《电气与电子测量技术》 实验指导书 上海交通大学电气工程系 罗利文
《电气与电子测量技术》 实验指导书 上海交通大学电气工程系 罗利文
实验注意事项 1.开始实验前，必须将实验板的交流电源插头从电源插座上拔出，确保试验装 置不带电； 2.进入实验后，严格听从指导教师的安排，严禁大声喧哗、追逐、打闹； 3.警示符号： 实验板和实验装置上可能出现下列警示符号 该标志表示附近存在触电危险，不要触摸或过分靠近； 该标志表示附近存在烫伤危险，不要触摸； 4.实验准备工作完成后，必须经过指导教师检查确认后，才能给实验装置通电： 实验结束后，必须请实验指导教师检查确认
实验注意事项 1． 开始实验前，必须将实验板的交流电源插头从电源插座上拔出，确保试验装 置不带电； 2． 进入实验后，严格听从指导教师的安排，严禁大声喧哗、追逐、打闹； 3．警示符号： 实验板和实验装置上可能出现下列警示符号 该标志表示附近存在触电危险，不要触摸或过分靠近； 该标志表示附近存在烫伤危险，不要触摸； 4． 实验准备工作完成后，必须经过指导教师检查确认后，才能给实验装置通电； 实验结束后，必须请实验指导教师检查确认
实验预备知识一LabVIEW的介绍 LabVIEW的数据采集(Data Acquisition)程序库包括了许多NI公司数据采 集(DAQ)卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以完成多种功能：模/数转换， 数/模转换，数字量输入/输出，以及计数器/定时器操作等。本实验需要一块安装 好的DAQ卡以及LabVIEW开发系统。 DAQ系统的基本任务是物理信号的产生或测量。但是要使计算机系统能够 测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号（电压或者电流信号）。 有时不能把被测信号直接连接到DAQ卡，而必须使用信号调理辅助电路，先将 信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制整个DAQ系统一一包 括采集原始数据、分析数据、给出结果等。 本实验用的是插入式DAQ卡。另一种方式是外接式DAQ系统。下图为一 典型的数据采集结构： 内存 Buffer 信 DAQ板卡 驱 Buffer LabVIEW (FIFO) 程序 硬件 序 外触发 显示 图1典型的数据采集结构图 1.测试系统基础： 测试系统硬件部分的内容包括模拟信号输入输出和数字信号输入输出，NI 公司把这些都归于数据采集DAQ(Data Acquisition),此外还有信号调理这个重 要的环节。 基于虚拟仪器的测试系统典型的硬件结构为：传感器->信号调理器->数据采 集设备->计算机。传感器将被测量的温度、压力、位移等各种物理量转换为电量： 信号调理器对电信号进行放大、滤波、隔离等预处理：数据采集设备的主要功能 是将模拟信号转换为数字信号，此外一般还有放大、采样保持、多路复用等功能。 虚拟仪器是软硬件的结合，而虚拟仪器硬件又是在传统仪表和计算机技术的基础 上得以发展的。从20世纪80年代开始，计算机技术引起测试领域一场新的革命， 传统仪器逐渐以不同的形式与计算机紧密结合在一起，形成了各种形式的虚拟仪 器硬件，满足了工程、科研、教育各个领域的实际需求。 2.数据采集设备主要指标： 1)采样率：就是进行AD转换的速率： 2)分辨率：是数据采集设备的精度指标，用模数转换器的数字位数来表示：
实验预备知识—LabVIEW 的介绍 LabVIEW 的数据采集（Data Acquisition）程序库包括了许多 NI 公司数据采 集（DAQ）卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以完成多种功能：模/数转换， 数/模转换，数字量输入/输出，以及计数器/定时器操作等。本实验需要一块安装 好的 DAQ 卡以及 LabVIEW 开发系统。 DAQ 系统的基本任务是物理信号的产生或测量。但是要使计算机系统能够 测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号（电压或者电流信号）。 有时不能把被测信号直接连接到 DAQ 卡，而必须使用信号调理辅助电路，先将 信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制整个 DAQ 系统――包 括采集原始数据、分析数据、给出结果等。 本实验用的是插入式 DAQ 卡。另一种方式是外接式 DAQ 系统。下图为一 典型的数据采集结构： 图 1 典型的数据采集结构图 1. 测试系统基础： 测试系统硬件部分的内容包括模拟信号输入输出和数字信号输入输出，NI 公司把这些都归于数据采集 DAQ（Data Acquisition），此外还有信号调理这个重 要的环节。 基于虚拟仪器的测试系统典型的硬件结构为：传感器->信号调理器->数据采 集设备->计算机。传感器将被测量的温度、压力、位移等各种物理量转换为电量； 信号调理器对电信号进行放大、滤波、隔离等预处理；数据采集设备的主要功能 是将模拟信号转换为数字信号，此外一般还有放大、采样保持、多路复用等功能。 虚拟仪器是软硬件的结合，而虚拟仪器硬件又是在传统仪表和计算机技术的基础 上得以发展的。从20世纪80年代开始，计算机技术引起测试领域一场新的革命， 传统仪器逐渐以不同的形式与计算机紧密结合在一起，形成了各种形式的虚拟仪 器硬件，满足了工程、科研、教育各个领域的实际需求。 2. 数据采集设备主要指标： 1）采样率：就是进行 A/D 转换的速率； 2）分辨率：是数据采集设备的精度指标，用模数转换器的数字位数来表示；
3)通道数： 4)多通道同步采样； 5)模拟输入输出： 6)数字输入输出： 7)触发。 3.信号的接入 对于大多数模拟输入设备，可以有三种不同的信号连接方式：差分、参考单 端和非参考单端输入。 PCI-6014是NI的一款性能一般的 多功能数据采集卡，其特性如下： Al8 3468 AID 1)拥有16个模拟输入通道：作为 Al1 337 AI GND AI GND 32 66 A9 单端输入时，为16通道；作为差分信 A110 3 Al3 3084 AIGND 号输入时，为8通道。最高采样率为 AI GND 29 63 A11 Al4 2862 AI SENSE 200KS/s,精度为16bits; AIGND 2761 Al 12 2)2个模拟输出通道，精度也是 Al13 2660 AI5 A16 2559 AI GND 16bits; AIGND 2458 Al 14 A115 2357 AL7 3)8路数字输入输出通道(5V AOD 2268 AI GND AO1 2155 AO GND TTL/COMS: NC 2054 AO GND 4)2个24bits的计数器/定时器； 0.4 1953 DGNO DGND 1852 P0.0 5)数字触发： P0.1 1751 P0.5 P0.6 1650 D GNO 6)模拟输入通道有4个可选输入 DGND 1549 pP0.2 P0.7 范围。 +5V 1448 DGND 1347 P03 右图是PCI-6014板卡接口的引脚 DGND 1246 AI HOLD COMP PFI OAI START TRIG 1145 EXT STROBE 定义图。通过一个68针的连接器与 PF月1 AI REF TRIG 1044 DGNO DGND 943 PFI 2/AI CONV CLK JDEE-6014实验箱相连。关PCI-6014 45V 842 pf1生CTA1gAC 的详细参数可以参考NI提供的数据手 DGND 741 PFI4 CTR 1 GATE PFI S/AO SAMP CLK 640 CTR 1 OUT 册。 PFI 6/AO START TRIG 539 DGNO D GND 438 PFI 7/AI SAMP CLK a)模拟输入通道：共有16路模 P月SCTA0GATE 337 PFIBCTR O SAC 2 36 拟输入通道，AI0~AI16为16路模拟输 CTROOUT D GND FREO OUT 135 DGNO 入通道，通过6014实验板上绿色的连 接器分别引出。 NC=No Connect 作为单端输入方式使用时，待采 图2PC1-6014采集卡引脚 样的信号分别连接AIx(x=O13)与 AIGND:作为差分输入方式使用时，待采样的信号需要连接任意一对差分信号， 如下图1-3所示。例如：当需要使用通道0的差分方式采集数据时，可将待采集 的信号分别连接于AI0(CH0+)与AI8(CH0-):当需要使用通道1的差分方式采集 数据时，可将待采集的信号分别连接于AI1(CH1+)与AI9(CH1-),其他通道的差 分使用模式同理。 在实验中，我们一般采用差分输入。通道0，即AI0(CH0+)与AI8(CH0-)在实 验板的左侧最上方。通道1做成BNC接口（常用示波器的接口就是BNC接口）， BNC接口连接需要用到专用的连接线，就是示波器的带红色和黑色两个夹子的 线，位于最上方偏左。其他6对通道在绿色连接连接器中都可以找到
3）通道数； 4）多通道同步采样； 5）模拟输入输出； 6）数字输入输出； 7）触发。 3. 信号的接入 对于大多数模拟输入设备，可以有三种不同的信号连接方式：差分、参考单 端和非参考单端输入。 PCI-6014是NI的一款性能一般的 多功能数据采集卡，其特性如下： 1）拥有 16 个模拟输入通道：作为 单端输入时，为 16 通道；作为差分信 号输入时，为 8 通道。最高采样率为 200KS/s，精度为 16bits； 2）2 个模拟输出通道，精度也是 16bits； 3）8 路数字输入输出通道（5V TTL/COMS）； 4) 2 个 24bits 的计数器/定时器； 5）数字触发； 6）模拟输入通道有 4 个可选输入 范围。 右图是 PCI-6014 板卡接口的引脚 定义图。通过一个 68 针的连接器与 JDEE-6014 实验箱相连。关 PCI-6014 的详细参数可以参考NI提供的数据手 册。 a) 模拟输入通道：共有 16 路模 拟输入通道, AI0~AI16 为 16 路模拟输 入通道，通过 6014 实验板上绿色的连 接器分别引出。 作为单端输入方式使用时，待采 样的信号分别连接 AIx（x=0~13）与 AIGND；作为差分输入方式使用时，待采样的信号需要连接任意一对差分信号， 如下图 1- 3 所示。例如：当需要使用通道 0 的差分方式采集数据时，可将待采集 的信号分别连接于 AI0(CH0+)与 AI8(CH0-)；当需要使用通道 1 的差分方式采集 数据时，可将待采集的信号分别连接于 AI1(CH1+)与 AI9(CH1-)，其他通道的差 分使用模式同理。 在实验中，我们一般采用差分输入。通道 0,即 AI0(CH0+)与 AI8(CH0-))在实 验板的左侧最上方。通道 1 做成 BNC 接口（常用示波器的接口就是 BNC 接口）， BNC 接口连接需要用到专用的连接线，就是示波器的带红色和黑色两个夹子的 线，位于最上方偏左。其他 6 对通道在绿色连接连接器中都可以找到。 图图2 1- PCI 1 NI PCI -6014-6014 采集卡引脚图引脚
AIO CHO+ AI1 CH1+ AI2 AI3 差分通道0 AI4 AI5 CH5+ AI6 CH6+ … PCI-6014 AI7 CH7+ … 的模拟输 差分通道4 入通道 AI8 CHO 差分通道5 AI9 CH1 差分通道6 AI10- CH2- 差分通道7 AI11- CH3- AI12- CH4- AI13◆ CH5- AI14◆ CH6- AI15 CH7- 图3PCI-6014模拟通道的差分方式 b)模拟输出通道：AO0~AO1为两路模拟输出通道，分布于6014实验板子 的右边最上方，通过两个BNG接口接出： c)数字输入输出：DIO0~DIO8是8路数字输入输出通道，数字地为DGND。 分布于从左边数第3个绿色连接器中，需要输入或输出数字信号时应接到该组端 口。 d)其他：带CTR0和CTR1的接线柱是计数器控制和信号输入端口，TRIG1 等为数字触发输入端口，该部分可以参考PCI-6014的数据手册。 【注意PCI-6014的输入信号最大范围是一10V~10V,最大采样率为200ks/s。 使用时应严格遵守以上规则，否则将损坏昂贵的数据采集卡，甚至损坏电脑主板。 实验预备知识一Chroma可编程交/直流电子负载6300系列 致茂的MODEL63800系列交/直流电子负载只要是给不断电系统(UPS)、 离线型变流器(off-Grid Inverters)、车用型变流器、交流电源以及其他的电力元 件如开关、断路器、保险丝和连接器等产品测试使用。63800系列可模拟于高峰 值因素下的负载情况，甚至当电压波形失真时能及时补偿功率因素。此特性使得 模拟负载的能力更加真实，亦能防止电压过应力发生，因此可获得更加可靠的测 试结果。 63800系类运用DSP的技术开发了独一无二的RLC操作模式，用来模拟非 线性的整流负载。另外还可借由侦测待测物的阻抗来提升稳定度，亦能动态调整 频宽，以确保系统稳定度。具有独特的时间测量功能，让使用者可量测一些关键 性的时间参数，如电池放电时间、保险丝熔断时间、断路器跳脱时间以及UPS 转换时间等测试。在量测方面，63800系列可提供使用者广泛的监控待测物的輸 出效能。此外，电压、电流可透过内建的类比輸出信号，经BNC缆线传送至示 波器進行监测。而GPIB与RS232介面更提供系統整合所需的远端控制及监控功 能。另外还具有自我诊断功能，确保例行的开机时维持正常的状态。保护告警功
PCI-6014 的模拟输 入通道 AI0 CH0+ AI1 CH1+ AI2 CH2+ AI3 CH3+ AI4 CH4+ AI5 CH5+ AI6 CH6+ AI7 CH7+ AI8 CH0- AI9 CH1- AI10 CH2- AI11 CH3- AI12 CH4- AI13 CH5- AI14 CH6- AI15 CH7- 差分通道7 差分通道6 差分通道4 差分通道5 差分通道0 … … … 图 3PCI-6014 模拟通道的差分方式 b) 模拟输出通道：AO0~AO1 为两路模拟输出通道，分布于 6014 实验板子 的右边最上方，通过两个 BNG 接口接出； c) 数字输入输出：DI00~DI08 是 8 路数字输入输出通道，数字地为 DGND。 分布于从左边数第 3 个绿色连接器中，需要输入或输出数字信号时应接到该组端 口。 d) 其他：带 CTR0 和 CTR1 的接线柱是计数器控制和信号输入端口，TRIG1 等为数字触 发输入端口，该部分可以参考 PCI-6014 的数据手册。 【注意】PCI-6014 的输入信号最大范围是－10V～10V，最大采样率为 200ks/s。 使用时应严格遵守以上规则，否则将损坏昂贵的数据采集卡，甚至损坏电脑主板。 实验预备知识—Chroma 可编程交/直流电子负载 6300 系列 致茂的 MODEL 63800 系列交/直流电子负载只要是给不断电系统（UPS）、 离线型变流器（off-Grid Inverters）、车用型变流器、交流电源以及其他的电力元 件如开关、断路器、保险丝和连接器等产品测试使用。63800 系列可模拟于高峰 值因素下的负载情况，甚至当电压波形失真时能及时补偿功率因素。此特性使得 模拟负载的能力更加真实，亦能防止电压过应力发生，因此可获得更加可靠的测 试结果。 63800 系类运用 DSP 的技术开发了独一无二的 RLC 操作模式，用来模拟非 线性的整流负载。另外还可借由侦测待测物的阻抗来提升稳定度，亦能动态调整 频宽，以确保系统稳定度。具有独特的时间测量功能，让使用者可量测一些关键 性的时间参数，如电池放电时间、保险丝熔断时间、断路器跳脱时间以及 UPS 转换时间等测试。在量測方面，63800 系列可提供使用者广泛的监控待測物的輸 出效能。此外，电压、电流可透过內建的类比輸出信号，经 BNC 缆线传送至示 波器進行监测。而 GPIB 与 RS232 介面更提供系統整合所需的远端控制及监控功 能。另外还具有自我诊断功能，确保例行的开机时维持正常的状态。保护告警功