基于LABVIEW的二极管伏安特性

西南交通大学本科课程设计（论文）第2页西南交通大学本科课程设计（论文）课程名称：虚拟仪器课程设计设计题目：元件伏安特性的测量院系：电气工程系专业：城轨电子本年级：2012姓名：学号：指导教师：摘要虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术。与传统技术不同，虚拟仪器技术指在包括数据采集设备的通用计算机的平台，根据需求可以高效地构建起形形色色的测量系统，对大多数用户而言，主要的工作变成了软件设计。虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限，可以将许多信号处理的方法方便的应用于测量中，并且为自动测量和网络化测量创造条件。早期的虚拟仪器技术主要用于军事、航空、航天等领域和科研院所，现在已经越来越多地出现在工厂及其他民用场合。虚拟仪器技术反映了当前测量技术的发展方向：涉及面广，包括数学、物理、电工电子技术、计算机软硬件、信号处理及相关专业的测试技术。LabView(laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench)是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。虚拟仪器的硬件系统由PC机和数据采集器组成.数据采集器包括多路开关、放大器、采样/保持器、A/D转换器以及其它有关电路组成.这些部分共同配合完成对信号数据的采集、放大以及模/数转换任务.同时数据采集器上的数模转换器（D/A）可用于将计算机输出的数字量转换为模拟量，从而实现控制功能.数据采集卡的种类非常多，其功能也有很大不同.使用时可根据需要选择.使用数据采集卡时必须对其性能指标有所了解，主要包括输入通道数、信号输入方式、输入范围、阻抗、A/D转换器的采样速率和位数、分辨率和精度等.关键词：虚拟仪器；LABVIEW；线性电阻;二极管；电压源；伏安特性第1章绪论1.1虚拟仪器简介1.1.1虚拟仪器概念虚拟仪器的概念是美国NI公司(NationalIn-argument)在20世纪80年代中期提出来的。虚拟仪器技术（Virtualinstrument）就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILabView图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。1.1.2虚拟仪器组成虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分。仪器面板控制软件数据分析处理软件仪器驱动软件通用I/O接口软件1.2LabView简介1.2.1LabView概念LabView(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器集成环境)是一个基于G（Graphic）语言的图形编程开发环境，在工业界和学术界中广泛用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言，对于科学研究和工程应用来说是很理想的语言。与C和BASIC

一样，LabView也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabView

的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabView

也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabView（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabView则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是LabView的程序模块。LabView

提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在LabView中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabView的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。1.2.2LabView特点尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE488或

GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabView是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。1.2.3LabView应用领域测试测量：LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认。至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabView驱动程序，使用LabView可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabView工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序。控制：控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabView自然而然地首先拓展至控制领域。LabView拥有专门用于控制领域的模块LabVIEWDSC。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabView驱动程序。使用LabView可以非常方便的编制各种控制程序。仿真：LabView包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以先在计算机上用LabView搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用LabView进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。儿童教育：由于图形外观漂亮且容易吸引儿童的注意力，同时图形比文本更容易被儿童接受和理解，所以LabView非常受少年儿童的欢迎。对于没有任何计算机知识的儿童而言，可以把LabView理解成是一种特殊的“积木”：把不同的原件搭在一起，就可以实现自己所需的功能。著名的可编程玩具“乐高积木”使用的就是LabView编程语言。儿童经过短暂的指导就可以利用乐高积木提供的积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用LabView编写控制其运动和行为的程序。除了应用于玩具，LabView还有专门用于中小学生教学使用的版本。快速开发：根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功能类似的大型应用软件，熟练的LabView程序员所需的开发时间，大概只是熟练的C程序员所需时间的1/5左右。所以，如果项目开发时间紧张，应该优先考虑使用LabView，以缩短开发时间。跨平台：如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上，也可以优先考虑使用LabView。LabView具有良好的平台一致性。LabView的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式机操作系统上：Windows、MacOS及Linux。除此之外，LabView还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的PDA、FPGA以及运行VxWorks和Pharaoh系统的RT设备。

第2章总体方案设计2.1设计思路及原理独立电源和电阻元件的伏安特性可以用电压表、电流表测定，称为伏安测量法（伏安表法）。伏安表法原理简单，测量方便，同时适用于非线性元件伏安特性测量理想电压源的内部电阻值Rs为零，其端电压US（t）是确定的时间函数，而与流过电源的电流大小无关。如果US（t）不随时间变化（即为常数），则该电压源称为直流理想电压源Us，其伏安特性曲线如图2-1中曲线a所示，实际电源的伏安特性曲线如图2-1中曲线b所示，它可以用一个理想电压源Us和电阻Rs相串联的电路模型来表示（图2-2）。显然Rs越大,图2-1中的角θ也越大，其正切的绝对值代表实际电源的内阻Rs。图2-1理想电压源与实际电压源伏安特性图2-2实际电压源模型理想电流源向负载提供的电流Is（t）是确定的函数，与电源的端电压大小无关。如果Is(t)不随时间变化（即为常数），则该电流源为直流理想电流源Is，其伏安特性曲线如图2-3中曲线a所示。实际电源的伏安特性曲线如图2-3中曲线b所示，它可以用一个理想电流源Is和电导Gs相并联的电路模型来表示（图2-4）。显然，其正切的绝对值代表实际电源的电导值Gs。图2-3理想电流源与实际电流源伏安特性图2-4实际电流源模型电阻元件的特性可以用该元件两端的电压U与流过元件的电流I的关系来表征。即满足于欧姆定律：R=U/I.在U-I坐标平面上，线性电阻的特性曲线是一条通过原点的直线。如图2-5所示2-5线性电阻伏安特性非线性电阻元件的电压、电流关系，不能用欧姆定律来表示，它的伏安特性一般为一曲线。图2-6给出的是一般晶体二极管的伏安特性曲线。2-6普通二极管伏安特性在本次设计中，我们只考虑对二极管的伏安特性进行测量与研究，其他元件的测量方法与之相同，不必过多阐述。2.2设计方案简介电压扫描法测量二级管的伏安特性主要包括硬件电路的连接，数据采集器BNC16S将采集的数据送入软件系统，通过软件程序将采集结果进行处理分类并将其送入XYGraph波形显示器显示输出结果三个大部分。硬件电路由信号源（即电源，由LabView的程序产生）、二极管及限流电阻组成；硬件电路和软件程序通过数据采集器BNC16S连接，数据采集器采集二极管两端的电压和电阻两端的电压；采集到的数据送入电脑程序，由程序算得通过二极管的电流，将二极管两端的电压信号和通过二极管的电流信号送入波形显示器，得到二极管的伏安特性曲线。2.3设计流程根据设计思路及原理，我们可以得出总体的设计步骤，从而画出程序流程图如下图2-7所示。开始开始LabView软件程序LabView软件程序波形、参数可调的随机电压信号波形、参数可调的随机电压信号硬件电路硬件电路二极管、电阻两端电压信二极管、电阻两端电压信号LabView软件程序LabView软件程序处理信号使产生通过二极管的电流信号处理信号使产生通过二极管的电流信号显示二极管的伏安特性曲线显示二极管的伏安特性曲线结束结束图2-7设计程序流程图2.4设计的硬件电路将被测二极管与一个10kΩ的电阻串联，得到所需要的测量电路，如图2-8所示。在输入端口施加电压，令U2为二极管的端电压，流经二极管的电流为U1/R。通过测得这两个数据即可得二极管的伏安特性曲线。该电路非常简单，直接在面板上连接。图2-8硬件电路2.5数据采集器BNC16S的采集原理BNC16S型多功能接口盒各部分的功能。多功能接口盒具有16路单端/8路差分模拟输入，可以测量三种模拟输入信号：差分浮地信号（DIFF_FS）、差分有参考地信号（DIFF_GS）、单端有参考地信号（SINGLE_RSE）。多功能接口盒的信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波以及TLL信号，并可通过旋钮调节信号的幅值和频率。该多功能接口盒还具有2路模拟输出。在关机状态，将BNC16S多功能接口盒与PC机上的数据采集卡联结。如果连接正常，则多功能接口盒上的红色电源指示灯处于点亮状态。将接口盒的信号发生器SOURCE端口与某一模拟输入通道相连。要将数据采集到计算机里，并对其进行合理的组织，需要构建一个完整的数据采集系统。它包括：传感器和变换器、信号调理设备、数据采集卡、驱动程序、硬件配置管理软件、应用软件和计算机等。使用不同的传感器和变换器可以测量各种不同的物理量，并将它们转化成电信号；信号调理设备可对采集到的信号进行加工，使它们适合数据采集卡等设备的需求；计算机通过数据采集卡等获得测量数据；软件则控制着整个测量系统，它告诉采集设备什么时候从哪个通道获取设备，同时还对原始数据作分析处理，并将最后的结果表示成容易理解的方式。在该设计中，用输出端口OUT采集LabView程序产生的电压信号，将此信号送入硬件电路充当电路中的电源。设置“0”通道和“1”通道，分别将数据采集器的输入端口IN0和输入端口IN1接在电阻和二极管的一端测量电阻和二极管各自产生的电压信号，再将此信号送给LabView程序。第3章LabVIEW下的程序设计3.1各个子VI的介绍3.1.1基本函数发生器(BasicFunctionGenerator)LabVIEW提供了一个产生波形、幅值、频率可调的波形发生器，通过输入参数即可获得相应的信号，操作简单方便。这里发生的信号仅仅是仿真信号，它的作用是供给DAC，以发生真正的模拟信号。该设计中采用的是基本函数发生器BasicFunctionGenerator.vi来发生信号。图3-1基本函数发生器其功能是根据设定的类型及参数产生一个输出波形。各参数的含义如下：Offset：波形的直流偏移量，默认值为0.0Resetsignal：将波形相位重置为相位初值，且将时间标志置为0。默认值为FALSE。Signaltype：产生波形的类型，包括正弦波（默认）、三角波、方波和锯齿波。Frequency：产生频率（单位为Hz），默认值为10。Amplitude：波形幅值，也称为峰值电压，默认值为1.0。Phase：波形的初始相位（单位为度）默认值为1.0。Samplinginfo：一个包括采样信息的簇，共有Fs和#s两个参数：Fs采样率，单位是样本数/s，默认值为1000；#s波形的样本数，默认值为1000。Dutycycle(%)：占空比，对方波形信号而言，反映了一个周期内高低电平所占的比例，默认值为50%。Signalout：信号输出端。Phaseout：波形的相位，单位为度。3.1.2AOContinuousGen其功能是将仿真信号转换为模拟信号，并将该模拟信号传输给外围硬件电路。其各参数的含义如下：图3-2AOContinuousGen单元Waveformdata：波形数据，接受由程序产生的虚拟信号。Cleargeneration：虚拟信号传输允许端口，当选择为true时，虚拟信号转换为模拟信号传输给外部电路。3.1.3AIAcquireWaveformsAIAcquireWaveforms的图标如下:图3-3AIAcquireWaveforms单元Device：为设备号，在NI采集设置工具中设定。Channels：用于指定数据样本的物理源（信号源）。Scanrate：为采样频率，默认值是1000。Numberofsamples/ch：是每通道要采集的样本数，默认值是1000。High(low)limit：为被测信号的最高（低）电平，其默认值是0，当high(low)limit为默认值时系统按照采集卡设定程序MAX中的设定来处理。Waveforms：为A/D转换后的输出。输出可以是一维波形数组或二维数值数组。波形数组的每个元素表示的是一个对应通道的波形；数值数组的每一列表示的是一个对应通道的数据。3.1.4IndexWaveformArray主要端口说明：图3-3IndexWaveformArray单元该单元的主要作用是将数组信号进行提取，提取出单一的信号，为之后的信号输出提供方便。主要端口说明：Waveformarray：从数组中提取出单一信号，并对波形进行分析。Index：从数组中提取出的单一信号的指数。Waveform：输出该单一信号的波形。3.2软件层设计该程序是一个含两帧的顺序结构： 在第0帧中，先产生一个周期性的电压扫描信号，其信号类型、频率及幅值是可控的。这里需要注意两个问题：一是这个信号是连续发生的，而不是只提供有限个样本；而是对所发生的信号加了偏移量（offest），其大小与信号的幅值相同，这样使得电压信号的值均大于0。在本程序中，产生一个正弦波，调整其频率为10Hz，幅值电压为1V，偏移量同幅值相等，为1V。图3-4第“0”帧程序框图在第一帧中，从0，1两个通道各采集一个波形，其中通道0是u1，将其除以电阻值10kΩ后得到电流,单位是mA；通道1是u2。将这两个波形经Bundle后送给XYGraph，就可以得到所需的特性曲线。在该程序中，信号源样本为0：1频道，采样频率为1000Hz，每通道采集1000个样本。图3-5第“0”帧程序框图图3-6总体的程序框图总体的程序框图如图3-6所示，该程序按照顺序执行，产生参数可调的虚拟电压信号，将该信号用示波器显示，并通过转换为模拟信号送入数据采集器，将模拟电压信号提供给外接电路，再通过采集二极管及电阻的端电压并将其通过数据采集器送入软件程序，在通过抽取信号使信号称为单一信号，即分离二极管及电阻的端电压，将电阻的端电压值除以其电阻10kΩ，得到通过二级管的电流。将二极管两端的电压信号和通过其的电流信号送入XYGraph中，其中，X表示电压信号，Y表示电流信号。第4章结果分析4.1运行检验图4-1运行结果图图4-2实际二极管伏安特性如图上图所示，左图示波器是虚拟信号发生器产生的频率为10Hz，幅值为1V的正弦波形，右图的XY示波器是测量的二极管的伏安特性曲线，其结果符合二极管实际的伏安特性。4.2调试分析在实验调试过程中遇到了很多问题，尤其是对数据采集器BNC16S不熟悉，在实验过程中无从下手，不知该如何将其连接至硬件电路，导致多次测量结果出现混乱的情况，其次，对Labview软件的熟悉度