电子信息工程综合实验.docx

1、电子信息工程综合实验实验报告实验名称：实验一 转速测量与控制实验二 温度测量与控制实验三 电量测量与分析实验四 LabVIEW 编程环境与基本操作实验实验五 虚拟信号发生器实验实验六 数据采集实验指导老师： 班级：班姓名： 学号：学院：自动化学院实验一 转速测量与控制一、实验目的1熟悉速度传感器工作原理2熟悉硬件设计原理3熟悉软件编程方法二、实验仪器PC 机、示波器、综合实验板、数字表，频率计三、实验设计原理1. 硬件设计原理整体设计框图速度传感器 放大整形 CPU I/O显示键盘D/A信号放大直流电机图 1-1 整体设计方框图其中，图的上半部分为测量部分，下半部分为控制部分CPU： AT89

2、C52I/O：人机接口，7290D/A：5618直流电机： =24vmV2. 软件设计原理4.89硬件初始化 5 5 5 定时Z L G 7 2 9 0 显示初始化从 T 0 计数器读入数据处理数据T L V 5 6 1 8 转换控量控制电机转速读取当前转速进入Z L G 7 2 9 0中断键值处理 退出中断更新显示数组刷新显示等待中断图 1-2 软件设计流程图四、实验步骤1. 按实验要求连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。2. 用键盘设置电机转速，从 500R/min 开始，当数码管显示的当前转速在设定转速附近上下小幅波动时或稳定在设定转速

3、时，用示波器测量 TLV5618 的OUTB 端的信号频率，用万用表测量 OUTB 端的信号电压、直流电机的输入电压（测试点为 f 对应 m2，VOUTB 对应 R23， 对应 m+）.mV mV3. 改变设定的转速，依次输入 500R/min2500R/min 之间的值，重复步骤2。4. 记录数据，处理数据。五、数据的采集和分析1数据采集表 1-1 所测参数设定参数R/m/H出fz误差/%/voutBV/vmA 转速方程600 3571 0.805 1.44 5.50900 5263 2.537 1.91 7.701200 7143 0.791 2.35 10.01= （R）outBV1f1

4、500 8621 4.211 2.79 12.161800 10417 3.546 3.21 14.192000 11628 3.100 3.55 15.87= （R）m2f4.835.254.944.682数据分析经过表 1-1 中数据计算， =4.918_A（1）在实验数据选择上，设定参数的前五个转速由上而下的以 300R/m 递增，同时测得数据 的值也相应以相似的差值递增，因此，我们设想 和转速outBV outBVR 成线性关系。设 = aR + c 式outB其中 a 和 c 为未定常量。因为 d /Dr = a = /R 式outBVoutBV将表 1-1 中数据代入式和式，可得到

5、表 1-2表 1-2 参数 a 和 c 的值a(10e-3) 1.57 1.47 1.47 1.4c 0.553 0.58 0.577 0.5736 0.55因此， =1.4775*10e-3_a=0.56672c因此， =1.4775*10e-3 * R +0.56672outBV（2）由表 1-1 可知， 和 成 倍的关系。outBmV由（1）中同样的分析方法可得： =7.235*10e-3 * R + 1.23013.用 Matlab 画出转速特性曲线 （1） outBV（2） mV实验二 温度测量与控制一、实验目的1熟悉温度传感器；2熟悉温度测量硬件设计原理；3熟悉温度测量软件设计原理

6、。二、实验仪器PC 机、示波器、综合实验板、电热水器、数字表三、设计原理1硬件设计原理（1）原理框图图 2-1 硬件设计原理框图（2） 硬件部分主要包括 4 块集成芯片、电热水器、温度传感器和双向可控硅等。信号产生与放大温度传感器：图 2-2 温度传感器结构示意图本实验是采用的是铂热电阻式温度传感器，它是一种负温度系数热敏电阻（NTC） ，特点是热电特性稳定，测温准确度高，可作标准热电偶。铂热电阻温度传感器的特点：铂的物理、化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的最好材料。铂丝的电阻值与温度之间的关系在 0630.755C 范围内为： ，B 的值在 量级。故电阻随温度变化的线20(1)tRAt71

7、0性度很好。电阻值随温度 T 的线性变化将引起铂热电阻两端的电位差 的线tV性变化，从而实现将温度信号转换为电信号。其具体结构如下：图 2-3 温度传感器等效电路图信号放大：传感器的输出电压信号比较小，一般只有几毫伏到几十毫伏，不足以驱动后边与之相连的芯片，并混有许多干扰信号，因此必须将信号放大到与下一极芯片驱动电压相匹配的程度，并去除干扰。该部分的功能是将随温度的变化灵敏度放大 200 倍，即交流放大倍数为 200，使进入tVAD7865 的采样信号变换范围扩大到 05V，使数据的处理精度提高。 这部分电路在实验板上是一个集成模块，在电路板下方中部。其等效电路图为：图2-4 温度传感器放大电

8、路信号采集与处理由于温度传感器输出的信号为模拟量，必须经过模数转换才能为 CPU 处理。将模拟电 信号转换成数字信号的过程称为 A/D 变换。本实验采用的芯片是AD7856，主要应用在温度测量系统中。芯片特点：高速，低耗，有 4 个采样通道，同时可以进行 4 路采样，输出 14 位位宽的并行数据。转换时间是 2.4us，信号分辨率位 V。12ref电路连接图：图 2-5 信号采集与处理电路原理图单片机：本实验中，单片机的型号使 AT89C52，是整个实验的核心，主要负责数据的数据采集、数据处理和显示，并控制直流电机。AT89C52 是一款具有低功耗和高性能的、CMOS 制造工艺的 8 位微处理

9、器，有 8K 字节的 FLASH 可编程和可擦除只读存储器（PEROM） 。有片内 2568位内部 RAM，32 根可编程 I/O 线，3 个 16 位定时/ 计数器，八个中断源，和可编程串行通道等。单片机将采集来的数据经过一定的算法处理后，输出给 D/A，来控制热水器状态。电路图与实验一相同。状态显示与键值设置本实验中用 ZLG7290 作为键盘接口和 LED 显示驱动。特点： 串行总线2IC接口，提供键盘中断信号，方便与处理器接口；可驱动 8 位共阴数码管或 64 只独立 LED 和 64 个按键；8 个功能键，可检测任意键的连击次数。因为ZLG7290 采用 串行总线，而 AT89C52

10、 内部没有集成 总线接口，因此利2IC2I用软件模拟 总线接口功能。控制电路本实验中，要通过设置温度来控制电热水器工作状态，需要将数字信号转换位模拟信号，电路中使用了 D/A 转换芯片 TLV5618。芯片特点：12 位双通道串行接口；可编程设置转换时间，高速模式下为 2.5us，低速模式下为12us； 89C52 将保存的设置预期转速值转换成串行数据输出到 5618 的 SDI 端，从 SDI 端输入的数字信号经 TLV5618 转换成模拟信号，由 OUTA 端输出。当当前温度值比设定的温度值小于 2以下时，OUTA 端输出 5V，双向可控硅导通，热水器开始加热；当当前温度值比设定的温度值不

11、小于 2时，OUTA 端输出 0V，双向可控硅截止，热水器停止加热。达到闭环控制目的。电路图：图 2-6 控制电路原理图（5）电热水器本实验中作为受控对象，受单片机控制。2软件设计原理C P U 初始化7 8 6 5 A D 转换请求Z L G 7 2 9 0 显示初始化从 A D 7 8 6 6 5 采集温度数据数据处理T L V 5 6 1 8 转化控制量控制热水器等待中断进入Z L G 6 7 2 9 0中断键值处理 退出中断更新显示数组刷新显示读取当前温度图 2-7 软件设计原理示意图源程序见附录四、实验步骤1按实验要求连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的

12、整个过程中要注意安全。2用键盘设置一个温度值，当数码管显示的温度与设定值相等时，用万用表测量温度传感器的输出电压 和放大后的电压 （测试点为： 等于 T1 与tVoutVtVT2 或 T3 之间的电位差； 等于 与参考地之之间的电位差） 。outout3测量电热水器的控制电压 。分别测量电热水器工作和停止时的控制adj电压 。adjV4测量温度阀值 。由软件设计原理可知，当当前温度比设定温度值不低t阀于 2时，电热水器断电停止加热；而当当前温度比设定温度值低于 2时，电热水器通电开始加热。我们称刚断电停止加热和重新通电开始加热时的温度称为温度阀值。5设定温度值从 2090，每 10设定一个值。

13、重复步骤 24。6记录数据，处理数据。五、数据采集与处理表 2-1 所测参数t 25 35 45 55 65 75 85 90/mvtV502 52.1 54.0 55.9 57.8 59.7 61.6 62.6/vout2.0 2.42 2.81 3.19 3.60 3.99 4.39 4.59= (t)t1f 0.1904t+45.433= (t)outV2 0.0397t+1.0188t= 1 =0.1904 , =0.0397tVoutA 221 205 200 215.7 210 210.5 200t/ 7.922e-3/vadjV4.99 0.318- /t设 阀 2 2 2 2

14、2 2 2 2参数的物理意义：温度传感器的变换电压tVA：增益。A= =21K分辨率 ：AD7865 工作使的参考电压为 ，14 位宽度，则此芯片的tr 5refV电压分辨率为 ， =0.0385 V/ ,所以温度分辨率14320.5*Vref _out0C为 rt=rv/ =7.922e-3_out利用 Matlab 绘制温度特性曲线：图 2-8 温度特性曲线实验三 电量测量与分析一、实验目的1熟悉电压互感器和电流互感器的工作原理2掌握电量测量与分析原理3熟悉电量测量硬件设计原理4熟悉电量测量软件设计方法二、实验仪器PC 机、示波器、综合实验板、数字表、电热水器三、实验设计原理1硬件设计原理

15、（1） 电量分析原理实际负载并不是完全的纯电阻特性，是既包括线性的电阻、电容和电感器件，也包括二极管、三极管等非线性器件，所以在 220V 正弦电压的作用下，负载两端的电流不在是正弦信号，而是含有丰富谐波分量的非正弦周期信号，电量参数的测试较为复杂。但是利用高度集成化的计算电量芯片 CS5460A 可以方便地设计出一个电量测试系统。为了便于分析测量地数据，现将相关电路理论阐述如下：对于正弦周期信号瞬时电压： max()cos()uutUt瞬时电流： iiI瞬时功率： max1cs()cos(2)2ui uipIt有效电压： U有效电流： maxI有效功率： max0011cos()cos(2)

16、2TTui uiPpdtItdtcos()uiUI视在功率: SUI无功功率： sin()uiQ功率因素： coiPS电压与电流的相位差： ui非正弦周期信号任一周期电流 地有效值 I 定义为： i 201()Titd假设一非正弦周期电流 可以分解为傅立叶级数：i0max11()sin()kktIwt将 带入有效值公式，则得此电流得有效值为：i 20max11sin()(TkkIIttd计算得 2220101kIII瞬时功率为： 0max10max11 1sin()sin()kukkikpuiUwtIwt 平均功率为： 01220cocTPpdtUUI 其中： ， ， ，max2kmaxkIk

17、uik1,负载特性：纯阻状态下，i 图与 u 图一样，为正弦波；非纯阻状态下， u 图为正弦波，i 图为非正弦波。（2） 硬件框图图 3-1 硬件原理框图2软件设计原理C P U 初始化C S 6 4 5 0 A初始化Z L G 7 2 9 0显示初始化等待中断进入Z L G 6 7 2 9 0中断键值处理更新显示数组等待中断进入C S 5 4 6 0 A中断测量参数处理退出中断退出中断刷新显示图 3-2 软件设计原理示意图实验程序见附录四、实验步骤1按实验要求连接电路，检查没有连接错误后，给综合实验板上电，开始实验。在实验的整个过程中要注意安全。2在实验板上测量。将电热水器作为负载接入电路，

18、键盘设置一温度值启动电热水器工作，按实验原理测量电量。 3用示波器测量。记录电压幅、电流幅度值、工作频率，测量电压和电流的相位差，并绘制电压、电流波形图。4分别将显示器和 PC 主机作为负载，重复步骤 2 和 3。5处理数据，填写表格。6用 Matlab 画出三种负载的电压和电流波形。五、数据的采集和分析1数据的采集与处理表 3-1 实验数据负载参数热水器 主机 显示器U /v 230 226 232I /A 3.25 0.4 0.31S 747 88 73P 724 64 27 0.97 0.72 0.36mU/mv185 185 185mI/mA80 15 30T /ms 20 20 20

19、u（t） 185cos100t185cos100t 185cos100ti(t) 80cos100t 7.5, 02157.5(2) , 247.5(10) , 101215+7.5(12) , 12140, 30+15 , 020 , 220INU/mv130.81 130.81 130.81IN/mA56.57 5.477 3.919 / 0 18 -18实验中，在综合实验板上直接测量的五个数据的含义为：a) 有效电压 U= =2mUpb) 有效电流 I= =Ipc) 视在功率（额定功率）S=UId) 有效功率 P=UI cos （090）e) 功率因数（反映电源利用率） = = cos

20、1PS在本实验中，热水器可近似为纯阻，因此，热水器的 U（t）表达式可以近似为正弦形式，I(t) 表达式也可以近似为正弦形式（如上表 1） ，电流 I 和电压U 相位差 为零值。主机运行时，主要表现为容抗，所以电流 I 和电压 U 相位差 为正值（滞后） 。显示器运行时，主要表现为感抗，所以电流 I 和电压 U 相位差 为负值（超前） 。根据示波器上显示的图形，可以将各 U（t）和 I(t)用上述数学表达式表示（如上表 1）2用 Matlab 画出三种负载的电压和电流波形21 热水器图 3-3 三种负载的电压波形图 3-4 主机的电流波形图 3-5 显示器的电流波形图 3-6 热水器的电流波形

21、实验四 LabVIEW 编程环境与基本操作实验一、实验目的1了解 LabVIEW 8.2 的编程环境。2掌握 LabVIEW 的基本操作方法，并编制简单的程序。3学习建立子程序的过程。二、实验设备安装有 LabVIEW8.2 的计算机。三、实验内容1熟悉 LabVIEW 8.2 的编程环境。2按照使用手册中的实例进行设计和操作：信号发生器信号的取样和表格生成信号的采样、文件读写和阈值报警四、实验步骤1运行 LabVIEW8.2，进入 LabVIEW8.2 的编程环境。LabVIEW8.2 启动后，前面板和程序框图窗口分别如图 1 和 2 所示。图 4-1 LabVIEW8.2 的前面板窗口图

22、4-2 LabVIEW8.2 的程序框图窗口2前面板的设计前面板是用户界面，由输入、输出控制和显示三部分组成。控制器是用户输入数据到程序的方法，而显示器显示程序产生的数值。控制器和显示器有许多种类，可以从控制选板的各个子选板中选取。三个实例的前面板设计如下图图 4-3 锯齿波信号发生器前面板图 4-4 信号测量器前面板图 4-5 Batterworth 滤波器前面板3程序框图的设计程序框图是图形化的源代码，是虚拟仪器测试功能软件的图形化表述。程序框图由节点、端口和连线组成。LabVIEW8.2 的函数选板中，提供了大量的功能函数，可用 LabVIEW 的工具，在各个函数子选板中取用所需的函数，

23、排列到程序窗口的合适位置。下面是三个实例的程序框图图 4-6 锯齿波信号发生器的框图面板图 4-7 信号测量器的框图面板图 4-8 Batterworth 滤波器的框图面板4调试虚拟仪器可利用 LabVIEW 提供的调试环境对设计的 VI 进行调试、运行。LabVIEW提供了单步执行、断点、运行、探针工具等调试方法。下面是三个实验的运行结果：图 4-9 锯齿波信号发生器的波形图 4-10 信号测量器的波形和数据图 4-11 Batterworth 滤波器前后的波形5保存文件将设计好的 VI 命名并保存为 VI 文件。实验五 虚拟信号发生器实验一、实验目的学习并掌握 LabVIEW 8.2 的信

24、号产生、case 结构及波形显示控件的使用。二、实验设备1安装有 LabVIEW8.2 和 NI-DAQmx 的计算机。2支持 NI-DAQmx 的数据采集卡 PCI6251。3Protek 的 20MHz 示波器。三、实验内容1利用信号产生节点和 Case 结构创建一个简单的可产生正弦波、方波、三角波和锯齿波的信号发生器。2可设置信号的频率、幅度、相位、占空比。四、实验原理当无法获得真实信号或需要产生与系统相适应的测试信号时，需要利用软件产生仿真信号。仿真信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，如设计一个虚拟信号发生器，可产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等模拟信号。LabVIEW8.2 的函数

25、选板提供了丰富的波形函数，可以产生正弦波形、方波、三角波、脉冲波形、扫描波形、随机噪声波形等各种仿真信号波形序列的功能模块，这些功能模块都是用来产生指定的波形。图 5-1 信号生成子选板虚拟信号发生器的测试接线图可按图 14-2 所示连线。 被测系统 虚拟信号发生器 虚拟测试仪器 输入激励 输出响应 图 5-2 虚拟信号发生器的测试接线图虚拟信号发生器为被测器件或系统提供测试用信号，被测系统对输入激励进行响应，响应的结果由虚拟测试仪器，如虚拟电压表、虚拟示波器、虚拟频率计等进行定量测试。五、实验步骤1打开一个新的前面板，在前面板上，创建包含信号源类型选择、信号频率、信号幅度、信号相位、占空比，以及采样频率、采样点数、波形图显示等前面板对象。下图为最后设计的前面板：图 5-3 信号发生器的前面板2在程序框图设计中，使用 Case 结构选择输出信号类型，4 个 Case 分支输出不同的信号。3可在信号产生子选板中分别选择“正弦波” 、 “三角波” 、 “方波” 、 “锯齿波”函数产生不同的波形。4将 X 轴的初始值、采样间隔和波形数组捆绑后送波形图显示，波形图的X 轴为时间轴。5利用 DAQmx Write 等函数编写 D/A 转换程序，通过 PCI6251 模拟输出端输出信号波形，并利用 Protek 示波器观察波形。最终的程序框图如下图：图 5-4 信号发生器的框图面板