基于NI ELVIS的串聯(lián)諧振電路實驗設計

呂井勇， 孫勝春， 董興泰

(海軍工程大學 a. 電氣工程學院； b. 訓練部, 湖北 武漢 430033)

0 引 言

隨著測試儀器的計算機化的發(fā)展，虛擬儀器逐漸取代傳統(tǒng)測試儀器[1]。以電類專業(yè)為例，其中一些實踐性較強的課程中，如“數(shù)字信號處理”、“電路原理”、“電子技術(shù)”等課程中運用虛擬儀器技術(shù)，以計算機為基礎構(gòu)建集成化測試平臺,代替常規(guī)儀器、儀表，利用其強大的分析功能和友好的用戶界面不但可以節(jié)省大量儀器設備的經(jīng)費投入，也有助于學生從煩瑣的數(shù)學運算中解放出來，用更多的時間去思考。有助于提高實驗教學課程的開設水平，降低購置實驗設施的成本；有效地改善實驗教學條件，改革實驗教學方法，更新實驗教學內(nèi)容[2]。

目前，包括我校在內(nèi)的國內(nèi)許多高等院校電類專業(yè)普遍開設電路原理課程，它是一門重要的專業(yè)基礎課，該課程主要講授電物理量的測量和分析方法。由于電路原理課程豐富的實踐性，因此，它的一個重要教學環(huán)節(jié)就是工程中各種電物理量的測量實驗。實驗教學的目的不僅在于對理論教學的驗證，更重要的是培訓學生實際的工程測試能力[3-4]。在實驗教學中，利用ELVIS虛擬儀器實驗平臺實現(xiàn)了電路原理實驗的創(chuàng)新性，提高了學生的實踐動手能力，調(diào)動了學生的積極性和創(chuàng)造性[5]。

1 ELVIS簡介

NI教學實驗室虛擬儀器套件(NI ELVIS)是動手設計與原型設計平臺[6],它集成了最常用的12個儀器,包括示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、波特圖分析儀等,將它們集成在適合于硬件實驗室中使用。基于NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設計軟件,帶有USB即插即用功能的NI ELVIS提供了虛擬儀器的靈活性,并且允許進行快速簡單的測量采集與顯示。全新的USB即插即用連接性簡化了試驗設備的搭建和維護,用戶現(xiàn)在可以使用個人電腦對應用進行測試和原型設計,并通過USBM系列數(shù)據(jù)采集設備來完成數(shù)據(jù)采集任務。

1.1 安裝在計算機上的軟面板儀器(SFP)

計算機平臺上安裝有虛擬儀器軟件開發(fā)工具LabVIEW，ELVIS加載了在LabVIEW中創(chuàng)建的SFP儀器以及儀器的源代碼，用戶可以通過修改LabVIEW代碼來修改SFP的功能或者提高它們的功用。這些軟面板儀器都是系統(tǒng)設計中典型的和必須的通用電子儀器的虛擬儀器,主要包括示波器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬能表、可編程控制的電源以及波特分析器、動態(tài)信號分析儀與任意波形發(fā)生器。

1.2 用戶自定義工作臺

原型實驗面包板與工作臺相連接，在此上搭建模擬電路，允許設計過程中輸入/輸出信號的連接，同時原型面包板上給出了ELVIS所有的信號終端，它們分列在電路面包板兩旁，并通過電纜連接至電腦，將采集到的測量溫度、壓力、速度等不同類型的電信號送入計算機處理，或者輸出控制信號等。特別適合實驗教學、電路設計及儀器測試與控制。

2 ELVIS平臺上實現(xiàn)串聯(lián)諧振實驗

串聯(lián)諧振實驗是電路中的典型實驗。實驗主要通過測量RLC串聯(lián)電路中電流(或電阻兩端輸出電壓)隨頻率變化來繪制幅頻特性曲線和測定電路品質(zhì)因數(shù)(Q值)[7]。在運用ELVIS進行串聯(lián)諧振實驗中，掌握利用ELVIS的軟面板儀器實現(xiàn)電路中電壓的測量，通過LabVIEW編程來進行Q值的計算和繪制電路的幅頻特性曲線。

2.1 硬件電路的搭建

在RLC串聯(lián)電路中，當輸入正弦交流信號源的頻率f改變時，電路中的感抗、容抗隨之而變，電路中的電流也隨f而變。取電阻R上的電壓有效值Uo作為響應，當輸入電壓的有效值Ui維持不變時，在不同頻率的信號激勵下，測出Uo值，然后以頻率f為橫坐標，以Uo/Ui為縱坐標(因Ui不變，故也可直接以Uo為縱坐標)，繪出光滑的曲線，此即為幅頻特性曲線，亦稱諧振曲線，如圖1所示。

圖1 諧振曲線

對于諧振電路，定義品質(zhì)因數(shù)Q為回路的特性阻抗與回路電阻的比值，即

該參數(shù)標志著諧振電路性能的好壞，對諧振電路的選擇特性有著重要意義[8]。

實驗電路中：電阻R=1 kΩ，電感L=36 mH，電容C=1nF，掃頻信號由ELVIS的函數(shù)信號發(fā)生器提供，峰-峰值2.4 V，掃頻頻率從0到60 kHz，間隔500 Hz，電阻兩端輸出電壓經(jīng)過模擬輸入端ai0通道采樣得到[9]，ELVIS內(nèi)置了16位的ADC，采樣頻率設為120 KHz。

2.2 ELVIS平臺軟面板儀器設計

ELVIS平臺的開發(fā)軟件就是LabVIEW軟件。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，常用于測量和自動化應用[10-12]。它與C語言等基于文本的編程語言不同，LabVIEW使用數(shù)據(jù)流程序設計，特別適用于系統(tǒng)調(diào)試[13]。在LabVIEW中，可以使用一系列的工具和對象創(chuàng)建一個用戶界面，用戶界面也被稱為前面板，然后添加儀器功能。程序框圖包含實現(xiàn)前面板儀器功能圖標的連接及函數(shù)功能。前面板設計如圖2所示，具有以下功能：① 實現(xiàn)采樣信號參數(shù)的設置，包括RLC參數(shù)、采樣通道、采樣頻率等的設置；② 顯示每個掃描頻率對應的輸出信號幅值；③ 按時間顯示采集到的電壓信號；④ 將采集到得電壓信號和對應的掃描頻率描點畫出電路幅頻特性曲線。

程序設計框圖如圖3所示，主要包括兩部分功能：① 根據(jù)電路參數(shù)，計算電路諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)；② 根據(jù)電阻上采集的電壓波形從中分離出幅度和頻率分量，將幅度和頻率分量組成數(shù)組，逐點連線畫出電路的幅頻特性曲線。

圖2 前面板設計

圖3 程序設計框圖

3 結(jié) 語

從上述串聯(lián)諧振實驗過程可以看出，在ELVIS平臺上實現(xiàn)比用傳統(tǒng)實驗裝置實現(xiàn)更具優(yōu)越性：ELVIS平臺集成了許多功能性儀器，如電源、波形發(fā)生器、萬用表等，做實驗時只需在面包板上搭建電路，利用ELVIS平臺自帶儀器和儀表完成實驗；ELVIS平臺附加功能強大，用戶界面豐富，可以通過其開發(fā)軟件實現(xiàn)復雜的數(shù)據(jù)計算和處理，如上面Q值的計算和諧振曲線的繪制。所以在ELVIS平臺上完成實驗，能使學生們對整個實驗過程相當了解，而且可以根據(jù)學生的興趣及創(chuàng)造性添加更多新的功能，只需簡單修改程序，把所學的知識靈活應用。由此可見，基于ELVIS平臺的強大功能必將會在高校實驗教學領域得到廣泛的應用[14-15]。

ELVIS平臺可以幫助學生在其他課程的學習過程中,將理論知識付諸于實踐,如電子電路、信號處理、通信、控制系統(tǒng)、機械測量與機械電子等。ELVIS平臺可以完成絕大多數(shù)弱電方面的實驗,在強電實驗的弱電方面也能起到一定的作用。

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