常熟理工学院课程设计报告
目录
1 《虚拟仪器技术》课程设计任务书 ................................ 1
1.1 课程设计任务 .................................................... 1 1.2 课程设计目的 .................................................... 2 1.3 课程设计要求 .................................................... 3 1.4 课程设计内容 .................................................... 3 1.5 课程设计报告要求 ................................................ 3 1.6 课程设计进度安排 ................................................ 3 1.7 课程设计考核办法 ................................................ 4
2 虚拟仪器的概述 .................................................. 5
2.1 虚拟仪器的定义及组成 ............................................ 5 2.2 传统仪器与虚拟仪器系统的比较 .................................... 6 2.3 虚拟仪器的特点 .................................................. 6 2.4 虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点 .......................... 7 2.4.1 LabVIEW的图形显示 .......................................... 7 2.4.2 图形化编程环境LabVIEW ...................................... 8 2.4.3 LabVIEW平台设计谐波测量分析系统 ............................ 9
3 总体设计方案 ................................................... 11
3.1 谐波测量分析系统的总体结构图 .................................... 11 3.2 流程图 ..........................................................12 3.3 前面板设计 ......................................................13 3.4 程序框图设计 ................................................... 13 3.5 前面板操作使用说明 ............................................. 14 3.6 谐波分析工作原理及功能 ......................................... 14
4 运行结果及分析 ....................................... 16 5 课程设计小结 ................................................... 19 6 参考文献 ........................................................ 20
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1 《虚拟仪器技术》课程设计任务书
题目：谐波测量分析系统设计
1.1 课程设计任务
随着科学技术的发展，各种电子产品在电力系统中得到大量应用，特别是各种非线性负载包括可控整流传动装置及高压直流输电系统的投入，以及各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，理想电力系统的近似程度变差，直接表现是电网中的电压和电流波形产生周期性畸变。电网中除了与供电电源同频率的正弦量(称为基波分量)以外，还出现了一系列大于基波频率整倍数的正弦波分量(高次谐波分量)。这一系列正弦分量统称为电力谐波。当电网中存在的谐波成分超过一定指标，轻者增加能耗，缩短设备运行寿命，重则造成停电事故，直接影响安全生产。所以，对电网中谐波含量准确的测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的。
LabVIEW具有强大的信号分析与数学运算功能，在它的数学分析库中包含了数以百计的VI 程序，能够进行各种时域与频域信号分析。
本课题通过虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台，设计一种谐波测量分析系统。本课题中系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想，选择开放式的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台，将LabVIEW软件引入到谐波测量分析系统中，能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD、thd，2－31次各次谐波电流含有率等参数。具体指标与要求如下：
(一) 要求设计一个通道的正弦信号发生器以模拟实际电流，具体要求为： 1、频率范围：0.001Hz～100KHz； 2、幅值：0～200A，可选； 3、直流偏置：0～100V，可选；
4、可调整幅值、相位、频率；调整后无须重新启动（提示：用循环结构）； 5、在产生的信号中可以加入高斯噪声。
(二) 谐波测量分析系统能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD、thd，2－31次各次谐波电流含有率、直流含量等参数。
(三) 谐波测量分析系统可以对产生的正弦信号进行频谱分析，得到相关的频谱图。 (四）所有测量分析的参数都要在系统前面板中进行显示，所产生的正弦信号及其频谱
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图要求分别进行波形显示。
谐波分析原理：
对于周期为T?2?/?0的电流谐波信号进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的电流分量，还得到一系列大于电网基波频率的电流分量，如下式所示：
?i(t)?I0??In?1n(n?1,2,3??) (1) sin(n?0t??n)，
其中，Insin(n?0t??n)称为n次电流谐波，In称为n次电流谐波的幅值，谐波频率与基波频率的比值(n?fn/f1)称为谐波次数。
求模拟信号连续频谱的一般方法是对它做傅立叶变换：
i(?)??????i(t)e?j?tdt (2)
用数字方法实现傅立叶变换的数学基础是离散傅立叶变换(DFT)。离散傅立叶变换的数学表达式为
N?1In??I(i)ei?0?j2?niN,n?0,1,2,??,N?1 (3)
电流总畸变率TDH和thd：
??ITHD?n?22n*100%I? (4)
fund?Ithd?n?22n*100%Irms (5)
其中In称为n次电流谐波的幅值，Ifund为基波电流的幅值，Irms为周期性交流量方均根值。谐波含有率HRIn指第n次电流谐波的rms值与基波电流rms值的比率，即
HRIn?InIfund*100% (6)
1.2 课程设计目的
通过本次课程设计使学生具备：1）了解现代仪器科学与技术的发展前沿；2）学习和掌握虚拟仪器系统组成和工作原理；3）掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧；4）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；5）提高学生的论文撰写和表述能力；6）培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；7）培养学生的创新能力和运用知
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识的能力。
1.3 课程设计要求
1、了解和掌握整个虚拟仪器平台的系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景； 2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据各种独立测量仪器的功能和工作原理，确定谐波测量分析系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板；
3、利用虚拟仪器LabVIEW软件，编写与调试虚拟仪器的图形化程序； 4、撰写完整的课程设计报告。
1.4 课程设计内容
1、谐波测量分析系统前面板设计； 2、谐波测量分析系统框图程序设计。
1.5 课程设计报告要求
报告中提供如下内容： 1、目录 2、正文
（1）课程设计任务书；
（2）总体设计方案(包括虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别，虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点，为什么选择虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台来设计谐波测量分析系统，谐波测量分析系统的总体结构图等)；
（3）简述所设计的谐波测量分析系统的工作原理及自己的设计结果所实现的功能，针对前面板要有操作使用说明，以便他人能够正确使用所设计的谐波测量分析系统；
（4）程序流程图、框图程序的设计及功能实现方法等；
（5）调试、运行及其结果；要求有谐波测量分析系统设计的源程序和运行结果等。 3、收获、体会 4、参考文献
1.6 课程设计进度安排
本课程设计共需1周时间，其具体安排见下表:
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表2-1 课程设计安排表
时 间 上午 下午 星期一 课程设计动员、布置课程设计任务 查找与消化相关资料、总体方案设计 星期二 软件设计 软件设计 星期三 软件设计 软件设计 系统调试及性能分析与总结、撰写课星期四 系统调试 程设计报告 答辩 星期五 完成课程设计报告并上交 1.7 课程设计考核办法
本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。
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