量测量的电子仪 表，其原理框图如图2.1所示: 图2.1 数字万用表的原理框图 由图可见，数字万用表的工作原理如下: 数字万用表主要由数字电压表和功能转换电路构成的，数字电压表是数字万用表的核心。除直流电压是由数字万用表直接测量外，各种测量参数的大小均是通过相应物理量的转换器将被测量转换为直流电压的大小，再由直流电压表加以显示。如被测量为电阻，则通过“Ω-V”变换器将被测电阻的大小转变为直流电压的大小，然后再由直流数字电压表检测后显示出测量结果。若被测量为电流，则由“I-U”变换器将被测量电流的大小变换为直流电压的大小，经过变换后的模拟电压信号再经A/D转换器变成数字信号，再经译码驱动电路送给LED显示器显示测量结果。 3.3 数字万用表的技术特点 3.3.1 准确度高 准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合，它表示测量值与真值的一致程度，也反映测量误差的大小。准确度越高，测量误差就越小，反之亦然。数字万用表的准确度有三种表达式: 准确度=?(a%RDG+b%FS) (式2.3.1) 第 3 页 共 19 页 段绪利:数字万用表 准确度=?(a%RDG+n个字) (式2.3.2) 准确度=?(a%RDG+b%FS+n个字) (式2.3.3) 式中，RDG为读数值(即显示值)，FS表示满量程值，n是量化误差在末位数字上的变化值。 数字万用表具有很高的准确度，仅以DCV档的基本误差(不含量化误差)为例，低档DMM为?0.5%，中档DMM为?0.1%,?0.5%，高挡DMM为?0.005%,?0.00005%。 3.3.2 显示直观 数字万用表采用数显技术，使结果一目了然，能够准确读数并缩短测量时间。许多新型DMM还增加了标志符(含测量项目、单位、特殊标记等符号)显示功能，使读数更加直观。数字万用表的显示位数分31/2位、32/3位、33/4位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位共9种。其中，31/2位、32/3位、33/4位仪表的最大显示值依次为1999、2999、3999，81/2位仪器为199999999。最大显示值加上，即为满量程值(此时仪表开始溢出)。 3.3.3 分辨力高 数字万用表在最低量程上末尾个字所对应的数值，就表示分辨力。它反映仪表灵敏度的高低，并且随着显示位数的增加而提高。以DCV挡为例，31/2位、41/2位仪表的分辨力分别为100微伏、10微伏。分辨力亦可用分辨率来表示。分辨率使指所能显示的最小数字(除零外)与最大数字的百分比。例如，41/2位仪表的分辨率为1/19999?0.005%。 3.3.4 测量速度快 数字万用表每秒对被测电量的测量次数叫测量速率，其单位是“次/s”。完成一次测量过程所需时间叫被测周期，它与测量速率呈倒数关系。31/2位、41/2位DMM的测量速率一般为2,5次/s。51/2位,71/2位DMM一般在几十,几百次/s。通过降低显示位数的方法可大幅度提高测量速率，PH3458A型81/2位DMM工作在41/2位方式下，最高测量速率可达10万次/s。 3.3.5 测试功能强 数字万用表可以测量DCV、ACV、DCA、ACA、Ω、VF、hFE、C、f、T、G。新开发的智能数字万用表还增加了测量有效值(TRMS)、最小值、最大值、设定上下限等功能，可满足各种测量的需要。 3.3.6 输入阻抗高 普通数字万用表DCV挡的输入阻抗为10MΩ，高档智能数字万用表可达10000MΩ以上。这样在测直流电压时不会影响被测电路或信号源的工作状态，减小测量误差。 3.3.7 低功耗 数字万用表采用CMOS大规模集成电路，整机功耗低、耗电省。普通DMM的功耗在30,40mW，可用9V叠层电池供电。51/2位,81/2位仪表的功耗一般也在几十瓦以下。 3.3.8 保护电路比较完善 数字万用表具有比较完善的过流、过压保护电路，过载能力强。使用中只要不超过极限值，即使出现误操作也不会损坏 A/D 转换器。但应力求避免误操作，以免损坏外围元件而影响正常使用。 4 LabVIEW和数据采集卡介绍 4.1 LabVIEW简介 第 4 页 共 19 页 2008届电子信息工程专业毕业设计 20世纪80年代中期，美国国家仪器公司(National Instrument,简称NI)首先提出了“软件即仪器”(The Software is the Instrument)这一虚拟仪器概念，并以具有强大功能的LabVIEW为虚拟仪器开发平台。这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。 LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，LabVIEW简化了虚拟仪器的开发过程，缩短了系统的开发和调试周期。 LabVIEW是一个功能比较完善的软件开发环境，使用图形化编程语言(G语言)编写程序。G语言是一种通用的编程语言，从理论上说，它和其他高级语言如Pascal、C等一样可以组建任何可能的应用程序。但是G语言主要是面向测量仪器领域的，包括了大量仪器系统中的库函数，用以完成实验室中数据采样、信号处理、仪器控制以及数据显示和存储等功能。LabVIEW用G语言、图标和连线代替文本的形式编写程序，为用户提供了简单、易学的图形编程方式，把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能，并用线把各种用图形表示的功能连接起来的简单形式，设计者可以象搭积木一样，轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板。 LabVIEW自1986年`正式推出，经过短短的二十几年的发展，已升级到LabVIEW8.5，包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制和PID控制等众多附加软件包。运行于Windous NT/98、Linux、Macintosh、Sun和PH-UX等多种平台的工业标准软件开发环境。在美国，许多工科大学已将LabVIEW作为课堂或实验室教学，作为培养工程师素质的一方面。不同领域的科学家和工程师都借助这个易用的软件包来解决工作中的各种应用问题。有专家估计，随着计算机硬、软件技术得快速发展，虚拟仪器会随之在本世纪前10年内获得迅猛发展，到2010年前后电测电控仪器中得50%以上将会使虚拟仪器，虚拟仪器不容质疑地将成为21世纪测控仪器得重要发展方向。 在测试与测量领域，LabVIEW已成为了该领域的工业标准，通过GPIB、VIX、PLC、串行设备和插卡式数据采集卡可以构建实际的采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Intermet、ActiveX、DDE和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。 LabVIEW程序称为虚拟仪器(Virtual Instrument)程序，简称VI。一个最基本得VI由3个部分组成:前面板(Panel)、框图程序(Diagram Programme)和图标/连接端口(Icon/Terminal)。前面板是模拟真实仪器的图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量，由控制(Control)、指示(Indicator)和修饰(Decoration)构成。框图程序用图形化编程语言编写，由节点(Node)和数据连线(Wire)组成。节点之间、节点与前面板之间是通过数据端口和数据连线来传递数据得。数据端口数据在前面板对象和框图程序之间传输得通道，是数据在框图程序内节点之间传输得接口。 4.2 数据采集卡 数据采集(Data Acquisition,DAQ)，是将被测对象(外部世界、现场)和各种参量(物理量、化学量、生物量)通过各种传感器件做适当转换后，再经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。控制器是由计算机承担，计算机或微处理器是数 第 5 页 共 19 页 段绪利:数字万用表 据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。 数据采集卡是一种在计算机上使用的板卡，它可以采集模拟信号，数字信号，拥有定时器的功能，同时还具有模拟输出的功能。数据采集卡具有高性能的数据采集与控制能力。我们使用的是它的模拟输出入功能。数据采集卡对来自传感器电路中输出的电压信号进行模数转换，采用保持，多路复用和放大。信号采集部分包括模拟输入和A/D转换两部分。当我们采用数据采集卡测量模拟信号时，必须考虑以下因素:输入模式、分辨率、输入范围、采样范围、采样速率、精度和噪声等。 系统设计中所使用的数据采集卡型号为NI PCI-6014。NI PCI-6014 是16位多功能数据采集卡。其特点如下: , 200kS/s的采样频率 , 16位精度的16路模拟输入通道(ACH0—ACH15) , 16位精度的2路模拟输出通道(DAC0OUT—DAC1OUT) , 4组不同的模拟输入范围(+/-10V，+/-5V，+/-0.5V，+/-0.05V) , 24位精度的2路定时器/计时器 , 数字触发器 , 8条数字I/O线(5VTTL/CMOS) , 用于简单的数据采集和OEM产品 , 支持开发工具LabVIEW, CVI, 和Visual Basic 和Visual Studio .NET , 包含NI-DAQ Measurement 软件 NI-DAQ驱动程序简化配置和测量工作操作系统。软件驱动NI-DAQ是一个非常强大的驱动软件，它包括了NI的所有数据采集和信号调理产品。这一简单易用的软件能将您的硬件产品与LabVIEW紧密集成，从而能充分利用系统中硬件的所有功能。 PCI-6014数据采集卡有100GΩ的输入阻抗，保证干扰电流不会影响流入的信号，从而大大提高数据精确度。它能探测到模拟输入信号4μV范围内的变化，从而为用户提供高质量的测量精确度。NI多功能DAQ测量板卡能保证温度在0?到55?之间时的精确测量。此外，它还可以自行校准，只需调用一个函数即能使温度漂移小于0.6 ppm/?。PCI-6014的端口引脚图如附图所示。 用于数据采集得成套设备称为数据采集系统(Data Acquisition System,DAS)，基于LabVIEW的数据采集系统如图4.1所示。 图4.1 基于LabVIEW的数据采集系统 第 6 页 共 19 页 2008届电子信息工程专业毕业设计 5 基于虚拟仪器技术的数字万用表的设计 5.1 虚拟数字万用表的原理 基于虚拟仪器技术的数字万用表系统由硬件设备和接口、设备驱动和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备和接口采用PCI-6014 DAQ数据采集卡，虚拟仪器开发平台采用NI LabVIEW 7.0，原理图如图5.1。计算机对PCI-6014 DAQ数据采集卡发出指令，启动数据采集卡采集输入的电压信号，采集后的信号由计算机进行存储、处理和显示，显示的结果包括电压，电流，电阻，二极管极性等。 图5.1 基于虚拟仪器技术的数字万用表的原理框图 5.2 虚拟数字万用表的硬件设计 虚拟元件参数测试对电阻、晶体管的测试原理与传统元件参数测试原理是一样的。 PCI-6014 DAQ卡具有模拟量输入、模拟量输出功能，在元件参数测试的设计中采取的办法是先由PCI-6014 DAQ卡输出模拟电压信号，将该电压信号加载到电阻、二极管、三极管元件上，最后再有PCI-6014 DAQ卡取出元件上的电压值，送回计算机处理。因此，在测试时需要增加辅助电路。 5.2.1 电阻测试辅助电路 图5.2为电阻测试辅助电路。图中DAC0OUT，ACH0，DGND分别对应PCI-6014 DAQ卡模拟端口的第22，66，18脚，其中DAC0OUT为模拟输出，ACH0为模拟输入，DGND为地。DAC0OUT也可以用DAC1OUT代替，ACH0可以用ACH1至ACH15中的任一引脚代替，DGND可以是15，12，13，9，7，4，53，50，44，39，36，35中的任一引脚。R为标准固定电阻，Rx为待测电阻。 0 第 7 页 共 19 页 段绪利:数字万用表 图5.2 电阻测试辅助电路 测量时，通过PCI-6014 DAQ采集卡DAC0OUT输出确定电压U，同时由ACH0读入Rx对应的10 电压值U，则待测电压值Rx为: 20 Rx= U R/(U- U) 2001020 为提高精度，可让DAC0OUT输出连续不断增加的电压，同时由ACH0不断读入相对应的电压值，按以上方法求出一系列的电阻值，最后通过取平均值方法求出最佳电阻值。 5.2.2 二极管测试辅助电路 二极管测试电路与电阻测试类似，将二极管负极接地，正极接限流的精密电阻，通过DAC0OUT输出模拟电压，接入数据采集卡，通过判断二极管的正向导通电压就可以判别被测二极管的管型。硅二极管的正向压降一般为0.5,0.7V，锗二极管的正向压降一般为0.1,0.3V。 需要说明的是，在电阻、二极管的测试中，标准电阻都要随被测电阻器做适当调整。 5.3 虚拟数字万用表的前面板设计 前面板用于设置输入数字和观察输出量，模拟真实数字电压表的面板。在功能设计时，考虑了虚拟数字万用表与真实数字万表的一致性，主要用于对电压、电流、电阻、二极管、三极管的测量。 通道选择按钮表示内存通道，与读数通道相对应，每个通道都可以放一组由外设端口或从数据文件中读出的原始信号数据。启动/停止按钮可以控制是否让虚拟数字万用表工作。 5.3.1 电压测试前面板 该面板可以测直流和交流信号。直流信号可测试电压大小，交流信号可测试正弦波、三角波和方波得有效值、频率、峰值和峰-峰值。电压测试前面板如图5.4所示: 第 8 页 共 19 页 2008届电子信息工程专业毕业设计 图5.4 电压测试前面板 5.3.2 电流测试前面板 电流测试可以测量直流电流值和交流电流的有效值。电流测试前面板如图5.5所示: 图5.5 电流测试前面板 5.3.3 电阻测试前面板 第 9 页 共 19 页 段绪利:数字万用表 电阻测试主要采集被测电阻电压和电源电压，能测试的电阻范围为1KΩ,1MΩ的电阻。电阻测试前面板如图5.6所示: 图5.6 电阻测试前面板 5.3.4 二极管测试前面板 以测试1N4007为例，正向导通情况下测出是硅二极管，与实际相符。二极管测试前面板如图5.7所示: 图5.7 二极管测试前面板 5.4 虚拟数字万用表的程序框图板设计 在设计信号的输入时，可采用两种。一是在不使用数据采集卡的情况下，利用LabVIEW 第 10 页 共 19 页 2008届电子信息工程专业毕业设计 信号产生功能，创建仿真信号放生器，这里用的是Basic Function Generator.vi。二是在使用数据采集卡的情况下，接受实际的输入信号。本设计采用的是第二种方法，可实现两个通道的数据采集。 5.4.1 电压测试程序框图 虚拟数字万用表的程序框图是以虚拟数字电压表为基础的。虚拟数字电压表的程序框图如图5.8，即电压测试程序框图。该程序框图能测试被测信号的电压有效值、频率、峰值等波形参数。 图5.8 电压测试程序框图 获得交流信号的峰值和峰-峰值 提取信号的频率 提取交流信号的直流分量 5.4.2 电流测试程序框图 通过采集固定电阻两端的电压信号，根据欧姆定律可算出电流大小:，,,,,。其程序框图如图5.9所示: 图5.9 电流测试程序框图 第 11 页 共 19 页 段绪利:数字万用表 在Case语句中，用了一个布尔量以切换直流电流和交流电流的测量。当为“Ture”时，测量交流电流。当为“False”时，测量直流电流。 5.4.3 电阻测试程序框图 电阻测试程序框图如图5.9所示: 图5.9 电阻测试程序框图 5.4.4 二极管测试程序框图 二极管测试时用了三个CASE语句，第一个CASE语句选择是否是测二极管，为“Ture” 时开关开启，测试二极管，当为“False”时，开关停止不测试。第二个CASE语句用于判断二极管是否处于正向导通状态，第三个CASE语句判断二极管的管型。二极管测试程序框图如图5.10所示: 图5.10 二极管测试程序框图 第 12 页 共 19 页 2008届电子信息工程专业毕业设计 6 整个系统的组建 6.1 数据采集卡的连接 数据采集卡的连接方式主要有两种:单端输入和差分输入。 单端输入是以一个共同接地点为参考点。图6.1为单端信号连接图。 图6.1 单端输入连接(Nonreferenced Single-Ended) 当输入信号为小信号(低于1V)或者原始信号与信号采集装置的连接距离大于10米时须差分信号连接，以抑制共模信号，减少噪声干扰。图6.2为差分信号连接图。采用差分接入方式时，两个模拟输入通道的选择并不是任意的，需满足两个通道号之差为,，即选定一个通道号为x，x<,，则另一通道号需为x+,。 图6.2 差分输入连接 (Differential) 在连接之前应进行通道设置，具体步骤如下: (1)双击Measurement&Automation图标 (2)右击Data Neighborhood后选Create new (3)再双击Traditional NI-DAR virtual channel (4)设置通道属性，选择模拟输入还是数字输入 (5)给设置通道命名 (6)选择你所采集数据的单位 (7)选择通道、输入连接方式 第 13 页 共 19 页 段绪利:数字万用表 例如:选择差分输入连接，选择通道AI3、AI11，将差分输入的V+连接到数据采集卡的AI3，即引脚30，将差分输入的V-连接到数据采集卡的AI11，即引脚63，并且接地。在测试过程中将数据采集卡的引脚32(系统地)、62(传感器地)同时接地。 PCI-6014数据采集卡是基于PCI总线的16位多功能高速数据采集卡，提供16路单端或8路差分模拟输入，2路16位模拟输出，最高采样率是200kS/s。同时提供8路数字1/0线和2个24位计数器/定时器。 6.2 数据采集卡的参数设置 数据采集卡设备要根据测试的条件和测试目的进行正确的设置才能正常工作，数据采集系统进行调试和运行时发生错误则需要对数据采集设备进行测试，以排除硬件故障，设备的测试在用户接口Measurement & Automation Explor中进行。 安装好数据采集卡以后，在Measurement & Automation Explor中建立通道，然后对各通道进行测试，选择“test panels”，对采集卡面板进行测试，用测试面板可以精确的检测设备是否正常运行，比如检验获取和产生信号的能力，在测试面板中可以观察虚拟通道的设备名、实际通道和输入端子的连接，测试或产生信号的类型。 本次设计主要是应用模拟输出通道和模拟输入通道，在设置通道的时候，应为AI通道，测试信号类型为电压信号。 6.3 虚拟数字万用表系统得组成 为了检验设计虚拟数字万用表的功能，设计了一个简单的测试系统，如图6.3所示。 图中，电脑显示左下角是NI PCI-6014数据采集卡和虚拟数字万用表辅助电路，用于数据采集和数据的测量;中间是安装有LabVIEW7.0软件得计算机，显示器显示得示设计好得基于虚拟仪器技术得数字万用表得前面板，通过鼠标或键盘可以控制虚拟数字万用表并显示测量数据;右边是传统得函数发生器，可产生不同频率、不同幅度得正弦波、方波和三角波信号。 图6.3 基于虚拟仪器技术的数字万用表的测试系统 第 14 页 共 19 页 2008届电子信息工程专业毕业设计 7 系统调试与运行 7.1 硬件调试 本设计用到的硬件主要是PCI-6014数据采集卡和元件参数测试辅助电路，其中数据采集卡测量的准确性直接影响到测试结果的准确性，因此较好的调试数据采集卡是硬件调试中的关键。 数据采集卡采集电路中的电压信号，并将其转换成计算机能处理的数字信号，通过数据采集卡驱动程序，数字信号进入计算机，在LABVIEW平台下，编写程序实现数据采集、回放以及信号处理。 在硬件调试过程中，要注意导线之间的相互干扰，因此数据采集卡最好采用差分接法。 本次设计的重点主要在软件的调试，硬件在调试时主要考虑电阻的选取，电源大小的问题，另外还要考虑在焊接时是否短路，线路是否连好等问题。 7.2 软件(程序)调试 在完成了程序的前面板和框图程序的设计后，就可以进行程序调试了。 运行和调试程序是用任何一门编程语言最重要的一步，通过这一步，编程者可以查找出程序中存在的各种错误，根据这些错误和运行结果修改、优化程序，最终得到一个正确可靠的程序，提供给用户使用。传统编程语言在运行程序之前，必须先编译源代码，然后再连接形成可执行代码。LabVIEW系统编译器是内置的后台编译，VI运行可自动完成编译并执行，系统的编译连接过程是不可见的。在LabVIEW中，主要通过运行和继续运行两种方式来运行VI，另外，LabVIEW编译环境还提供了单步运行、断点和探针等许多调试VI的手段，这些都可以让用户更加清楚地观察程序运行的每一个细节，为查找错误、修改和优化程序提供了有效的手段和依据。LabVIEW的程序错误类型大致可以分为硬件连接错误、I/O接口错误、程序结构和逻辑错误。 在软件调试时，要对每个程序进行单独的调试，以保证每个程序的正确性。 下面是对电压测试、电流测试、电阻测试和二极管测试分别记录的数据。 7.2.1 电压测试 (1) 直流信号电压测试:测试数据如表7-1所示: 表7-1 直流信号电压测试数据 输入信号幅度(V) 虚拟数字万用表测量结果(V) 数字万用表测试结果(V) 2.34 2.35 2.35 4.17 4.18 4.17 6.02 6.02 6.01 7.85 7.84 7.84 9.69 9.68 9.68 (2) 交流信号测试: 分别测试了正弦信号、三角波和方波信号。为了更好观察虚拟数字万用表测试结果，本设计同时用了万用表和示波器进行测量，由函数发生器输出正弦信号、三角波和方波信号。 测试的数据如表7-2、7-3、7-4所示: 第 15 页 共 19 页 段绪利:数字万用表 表7-2 正弦信号电压测试数据 输入信号(正弦波) 虚拟数字万用表测量结果 数字万用表 示波器 测试结果 测试结果 频率(Hz) 幅度 (V) 频率(Hz) 峰值(V) 有效值(V) 峰-峰值(V) 有效值(V) 峰-峰值(V) 无法测试 4.00 2.20 3.99 1.78 1.34 3.86 3.00 42.00 2.20 42.10 1.80 1.34 3.89 1.32 4.00 385.10 2.20 385.20 1.83 1.36 3.92 1.33 4.00 表7-3 三角波电压测试数据 输入信号(三角波) 虚拟数字万用表测量结果 数字万用表 示波器 测试结果 测试结果 频率(Hz) 幅度 (V) 频率(Hz) 峰值(V) 有效值(V) 峰-峰值(V) 有效值(V) 峰-峰值(V) 无法测试 4.00 2.20 4.00 1.84 1.07 3.76 3.60 42.00 2.20 42.01 1.85 1.06 3.78 1.02 3.80 385.00 2.20 385.00 1.86 1.07 3.78 1.01 3.90 表7-3 方波信号电压测试数据 输入信号(方波) 虚拟数字万用表测量结果 数字万用表 示波器 测试结果 测试结果 频率(Hz) 幅度 (V) 频率(Hz) 峰值(V) 有效值(V) 峰-峰值(V) 有效值(V) 峰-峰值(V) 无法测试 无法测试 4.00 2.20 4.00 1.97 1.97 4.02 42.00 2.20 42.04 1.95 1.98 3.97 2.16 4.40 385.10 2.20 385.00 1.94 1.98 3.96 2.17 4.00 测试数据说明，基于PCI-6014 DAQ虚拟数字万用表电压测试正常，测量误差小。直流电压的 测量范围为:0,10V，同时可测量常见的正弦信号、三角波和方波信号等交流信号，测量电压范围 在0,10V，频率范围为0,500Hz，分辨率:4μV。 7.2.2 电流测试 (1) 直流电流测试数据如表7-5所示: 表7-5 直流流测试数据 虚拟数字万用表测量结果(mA) 万用表测量结果(mA) 理论计算结果(mA) 14.74 14.40 14.57 11.95 11.68 11.82 9.16 8.95 9.05 6.36 6.22 6.28 3.58 3.50 3.52 (2) 交流电流测试数据如表7-6所示: 表7-6 交流电流测试数据 虚拟数字万用表测量结果(mA) 万用表测量结果(mA) 理论计算结果(mA) 5.33 5.38 5.55 7.37 7.00 7.60 9.44 9.01 11.70 12.46 11.85 14.30 第 16 页 共 19 页 2008届电子信息工程专业毕业设计 测试数据说明，基于PCI-6014 DAQ虚拟数字万用表电流测试正常，测试数据基本符合测量结果。电流测量范围:0~100 mA，带负载能力:10KΩ，分辨率:0.1mA，频率范围:0,500Hz。 7.2.3 电阻测试: 测试数据如表7-7所示: 表7-7 电阻测试数据 标准电阻(KΩ) 虚拟数字万用表测量结果(KΩ) 万用表测量结果(KΩ) 0.10 0.97 0.98 60 59.87 60.14 100 99.35 99.65 测试数据说明，基于PCI-6014 DAQ虚拟数字万用表电流测试正常，测试数据基本符合测量结果。电阻测试辅助电路的固定电阻为10 KΩ，其测量范围可以为100Ω~1MΩ，其测试范围主要受数据采集卡电压采集范围的限制。 7.2.4 二极管测试 以1N4007为例测试，正向导通情况下测出示硅二极管，与实际相符。 8 结论 测试结果说明，基于PCI-6014数据采集卡的虚拟数字万用表的所有控制和功能正常，测试的数据符合理论结果和设计的目标。本设计的数字万用表的性能指标如下: ◎直流电压测试:电压测试范围:0,10V;分辨率:4μV;输入阻抗:100GΩ ◎交流电压测试:频率测量范围:0~500Hz;电压测量范围:0~10V;分辨率:4μV; 输入阻抗:100GΩ ◎电阻测试范围:100Ω~1MΩ ◎直流电流测试:电流测量范围:0~100 mA;带负载能力:10KΩ;分辨率:0.1mA ◎交流电流测试:电流测量范围:0~100 mA;带负载能力:10KΩ;分辨率:0.1mA; 频率测量范围:0~500Hz ◎温度范围: 0,55?C，温度漂移:在6 ppm/?C范围内 由本设计可以看出，基于LabVIEW的虚拟仪器操作界面友好，容易操作和升级，而且大大节约了硬件开发的成本，是未来仪器发展的方向。但本次设计仅从系统构建角度和主要功能上考虑，并未对虚拟万用表的技术指标进行深入研究。如万用表的精度、分辨率、输入阻抗等考虑不周。另外，数据采集卡受外界干扰大，对测试结果影响较大，信号源本身的精度以及与数据采集卡的阻抗匹配等诸多参数在设计时还需仔细考虑。如果要完成自动化程序测试，仍还有许多工作要做，如在程序中加入与Excel通信的程序，让数据快速写入Excel，加快数据存储，提高工作效率和质量。 致谢语 本论文的完成，首先要感谢母校——重庆三峡学院的辛勤培育之恩。其次要感谢我的指导老师吴光杰副教授给我的指导和帮助，给我提供了良好的实验设计环境和很好的。再次要感谢在毕业设计中相互讨论的同学，他们也给了很好的建议。 第 17 页 共 19 页 段绪利:数字万用表 参考文献: [1] 陆绮荣等，基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M]，北京:电子工业出版社， 2006.10 [2] 王海宝，吴光杰等，LabVIEW虚拟仪器程序设计与应用[M]，西南交通大学出版社，2005 [3] 沙占友著译，模拟与数字万用表检测及应用技术[M]，北京:电子工业出版社 , 2000 [4] 杨乐平等编著，LabVIEW程序设计与应用[M]，北京:电子工业出版社，2001.7 [5] 张毅等编著，虚拟仪器技术分析与应用[M]，北京:机械工业出版社，2004.2 [6] 张易知等编著，虚拟仪器的设计与实现[M]，西安:西安电子科技大学出版社，2002.1 [7] 申焱华，王汝杰，雷振山编著，LabVIEW入门与提高范例教程[M]，北京:中国铁道出版社， 2006.10 [8] 美国NI公司著，汪敏生等译著，LabVIEW基础教程[M]，北京:电子工业出版社，2002.1书名 原文:National Instruments LabVIEW Basic I [9] 王磊,陶梅编著，精通LabVIEW 8.0[M]，北京:电子工业出版社 , 2007 [10] 马克联,张宏主编 ，万用表实用检测技术[M]，北京: 化学工业出版社, 2006 [11] NI公司，PCI-6014数据 Digital Multimeter DuanXuli Physics and Electronic Engineering College Of Chongqing Three Gorges College Wanzhou Chongqing 404000 Abstract: The Digital Multimeter based on LabVIEW software is introduced.It’s convenient to transfer signals between computer and software programme by the data acquisition card. This Digital Multimeter has a good prospects for development,it overcames some disadvantages of traditiona Digital Multimeter, such as the fixed surface plate, uneasy to upgrade .etc.The contents,such as the measuring principle,how to install the instrument and programming steps are described in detail in this paper. The whole system’s interface is friendly, easy to operate.It shows the development direction of the virtual instruments. Key s: Virtual instrument LabVIEW Digital Multimeter Data acquisition card 第 18 页 共 19 页 2008届电子信息工程专业毕业设计 附图: 附图1 PCI-6014的端口引脚图 第 19 页 共 19 页