基于LabVIEW的電磁學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
——以“RLC電路穩(wěn)態(tài)系列實(shí)驗(yàn)”為例

張淑萍，馮正南

(北華大學(xué) 理學(xué)院，吉林 吉林 132001)

LabVIEW是一種虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，又稱G語言。它區(qū)別于C和BASIC開發(fā)環(huán)境的典型特征是它使用圖形化的編程環(huán)境，使用圖標(biāo)和連線代替文本的編程形式。LabIEW圖形編輯環(huán)境給了用戶很大的便利，用戶只需在自己定義或設(shè)計(jì)好的儀器流程或邏輯框圖內(nèi)積木式地放進(jìn)從LabVIEW編程環(huán)境中取出的對(duì)應(yīng)“部件”便可形成一臺(tái)滿足用戶需要的儀器[1]。LabVIEW軟件提供了豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)圖形化的輸入輸出控件，可以輕松地實(shí)現(xiàn)虛擬的信號(hào)發(fā)生器、示波器、萬用表和數(shù)據(jù)記錄儀等功能[2]。更重要的是基于LabVIEW程序開發(fā)物理實(shí)驗(yàn)儀器難度不大，簡單易學(xué)，用戶通過鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，可以方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流[3]。如果將VI與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，前面板就相當(dāng)于儀器面板，而程序框圖相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的功能部件[4]即使是理學(xué)院的學(xué)生稍做研究也能很快上手使用。

RLC電路的穩(wěn)態(tài)特性是《普通物理實(shí)驗(yàn)》Ⅱ(電磁學(xué)部分)的主要內(nèi)容，主要研究RC電路、RL電路和RLC電路在電路穩(wěn)定狀態(tài)下電壓與電流相位差等隨頻率變化的規(guī)律，其公式推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算和作圖也十分繁瑣。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生課前預(yù)習(xí)不夠直觀,是造成實(shí)驗(yàn)時(shí)間長、效率低等問題的主要原因[5]。利用LabVIEW軟件平臺(tái)，對(duì)RLC電路穩(wěn)態(tài)系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，充分適應(yīng)當(dāng)前大環(huán)境下時(shí)常線上授課的形勢(shì)，也可以讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理與分析等內(nèi)容的仿真開發(fā)中來,有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維能力，更有利于不同學(xué)科之間的交叉與融合。同時(shí)也可以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率，為教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究帶來便利。

1 相關(guān)的物理原理

在RLC串聯(lián)電路中,若加在電路兩端的正弦交流信號(hào)保持不變，則當(dāng)電路中的電流和電壓變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電流(或某原件兩端的電壓)與頻率之間的關(guān)系特性稱為幅頻特性：電壓、電流之間的相位差與頻率之間的關(guān)系特性稱為相頻特性[6]。LRC電路的穩(wěn)態(tài)特性系列實(shí)驗(yàn)包括RC串聯(lián)電路、RL串聯(lián)電路以及LRC電路的穩(wěn)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要研究交流信號(hào)的幅頻特性和相頻特性，同時(shí)學(xué)習(xí)使用雙蹤示波器，并掌握相位差的測(cè)量方法，復(fù)習(xí)、鞏固交流電路中的矢量圖解法和復(fù)數(shù)表示法。

以RLC串聯(lián)電路的相頻特性實(shí)驗(yàn)為例，由于交流電路中的電壓和電流不僅有大小變化而且還有相位差別，因此常用復(fù)數(shù)及其幾何表示—矢量法來研究，由復(fù)電壓與復(fù)電流之比得到的阻抗也式復(fù)數(shù)即復(fù)阻抗。

復(fù)阻抗為：

分三種情況討論：

2 虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過程

總體程序應(yīng)用While循環(huán)及條件結(jié)構(gòu)與事件結(jié)構(gòu)，可用布爾值來控制循環(huán)的開始與停止，通過布爾值改變生成不同事件的發(fā)生。

2.1 頻率信號(hào)發(fā)生器以及輸入電壓、電阻箱、電容箱、電感箱的設(shè)計(jì)

頻率信號(hào)發(fā)生器以及電阻箱、電容箱、電感箱均使用數(shù)值輸入控件，其中頻率信號(hào)發(fā)生器與輸入電壓輸入的值即為頻率值與輸入電壓值，電阻箱、電容箱、電感箱考慮到有小數(shù)位，所以數(shù)值輸入控件要與數(shù)值控件中的“加”“乘”配合使用，以便可以生成小數(shù)位，更好地符合實(shí)際情況。

2.2 電阻電壓、電容電壓、電感電壓、相位差等的計(jì)算的設(shè)計(jì)

運(yùn)用數(shù)學(xué)控件中的“公式Express Ⅵ”來實(shí)現(xiàn)計(jì)算并輸出對(duì)應(yīng)值。首先將已將設(shè)置好的頻率值、電阻值、電壓值、電感值、電容值放置于“公式Express Ⅵ”的輸入端，并在“公式Express Ⅵ”中輸入相應(yīng)的數(shù)值公式，經(jīng)過計(jì)算輸出即為設(shè)定值。

2.3 曲線波形圖、李薩如圖形的生成的設(shè)計(jì)

在信號(hào)處理控件中選擇“正弦波形Ⅵ”，其中，“正弦波形Ⅵ”需要幾個(gè)必要的輸入?yún)?shù)，分別為振幅、頻率、相位差，分別將電壓值、頻率值、與對(duì)應(yīng)計(jì)算的相位差與“正弦波形Ⅵ”的對(duì)應(yīng)輸入端相連，在經(jīng)過輸出，即為正弦波形圖。再應(yīng)用“捆綁(函數(shù))”與“簇至數(shù)組轉(zhuǎn)換(函數(shù))”，與“波形圖表Ⅵ”相連，在運(yùn)行之后，即可在界面圖像窗口處顯示圖形。

2.4 生成李薩如圖形

使用“創(chuàng)建XY圖Express Ⅵ”,將生成的兩個(gè)正弦波形分別作為X、Y使之垂直疊加，將“創(chuàng)建XY圖Express Ⅵ”的輸出端與一個(gè)“XY圖Ⅵ”相連，則用戶界面的XY圖中顯示李薩如圖形。為實(shí)現(xiàn)用李薩如圖形計(jì)算相位差，將用戶界面的XY圖形屬性-游標(biāo)中點(diǎn)擊“顯示游標(biāo)”。在程序面板中，“創(chuàng)建XY圖Express Ⅵ”輸出端相連的“XY圖Ⅵ”，創(chuàng)建其屬性節(jié)點(diǎn)，調(diào)用對(duì)應(yīng)XY圖的游標(biāo)位置，通過右擊游標(biāo)位置來創(chuàng)建屬性節(jié)點(diǎn)值，將對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)顯示在用戶顯示界面。

2.5 導(dǎo)出數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、生成圖像的設(shè)計(jì)

應(yīng)用事件條件結(jié)構(gòu)，設(shè)置“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”，“保存數(shù)據(jù)”，“生成圖像”三個(gè)布爾型按鈕，設(shè)置三個(gè)條件結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)每個(gè)布爾值發(fā)生改變，則運(yùn)行對(duì)應(yīng)的事件條件的內(nèi)容。導(dǎo)出數(shù)據(jù)的布爾按鈕值發(fā)生變化，則會(huì)將仿真數(shù)值生成到表格中，保存數(shù)據(jù)的布爾按鈕數(shù)值發(fā)生變化，則會(huì)把仿真數(shù)據(jù)以文本的形式導(dǎo)出到桌面，但需要事先設(shè)定好導(dǎo)出位置。生成圖像的布爾按鈕值發(fā)生變化，則會(huì)運(yùn)行生成圖像的程序，該程序會(huì)讀取仿真數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)文件，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以讀取的第一列數(shù)據(jù)為X軸，第二列數(shù)據(jù)為Y軸，并將X、Y的數(shù)據(jù)通過“捆綁(函數(shù))”、“創(chuàng)建數(shù)組(函數(shù))”來輸入到“XY圖Ⅵ”中，這樣就可以在用戶使用界面的對(duì)應(yīng)XY圖形總顯示圖像，但需要事先設(shè)定好讀取文件的位置。在程序運(yùn)行過程中，可以重復(fù)點(diǎn)擊。

2.6 對(duì)于生成數(shù)據(jù)的清除與再顯示

在事件結(jié)構(gòu)中，設(shè)置“清除仿真數(shù)據(jù)”，“顯示仿真數(shù)據(jù)”兩個(gè)布爾型按鈕，當(dāng)其中一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)執(zhí)行其對(duì)應(yīng)事件結(jié)構(gòu)中的程序?！扒宄抡鏀?shù)據(jù)”的布爾值發(fā)生改變，就會(huì)將原本程序運(yùn)行保存的數(shù)據(jù)替換為空，就把原本的數(shù)據(jù)清空，若“顯示仿真數(shù)據(jù)”的布爾值發(fā)生變化，則會(huì)將已經(jīng)清空的空數(shù)據(jù)區(qū)替換為原本的仿真數(shù)據(jù)，則顯示仿真數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊使學(xué)生擺脫繁瑣的計(jì)算，集中精力于實(shí)驗(yàn)本身，學(xué)習(xí)者通過該模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析[7]。

3 虛擬RLC電路穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)的使用方法

首先點(diǎn)擊程序左上方的白色箭頭來運(yùn)行此Ⅵ。輸入相應(yīng)的參數(shù)分別有：電阻R的值、電感L的值、電容C的值、頻率f的值、輸入電壓U的值。每次改變頻率值之后，對(duì)應(yīng)的電阻電壓UR、電感電壓UL、電容電壓UC、以及相位差φ會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，其次，每次改變頻率的對(duì)應(yīng)波形圖也會(huì)發(fā)生變化。

每次改變一個(gè)頻率值，點(diǎn)擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”按鈕，便會(huì)將對(duì)應(yīng)頻率下的電阻電壓UR、電感電壓UL、電容電壓UC、以及相位差φ導(dǎo)入到數(shù)據(jù)表格中，以此類推，直至此次實(shí)驗(yàn)所需頻率輸入完畢，即可點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，從而將此次實(shí)驗(yàn)生成的所有數(shù)據(jù)保存到桌面的TXT文本中。接下來生成圖像，點(diǎn)擊“生成圖像”按鈕，即可在界面的圖像顯示去看到本次仿真的數(shù)據(jù)所繪制圖像以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制的圖像，實(shí)驗(yàn)圖像與仿真圖像都在同一個(gè)圖中，可以便于對(duì)照，觀察仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異。

4 結(jié)論與總結(jié)

基于LABVIEW的RLC電路穩(wěn)態(tài)系列仿真實(shí)驗(yàn)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求并通過了嚴(yán)格的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，仿真操作能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求，在仿真操作中可直觀地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并通過改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)觀察RLC電路系列實(shí)驗(yàn)相頻特性和諧振時(shí)電流與電壓的幅值、相位的變化情況。仿真實(shí)驗(yàn)過程中,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)與數(shù)據(jù),即時(shí)保存數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)，生成幅頻和相頻等一系列實(shí)驗(yàn)圖像并完成數(shù)據(jù)處理，仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全吻合。在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中，仿真實(shí)驗(yàn)以其時(shí)空的靈活性，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，打破時(shí)間、空間和儀器數(shù)量的限制，可服務(wù)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)需求，讓學(xué)生能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，極大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性[8]。極大地降低了實(shí)驗(yàn)和維護(hù)的成本[9]。為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。是混合式課程改革的一部分[10]。