虛擬儀器在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

崔秀華

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 210046

虛擬儀器在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

崔秀華

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 210046

將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電路實(shí)驗(yàn)室，具有可以減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)的投入、充分利用迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、滿足教育教學(xué)的要求等優(yōu)勢。本文利用凌華數(shù)據(jù)采集卡PCI-9118DG和LabVIEW軟件研究了虛擬儀器在RC電路分析及疊加定理驗(yàn)證中的應(yīng)用。說明了虛擬儀器技術(shù)在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的可行性，且其測量比傳統(tǒng)儀器測量更方便、快捷、準(zhǔn)確。

LabVIEW；虛擬儀器；RC動態(tài)電路充放電分析；疊加定理

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的發(fā)展經(jīng)歷了從智能儀器到虛擬儀器的發(fā)展。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器主要由兩大部分構(gòu)成：硬件平臺和軟件平臺。硬件平臺就是通用的計(jì)算機(jī)和I/O接口設(shè)備；軟件平臺主要由操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動、測試應(yīng)用軟件構(gòu)成。虛擬儀器的“虛擬”主要有兩層含義：虛擬儀器的面板是虛擬的（其在計(jì)算機(jī)的顯示屏上顯示）；虛擬儀器的功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)。對傳統(tǒng)儀器在電路中的分析而言，實(shí)驗(yàn)中一般需要信號源、數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、頻率計(jì)、頻譜分析儀、失真度儀等多臺設(shè)備。其中前3種儀器最常使用。

傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)需配置的儀器數(shù)量多、總價(jià)高，但功能上并不能完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。如傳統(tǒng)的儀器只能測量和顯示有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，缺乏數(shù)據(jù)分析、存儲的能力，也不能對不同參數(shù)、不同時(shí)間的多條波形曲線進(jìn)行對比和分析。

一、電路實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)建

根據(jù)I/O接口設(shè)備的不同，虛擬儀器的構(gòu)成方式主要分為6種類型（如圖1所示）。其中PC-DAQ系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)的虛擬儀器系統(tǒng)，其包括兩種總線的儀器：USB儀器、PCI總線儀器。USB儀器由于其即插即用的特點(diǎn)，方便用戶的攜帶，加上其技術(shù)的不斷發(fā)展，采樣速度逐漸提高，使其越來越受到用戶的青睞。但由于其總線標(biāo)準(zhǔn)原因，其在性能上與PCI儀器還是有一定的差異。

圖1 虛擬儀器的構(gòu)成方式

本文中虛擬儀器的硬件平臺為一塊凌華的數(shù)據(jù)采集卡PCI-9118DG和I/O接線端子、1臺臺式計(jì)算機(jī)和電路實(shí)驗(yàn)板構(gòu)成。PCI-9118DG是一塊多功能數(shù)據(jù)采集卡，其具有32路的單邊模擬輸入和2路模擬輸出以及8路的數(shù)字I/O。在電路的實(shí)驗(yàn)中主要使用了其模擬輸入和模擬輸出功能。軟件平臺為NI公司的圖形化開發(fā)平臺LabVIEW。

二、電路實(shí)驗(yàn)中常使用傳統(tǒng)儀器的虛擬實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)室常用的儀器有信號源、數(shù)字示波器、萬用表。信號源主要用來提供一些激勵(lì)信號，本文利用PCI-9118DG卡的2路模擬輸出功能設(shè)計(jì)的信號源前面板如圖2所示。該信號源可以產(chǎn)生正弦波、鋸齒波和三角波等波形，可以設(shè)置波形的幅值、相位、頻率。

圖2 信號源前面板

數(shù)字萬用表可以用來測試電阻、電壓、電流等參數(shù)，本文利用PCI-9118DG卡設(shè)計(jì)的電壓表如圖3所示，該電壓表可以測試多種波形的電壓，可以顯示電壓信號的波形和電壓的峰峰值、有效值以及均值。

圖3 電壓表

示波器用來測試信號的波形，從波形圖讀取信號的峰峰值、幅值以及頻率。本文利用PCI-9118DG卡設(shè)計(jì)的示波器前面板如圖4所示。該示波器可以觀察信號波形，進(jìn)行2路波形的運(yùn)算，可以測量各路信號的頻率、峰峰值、有效值，并在顯示窗口顯示。

三、RC充放電實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

RC充放電實(shí)驗(yàn)電路及其與PCI9118DG數(shù)據(jù)采集卡的連接如圖5所示。

圖5 RC充放電實(shí)驗(yàn)電路連接圖

RC串聯(lián)電路的電源是數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出0通道（即圖中的A??）通過軟件產(chǎn)生一個(gè)可以調(diào)整幅值的正弦波。當(dāng)幅值由小變大時(shí)，電容充電；當(dāng)幅值由大變小時(shí)，電容放電。數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入通道0和通道1分別測試RC串聯(lián)電路的正弦交流電壓和電容上的正弦交流電壓。通過0通道和1通道的電壓波形數(shù)據(jù)分析可計(jì)算出電容值、功率、相位，可以通過波形圖觀察充放電的動態(tài)過程。具體分析如下：

流過電阻R的電流值為I=U/R

由此可以計(jì)算出電路中電容C的容值、電路充放電過程中電壓/電流的變化過程以及電路中的有效功率/無功功率/視在功率等。RC充放電實(shí)驗(yàn)的前面板如圖6所示。

圖6 RC充放電電路實(shí)驗(yàn)前面板

四、疊加定理實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

疊加定理的實(shí)驗(yàn)電路及其與PCI9118DG數(shù)據(jù)采集卡的接線端子接線如圖7所示：

圖7 疊加定理實(shí)驗(yàn)接線圖

疊加定理驗(yàn)證試驗(yàn)：在兩個(gè)串聯(lián)電阻上加一直流或交流電壓，該電壓由PCI9118DG數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出通道通過軟件控制產(chǎn)生，再由PCI9118DG數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道0和1分別測得兩個(gè)電阻上的電壓，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)利用軟件計(jì)算比較，驗(yàn)證兩個(gè)串聯(lián)電阻上的電壓之和為加在串聯(lián)電阻之上的電壓。

疊加定理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的虛擬儀器軟面板如圖8所示：

五、結(jié)束語

虛擬儀器就是在充分利用計(jì)算機(jī)資源的基礎(chǔ)上，添加一定的儀器硬件和應(yīng)用軟件構(gòu)成。在一定硬件基礎(chǔ)上，稍微修改一下軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。所以有軟件就是儀器的說法，由于軟件的靈活性和可移植性等特點(diǎn)，從而使得虛擬儀器具有設(shè)計(jì)靈活、在一定硬件上可以開發(fā)多個(gè)虛擬儀器的特點(diǎn)。虛擬儀器的特點(diǎn)使其在高校電子實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的作用，讀者通過本文可以看到虛擬儀器技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的可行性。

Application of virtual instrument in the circuit experiment teaching

Cui Xiuhua
Nanjing college of information technology, Nanjing, 210046, China

Virtual instrument technology applied in circuit lab has the advantage of reducing invest on experimental equipment, making full use of the rapid development of computer technology, and satisfied the requirement of education. Analysis of RC circuit and verification on superposition theorem with Linhua data acquisition card PCI-9118DG and LabVIEW software is studied in this paper. Feasibility of application of virtual instrument in the circuit experiment teaching is illustrated, and it is convenient and precise than the traditional measurement.

LabVIEW; virtual instrument; RC dynamic circuit; superposition theorem

book=58,ebook=196

崔秀華，碩士，講師，工程師。