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电压电流参数测试系 统设计报告
姓名： XXXXX
XXXXXXXXX 学号：
班级： XXXXXXX
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一、系统总体概述 ................................................................................................ 3 二、主要功能 ......................................................................................................... 3 三、系统硬件设计 .................................................................................................. 3.1.信号调理模块的分析设计 ........................................................................ 4
电压的测量 3.1.1 .................................................................................... 4 电流的测量 3.1.2 .................................................................................... 5 抗混叠滤波3.1.3 ....................................................................................... 6 3.2.A/D转换模块的分析设计 ........................................................................ 7
分辨率 3.2.1 .............................................................................................. 7 量化误差 3.2.2 ......................................................................................... 7 转换误差 3.2.3 ......................................................................................... 7 转换速率 3.2.4 ......................................................................................... 7 3.3.硬件设备的实现 ......................................................................................... 8
电压测量板卡NI9255 3.3.1 ................................................................. 8 电流测量板卡NI9227 3.3.2 ................................................................. 8 四、软件的设计 ..................................................................................................... 9 4.1有效值、平均值的计算............................................................................. 9 4.2频率的测量原理 ........................................................................................ 10 4.3软件设计的LABV实现 ..................................................................... 10
IEW测试系统的前面板设计 4.3.1 ........................................................... 10 测试系统的后面板设计 4.3.1 ........................................................... 11
五、系统评估 ....................................................................................................... 12 六、总结 ................................................................................................................ 13 参考资料 ................................................................................................................ 14
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一、系统总体概述
电压和电流是最为常见也是最为基本的电气参数，本系统设计的目的是对电压和电流的基本参数的测试测量，包括幅值、频率、波形等基本的参数指标。 依据系统设计的目的和要求，将输入的电压电流模拟信号进行分析处理并显示结
果，该系统的结构需要模拟信号输入、信号调理、采样保持、A/D转换、数字信号分析、结果输出等几个部分组成。由于本系统的输入有电压和电流两个参量，所以设计采用多路采集多通道输入结构，系统工作的结构图如图1所示。其中信号调理、A/D转换、数字信号分析是三个主要的模块，下面将进行重点的分析和设计。
测试系统结构图图1
为了便于系统搭建和对信号的分析处理，本系统采用以计算机为核心的数字化测试系统。它在实现快速测试、高准确度测试、综合参数测试和自动化测量方面比一般装置具有突出的有点。同时，由于计算机具有较强的数据处理功能，所以在测量数据计算处理和最后显示测试结果方面表格、图形等 多种形式的输出。 二、主要功能，220V本系统要求测量外部输入的电压电流信号的相关参数（输入电压： ，指标要求如下：50Hz） 显示电压波形； 显示输出有效值； 进行频谱分析，并计算谐波含量。由该指标可知，系统需要实现对外部输入信号的调理、转化使之成为计并能通过计算机实现对采集到的数字信算机测试系统允许输入的数字信号， 号的分析计算的能力，并通过一定的输出设备显示出来。 精品
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三、系统硬件设计
3.1.信号调理模块的分析设计 3.1.1电压的测量
系统要求输入的为220V的交流电压信号，其电压峰值311V，对测量者本身和测试系统都存在有危险，为了保证系统的安全性，本系统需要使用隔离测量设备，来实现测量系统和原电压端的隔离。因而需要先对电压信号进行降压处理。常用的降压方法有电路串电阻分压、变压器降压、霍尔传感器测量等方法。其工作原理如图2、图3、图5所示。
3 2 电阻分压电路原理图 电压互感器工作原理图图图）电路串电阻。由于标准电阻的阻值范围非常广，串电阻的方法可以1（实现将输入电压分压到任意压值，而且用电阻测量电压不会引入多余的谐波 分量，可以很好的保持电压原有的波形特点，同时电路简单、易于实现。）电压互感器降压方法。使用电压互感器降压也可以将实际输入的交2（流电压信号降压至可测量的电压范围之内，但是由于使用电压互感器要求工作在低磁通密度状态下，而且原副边不能出现短路，互感器副边的一端要求接地等诸多要求造成使用上的不便。同时也会增加电路体积，
设计方案也较 为复杂。 ）霍尔传感器法。3（会使得半导体中的电子与空穴受在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场强度与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，这个现象称为霍尔效应。而产 4生的内建电压称为霍尔电压。其原理如图所示。 精品
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图5 霍尔传感器原理图 4 霍尔效应原理图 图霍尔器件具有许多优霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖 动、无回跳、位置重复精度高。因此本设但是使用霍尔元件无疑增加了测试系统的成本和操作的复杂度，计只对该方法的可能性进行讨论。电压测量电路可采用串电阻降压的方法。的标准金属膜电阻，和4.7kΩ通过查询标准，可考虑选择使用阻值为357kΩ符合一般4.1V，1%其精度为。由分压规律可知，输入的峰值电压由分压降为 数字处理系统的输入范围。 电流的测量3.1.2应转化为相应对于电流，由于数字信号处理一般是针对电压信号的分析， 的电压信号，作为计算机的输入信号。电流的测量一般按电流的强弱分为大、中、小三个范围，本设计只考虑中等电流的测量，常用的中等电流测量方法有：被测电路串电阻法和电流互感 器法。
电流互感器原理图7 串电阻法测电流图6 图）被测电路串电阻法测电流。该方法取样电压一般要经过放大器放大（1再接到测量装置上，为了对测量电路带来影响，放大器常采用隔离放大器。 精品文档． 精品文档
为达到一定的要求对电阻R有较高的要求，a.电阻R的阻值选择要合理，b.电阻R的热稳定性要好，c.交流电路中，R必须选择为无感电阻。使用串电阻测电流的方法易于实现，结构简单，电路总体成本低。工作原理如图6所示。
（2）电流互感器法。用电流互感器对原副边电路起到了电隔离作用，对工作电路的影响减小，但是互感器的接入对电路瞬态电流的测试是不利的。电流互感器的使用过程中变压器副边不允许开路，否则会使原边电流完全变为励磁电流，并在副边产生极高的电压，引起设备的损坏和人身伤害。电流互感器的工作原理如图7所示。
（3）霍尔传感器法。霍尔电流传感器的设计原理与霍尔电压传感器相似，此处不做赘述。
基于便于实现的原则，本设计拟采用电流互感器测电流的方法。 3.1.3抗混叠滤波
根据采样定理， 代表采样频率， 代表能分析出来的信号最高频率， ，任何高于 频率的信号经过采样后得到的信号二者之间满足 频率在 之间，这就是混叠频率。在数字系统中无法将混叠频率和在 的实际频率区分开，因此在使用A/D转换器进行采样之前，需要使用 电容滤波器从模拟信号中滤掉这些比例。
系统要求测量频率为50Hz的市电电压，考虑到计算的简便性，本系统仅 。同时考虑到一定的裕量， 设计分析到基波的二十次谐波，即 。 10取采样频率为最高频率的倍，即
设计使用由运放组成的电压跟随器，其结构如图4所示。使用该跟随器不改变输入信号的波形，但由于运放输入端高阻输出端低阻的特性可以很好地起到隔离的作用。电容滤波器设计使用如图5所示的常见二阶低通滤波器。 。 其截至频率的计算为：
电压跟随器原理图 图8 图9 二阶低通滤波器原理图 精品文档． 精品文档
3.2. A/D转换模块的分析设计
本方案拟采用数字化测量技术来计算电压的有效值、输出波形、谐波含量等参数，因而需要将输入的模拟信号转换为数字信号。经由调理电路的模拟电压信号和由电流转换的模拟电压信号，计算机将通过A/D转换器、采样保持器和通道开关获得被测电压波形的离散点数据，并将这些数据送入微处理器进行处理。其过程图
6所示。
MC?? ?? /??电压??_ ??转换采样保持 10
图 3.2.1分辨率。A/DA/D转换器的分辨率以输出二进制数或十进制数的位数表示，它说明转换A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲， 位二进制数字输出的 个不同大小的等级，能区分输入电压的最小差器应能区分输入模拟电压的
（满量程输入的 ，如采本设计中，电压测量的峰峰值为异为8.2V）。 的A/D转换器，那么其分辨率计算为AD574A10V用12位、满刻度为
量化误差。 3.2.2的阶量化误差：由于A/D即有限分辨率A/D的有限分辨率而引起的误差，）的转移特性曲线（直线）之（理想梯状转移特性曲线与无限分辨率A/DA/D、个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为 间的最大偏差。通常是1 。 3.2.3转换误差。
转换误差通常以输出误差最大值的形式给出，它表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，一般多以最低有效位的倍数给出。 3.2.4转换速率。
转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需的时间的倒数，采样时间是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。
3.3. 硬件设备的实现
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3.3.1电压测量板卡NI9255
根据以上的理论分析，结合具体实际，实现电压的测量可以使用NI公司生产的NI9255测量板卡通过并联方式测量电压。卡的一端和白色的火线连接，卡的另一端和黑色的零线连接。其接线如图11所示。
图11 NI9255板卡接线图
图12 NI9225板卡的部分规格说明 3.3.2电流测量板卡NI9227
电流的测量可以使用NI公司生产的NI9227板卡进行测量。由于输入回路的电流已经经过电流互感器进行了转化，测量时，只需将互感器的两个输出端口分别连接到数据采集卡两端的端口即可进行电流的测量。电流测量板卡的接线图如图12所示。
图13 NI9227板卡接线图
NI 9227的部分规格说明 四、软件的设计
4.1有效值、平均值的计算。
为采样后输入处理器的各个离散点的采样值，则输入交设 流电压的有效值和平均值由以下两个公式给出。
有效值：
平均值： 4.2 频率的测量原理
本系统采用的是基于计算机的数字测量系统，所以选择过零点拟合法来实现频率的测量。该方法主要适用于中低频率的测量，而且要求采样频率满足 精品文档． 精品文档 采样定理。
计算机采样法测频是利用计算机采样计算出被测信号的过零点，并由此得到信号的频率。其原理说明如下：
过零点拟合测频法原理图图15
所示，由于噪声等干扰的影响，实际测量到的电压波形不会是一15如图个标准正弦信号，而是在基波波形的基础上有所波动，这就使得实测电压的过零点不会按一个稳定的规律分布。所以我们采用数据拟合的方法，假设信号过零点附近的曲线为一条直线，且过零点附近的两个采样点的采样时间为 ，同样也可以得到下 ，则通过线性插值，可以得到过零点的时间为、
。这样，信号的频率就可以表达为一个过零点的时间坐标为 为了减小误差，可以做多次差值，并以所得频率做平均，作为信号的实际 频率，即
LAB View软件设计的实现。4.3
4.3.1测试系统的前面板设计前考虑到系统的简易性，本系统要求测量电路的电压和电流的相关参数，面板中只安放了与测量参数有关的显示控件。其中，以水平中线为界，分为 所示。电压测量区域和电流测量区域。其面板内容如图16 精
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16 测试系统的前面板设计图以及峰峰值、从前面板中，用户可以清晰地得到所测试电压和电流的波形，用户可以根据需要，同时，有效值等要求测试的参数，和电压的傅里叶频谱。 按钮来结束实时测量过程，达到系统设计的要求。“停止”通过按下
测试系统的后面板设计4.3.2设计使用了所以在系统设计时，由于没有相应的数据采集卡和硬件设备，内部的仿真信号发生器来模拟外部的输入。其图标和有关的参数设LAB View 17所示。置如图
图17 仿真信号发生器的图标和参数设置While波形显示等。使用分支结构、While本程序主要用到的结构有循环、循环是为了实现系统的实时采样，要跳出该循环，结束测量过程只需要按下所示。模拟输入通过数据分stop18按钮即可。系统整体的后面板设计如图 精品文档．
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支输入到不同的测量模块，测量模块的输出经过相应的显示控件显示出来。由于使用了LAB View内部集成的模块，使得系统的设计变得简洁，清晰。
测试系统的后面板设计图18
五、系统评估及相关电参数的计本系统设计的目标是实现电压电流波形的测量和显示，虚拟仪器软件的仿真可以知道，本设计可以达到所View算和显示。经过LAB
提出的要求。易于使用的原则，本系统本着简单，明晰，在完成参数测量要求的前提下，先是对各种测量方法进行了详尽的比较，并进一步选择了符合该原则的测试方法。因此，本系统具有结构简单、便于使用、读数明了等优点，能够适用 于常见市电供电系统的电压电流的测量。本系统设计目前由于没有相关的测量板卡及硬件设备的测试支持，但是，只是停留在理论和模拟阶段，对于实际测试的效果还有待以后验证，这是本设计最大的缺憾。其次，基于理论分析得到的结果可以看出本系统在电压测的测量误差，虽然这从本系统要板卡具有接近1.2V量时选择使用的NI9225 求的测试对象来看可以忽略不计，但终归会影响系统的测试精度。总体来看，本系统在理论分析，设计计算和软件仿真的基础上，实现了对所提要求的设计，并且具有结构简单、易于操作的特点，具有一定的现实可 行性。 六、总结 精品文档． 精品文档
经过连续多天的资料学习，这一系统的设计终于告一段落。虽说只是一次普通的课程作业，但还是让我收获颇多。经过本次的课程设计，我体会到将课本所学的知识合理应用出来并不是一件简单的是。经过这些天的学习体会，我常见电气参数的测试方法有了更加贴切的体会；学习探究了设计测试系统的基本流程和信号处理分析的常用方法；了解了虚拟仪器的相关概念及LAB
View软件的基本使用方法；对电气测试的实际硬件设计有了进一步的认识。 此外，本设计能顺利完成与老师的指导和关怀分不开的。设计的题目是基于课上所学的各种知识，是对课本知识的一个实际反映和应用，在此基础上，老师每次谆谆的指导和分析都对我带来了很大的帮助。
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参考资料：
[1] 张晓斌主编.电气测试原理与方法.西北工业大学出版社.2011年 [2] 陈国顺.等.测试工程及LABVIEW应用.清华大学出版社.2013年 [3] 刘君华主编.基于LABVIEW的虚拟仪器设计.电子工业出版社.2003年
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