基于NI ELVIS II系統(tǒng)的濾波器實(shí)驗(yàn)分層次設(shè)計(jì)

鐘 鵬，王殿生，楊喜峰，王彥芳，石志強(qiáng)

(中國石油大學(xué)(華東) a.理學(xué)院；b.材料科學(xué)與工程系，山東 青島 266580)

基于NI ELVIS II系統(tǒng)的濾波器實(shí)驗(yàn)分層次設(shè)計(jì)

鐘 鵬a，王殿生a，楊喜峰a，王彥芳b，石志強(qiáng)b

(中國石油大學(xué)(華東) a.理學(xué)院；b.材料科學(xué)與工程系，山東 青島 266580)

基于NI ELVIS II系統(tǒng)和LabVIEW開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)了分層次的濾波器實(shí)驗(yàn). 在基礎(chǔ)訓(xùn)練層次，利用NI ELVIS II系統(tǒng)內(nèi)部集成的相關(guān)儀器進(jìn)行一階高通濾波器電路參量測量、激勵信號輸入以及響應(yīng)信號檢測，并通過LabVIEW數(shù)據(jù)處理例程，實(shí)現(xiàn)截止頻率、幅頻特性參量的計(jì)算和幅頻特性曲線的繪制.

濾波器；分層次；NI ELVIS II；LabVIEW

RC濾波器具有電路簡單、抗干擾性強(qiáng)、低頻性能好等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表設(shè)計(jì)中至關(guān)重要. 中國石油大學(xué)(華東)將該實(shí)驗(yàn)列為“智能儀器原理及設(shè)計(jì)”、“智能檢測技術(shù)”和“傳感器原理及應(yīng)用”等課程的必修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目. 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式是采用萬用表、交流電壓表、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器等分立儀器和相關(guān)電子元件組合搭建測量電路[1]，使學(xué)生掌握各電子設(shè)備的使用方法，并理解濾波器的原理和工作特性. 實(shí)踐證明該實(shí)驗(yàn)在提高學(xué)生電路分析及動手能力方面起到了良好作用.

虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為硬件平臺、由用戶設(shè)計(jì)定義虛擬面板. 通過測試軟件實(shí)現(xiàn)測試功能的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)，目前已成為儀器發(fā)展的重要方向之一[2]. 2012年中國石油大學(xué)(華東)引進(jìn)了NI ELVIS II虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件(Educational laboratory virtual instrumentation suite， ELVIS). 它是美國國家儀器公司于2008年推出的基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)和原型開發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，具有集成度高、擴(kuò)展性強(qiáng)、性能優(yōu)越、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一體化，是提高學(xué)生實(shí)踐動手能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維的有效手段[3-4]. 基于該平臺，目前已開設(shè)串聯(lián)諧振電路、光纖位移傳感、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測控和電路參量測試系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)[5-8]. 本文采用該系統(tǒng)，針對不同層次學(xué)生的需求，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)訓(xùn)練與創(chuàng)新設(shè)計(jì)相結(jié)合的濾波器實(shí)驗(yàn). 與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式相比，學(xué)生不僅可以深刻理解RC濾波器工作原理和特性，還能應(yīng)用NI ELVIS II虛擬儀器教學(xué)平臺開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，掌握虛擬儀器的基本思想.

1 基于NI ELVIS II的濾波器實(shí)驗(yàn)方案

1.1 NI ELVIS II系統(tǒng)的構(gòu)成

NI ELVIS II系統(tǒng)集成了12款常用儀器，包括數(shù)字萬用表(DMM)、示波器(Scope)、函數(shù)發(fā)生器(FGEN)和任意波形發(fā)生器(ARB)等,結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由硬件和相應(yīng)的驅(qū)動軟件構(gòu)成.

圖1 NI ELVIS II系統(tǒng)構(gòu)成圖

硬件分為工作臺和原型板:工作臺集成了DAQ卡和保護(hù)電路板以及部分虛擬儀器的接線端子和調(diào)節(jié)旋鈕；原型板與工作臺相連，其兩側(cè)的插孔接線條提供所有信號的端子，中間區(qū)域用于搭建電路. PC上NI ELVIS驅(qū)動軟件包括前面板(SFP)虛擬儀器和LabVIEW ELVIS 應(yīng)用接口程序(API). NI ELVISmx是基于LabVIEW的軟前面板(SFP)工具，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，LabVIEW ELVIS API通過USB即插即用功能，控制DAQ卡，對儀器進(jìn)行配置[9-10]. 系統(tǒng)各儀器響應(yīng)速度快，精度高，可對設(shè)計(jì)電路完成各種激勵與檢測，適合智能檢測技術(shù)方向的課程教學(xué).

1.2 分層次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)“智能儀器原理及設(shè)計(jì)”等課程教學(xué)要求，本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆諡V波器原理，了解NI ELVIS II系統(tǒng)的構(gòu)成并能熟練操作，同時(shí)學(xué)會LabVIEW基本編程，內(nèi)容豐富，綜合性強(qiáng). 如果設(shè)計(jì)成傳統(tǒng)的驗(yàn)證模式，則創(chuàng)新能力得不到培養(yǎng)；如果采用設(shè)計(jì)模式，則由于知識點(diǎn)多，學(xué)時(shí)有限，教學(xué)效果也不理想，因而提出分層次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案. 分層次教學(xué)遵循學(xué)習(xí)循序漸進(jìn)原則，使學(xué)生首先用驗(yàn)證的方法進(jìn)行部分實(shí)驗(yàn)，獲取并理解理論，然后應(yīng)用理論進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)踐，從而掌握該項(xiàng)技術(shù)[11-13].

結(jié)合濾波器實(shí)驗(yàn)原理和NI ELVIS II實(shí)驗(yàn)平臺的特點(diǎn)，具體方案如下：

1)以一階高通濾波器作為基礎(chǔ)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 該內(nèi)容以驗(yàn)證性為主，主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)講義，教師指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn). 通過基礎(chǔ)訓(xùn)練，學(xué)生掌握濾波電路的設(shè)計(jì)方法，了解幅頻特性，熟悉NI ELVIS II系統(tǒng)以及LabVIEW例程的使用. 基礎(chǔ)訓(xùn)練層次實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對理論知識的理解，熟悉虛擬儀器平臺和軟件的結(jié)構(gòu)與功能.

2)以低通濾波器和帶通濾波器等作為創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并應(yīng)用LabVIEW軟件編寫數(shù)據(jù)處理程序，分析幅頻特性和相頻特性. 創(chuàng)新設(shè)計(jì)層次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力和設(shè)計(jì)開發(fā)能力.

2 高通濾波器幅頻特性原理

對于信號頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路. 它的功能是允許特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，阻止其他頻率信號通過. 按濾波電路工作頻帶，濾波器分為高通濾波器(HPF)、低通濾波器(LPF)、帶通濾波器(BPF)、帶阻濾波器(BEF)和全通濾波器(APF)等[14-16].

高通濾波器(HPF)電路如圖2所示，其截止頻率f01可表示為

(1)

式中R1和C1分別為濾波器電阻和電容. 頻率高于f01的信號能夠通過，而低于f01的信號被衰減[14]. 幅頻特性的理論值H1(ω)和實(shí)際值H1′(ω)分別為

(2)

(3)

圖2 一階高通濾波電路圖

幅頻特性的相對誤差δ1可表示為

(4)

測量電容C1和電阻R1值，由式(1)可求出截止頻率；輸入一定頻率的交流信號，測出其輸入和輸出電壓，由式(3)可得到其幅頻特性的測量值.

3 基于高通濾波器基礎(chǔ)性訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

NI ELVIS II系統(tǒng)搭建模擬電路需要將元器件插在原型板的中間區(qū)域，即面包板上，插孔較小且密，電路搭建費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易出錯，嚴(yán)重時(shí)會損壞系統(tǒng). 因此，自制了濾波器實(shí)驗(yàn)電路板，板上焊接不同的阻容元件和相應(yīng)接線端子，用于搭建各類濾波器. 使用NI ELVIS II系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)電路板進(jìn)行高通濾波器實(shí)驗(yàn).

1)電路元件值的測量

將NI ELVIS II系統(tǒng)與電腦連接，打開控制軟件NI ELVISmx的數(shù)字萬用表(DMM)控制面板，使用工作臺上相應(yīng)接口測量實(shí)驗(yàn)電路板元件的值. 由歐姆擋測量電阻R1值，由電容擋測量電容C1值. 測量結(jié)果輸入基于LabVIEW開發(fā)的幅頻特性計(jì)算面板“R1”和“C1”數(shù)值框中，例程將求出截止頻率f01并給出信號輸入各頻率點(diǎn).

2)原型電路的搭建

在實(shí)驗(yàn)電路板上搭建如圖3所示的一階高通濾波器電路. 函數(shù)發(fā)生器XFG1可選擇NI ELVIS II系統(tǒng)的函數(shù)信號發(fā)生器(FGEN)，也可選擇任意波形發(fā)生器(ARB)，它與濾波器輸入端相連，產(chǎn)生正弦交流信號作為激勵信號，示波器XSC1選擇工作臺上的雙路示波器(SCOPE)，一路檢測輸入信號，另一路檢測輸出信號.

圖3 一階高通濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真圖

3)高通濾波器幅頻特性的測量

由式(3)，激勵信號的幅值保持不變，使頻率從低到高變化，觀察并測量輸出信號的幅度，可得到濾波器的幅頻特性. 具體實(shí)驗(yàn)步驟為：在XFG1軟面板上設(shè)定頻率和幅值，控制激勵信號輸出，幅值有效值由DMM交流電壓擋在電路輸入端測量，填入計(jì)算面板的Uieff(V)框中，實(shí)驗(yàn)過程中保持不變，頻率則根據(jù)例程中“倍數(shù)”數(shù)組的值調(diào)整，該數(shù)組均勻覆蓋截止頻率f01從0.2～2倍的區(qū)間，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置合理，現(xiàn)象明顯. 每改變一次頻率設(shè)定，使用DMM交流電壓擋測量輸出信號有效值，填入計(jì)算面板Uoeff(V)數(shù)組中，數(shù)據(jù)處理過程自動完成.

4)基于LabVIEW的濾波器數(shù)據(jù)處理例程

濾波器幅頻特性計(jì)算面板例程應(yīng)用于整個實(shí)驗(yàn)過程，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理功能. 其前面板如圖4所示，是用戶與計(jì)算機(jī)交互的平臺，有輸入控件和輸出控件. 輸入控件包括數(shù)值輸入和按鈕等，輸出顯示控件包括波形圖、數(shù)值顯示等. 具體使用方法如下：輸入R1和C1值，則截止頻率f01以及各輸入信號頻率點(diǎn)自動求出；Uieff為輸入信號幅值，Uoeff為不同輸入頻率下的輸出信號幅值，都由DMM測量獲得；幅頻特性理論值H1、幅頻特性實(shí)驗(yàn)值H1′、幅頻特性相對誤差δ1以及l(fā)gf/f01等參量由例程根據(jù)式(1)～(3)在程序后臺自動計(jì)算完成，由前面板顯示并繪制出幅頻特性曲線.

圖4 前面板

高通濾波器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理程序框圖如圖5所示，它是程序的圖形化源代碼，從前面板上的輸入控件獲得用戶輸入信息并傳遞給CPU進(jìn)行運(yùn)算和處理，然后反饋給輸出控件進(jìn)行顯示. 本程序使用了LabVIEW軟件的諸多基本要素，例如：使用字符串變量完成前面板名稱的顯示，使用布爾子模板完成程序啟動功能，使用數(shù)值控件和數(shù)組控件完成參量的輸入和計(jì)算結(jié)果輸出功能，使用公式節(jié)點(diǎn)和循環(huán)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)子模塊完成公式的計(jì)算，使用圖形控件完成幅頻特性繪制等功能. 該例程展示了LabVIEW強(qiáng)大的運(yùn)算功能，可以激發(fā)學(xué)生的研究興趣，并且為創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供了編程范例.

圖5 高通濾波器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理程序框圖

4 創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與要求

學(xué)生掌握基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)后可進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)層次實(shí)驗(yàn). 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式以學(xué)生自主設(shè)計(jì)為主，教師輔導(dǎo)為輔. 要求參考高通濾波器幅頻特性實(shí)驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)一階低通濾波器(LPF)和帶通濾波器(BPF)幅頻特性和相頻特性的實(shí)驗(yàn)方案，具體內(nèi)容包括：

1)掌握LPF和BPF原理，繪制電路原理圖；

2)根據(jù)原理圖，使用實(shí)驗(yàn)電路板搭建電路；

3)確定具體的NI ELVIS II系統(tǒng)的相關(guān)激勵和測量設(shè)備，與實(shí)驗(yàn)電路板連接；

4)參照高通濾波器實(shí)驗(yàn)例程和LabVIEW軟件使用手冊，編寫LPF和BPF幅頻特性和相頻特性各參量的數(shù)據(jù)處理程序，并寫出例程的使用說明；

5)測量和計(jì)算各參量，并使用自編的LabVIEW例程完成實(shí)驗(yàn).

5 結(jié)束語

利用NI ELVIS II系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分層次濾波器特性實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在“智能儀器原理及設(shè)計(jì)”等課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用. 通過基礎(chǔ)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了高通濾波器工作特性，了解了NI ELVIS II系統(tǒng)以及LabVIEW軟件的功能；通過創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了低通濾波器和帶通濾波器特性，并在自主實(shí)踐中熟練使用NI ELVIS II系統(tǒng)，能應(yīng)用LabVIEW軟件進(jìn)行基本編程. 循序漸進(jìn)的濾波器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，遵循了學(xué)生認(rèn)識和學(xué)習(xí)知識的規(guī)律，激發(fā)了學(xué)生深入探究的興趣，取得滿意的教學(xué)效果，為學(xué)生在LabVIEW中控制NI ELVIS II系統(tǒng)，進(jìn)一步進(jìn)行虛擬儀器的研究與設(shè)計(jì)，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ). 該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想對于通信工程、單片機(jī)原理等其他應(yīng)用性強(qiáng)的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也將具有啟迪作用.

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Filter design experiment based on NI ELVIS II system

ZHONG Penga, WANG Dian-shenga, YANG Xi-fenga, WANG Yan-fangb, SHI Zhi-qiangb

(a. College of Science; b. Department of Materials Science and Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Filter experiments in various levels were designed based on NI ELVIS II system and LabVIEW platform. In the grounding level, circuit parametric measurement about a first order high-pass filter, excitation signal input and response signal detection were performed using the relevant instruments integrated within the NI ELVIS II system. The cut-off frequency and the amplitude-frequency characteristic parameters were calculated and the curve of amplitude-frequency was draw using LabVIEW data processing routine.

filter; level; NI ELVIS II; LabVIEW

2016-07-31

中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革項(xiàng)目(No.SY-B201407)；中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項(xiàng)目(No.YK201407)

鐘 鵬(1975-)，女，遼寧阜新人，中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，碩士，從事檢測技術(shù)、自動控制等研究.

王殿生(1965-)，男，黑龍江依蘭人，中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院教授，博士，從事電磁理論及應(yīng)用技術(shù)等研究.

TP391.9；TN713

A

1005-4642(2017)07-0017-04