一種自動化電路實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘" 要：根據(jù)電氣工程虛擬實驗教學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，文章針對部分實驗存在大量機械重復(fù)操作或受限于現(xiàn)實實驗條件而無法實現(xiàn)的問題，以LabVIEW作為開發(fā)工具，構(gòu)建一種自動化電路實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)將計算機控制技術(shù)、儀器通信技術(shù)和信號分析處理等技術(shù)相融合，利用數(shù)字示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、電壓電流表等常用電學(xué)儀器儀表，預(yù)設(shè)了RLC串聯(lián)諧振實驗、元器件伏安特性等典型實驗，并預(yù)留實驗擴展接口。通過其在電路原理實驗課程中的應(yīng)用，驗證了該系統(tǒng)的開拓性和實用性。實踐表明，該實驗系統(tǒng)便捷高效，對提升電氣工程實驗教學(xué)效果具有積極作用。

關(guān)鍵詞：自動化實驗；電路實驗；實驗教學(xué)

中圖分類號：TP39；G434" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2025）03-0028-05

Design and Realization of an Automated Circuit Experiment System

WU Yue， XU Yang， ZHAO Jiangping

（College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou" 310027， China）

Abstract： According to the current situation and development trend of virtual experimental teaching of electrical engineering， this paper aims at the problem that some experiments have a large number of mechanical and repetitive operations or are limited by the actual experimental conditions and cannot be realized. An automated circuit experiment system is constructed with LabVIEW as the development tool. The system integrates computer control technology， instrument communication technology and signal analysis and processing technology， uses digital oscilloscopes， function signal generators， voltage and current meters， and other commonly used electrical instrumentations， presets typical experiments such as RLC series resonance experiments and component voltage-current characteristics， and reserves the experimental expansion interface. Through its application in the experimental course of circuit principle， the pioneering and practicality of the system are verified. Practice shows that the experimental system is convenient and efficient， and has a positive effect on improving the teaching effect of electrical engineering experiment.

Keywords： automated experiment; circuit experiment; experimental teaching

0" 引" 言

工程實踐涉及大量電路分析與設(shè)計以及現(xiàn)場調(diào)試的基本應(yīng)用，因此要求學(xué)生除了學(xué)習(xí)理論知識外，還必須建立與實際操作相關(guān)的概念與方法，并掌握實驗分析的基本思路，以提升成為工程型創(chuàng)新人才所需的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力[1-2]。而電路實驗課程正是承擔這一重任的第一門面向電類工程技術(shù)的實驗基礎(chǔ)課。因此，如何研究和設(shè)計實驗教學(xué)方法，對于幫助學(xué)生掌握理論知識并實現(xiàn)實踐應(yīng)用具有重要意義，能夠為學(xué)生成為工科技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)[3-4]。

電路實驗一般包含若干重要步驟：電路搭建、儀器調(diào)試、數(shù)據(jù)測量、記錄和分析等。實驗數(shù)據(jù)分析可以對實驗數(shù)據(jù)的合理性和準確性做出判斷，從而對實驗質(zhì)量進行評價。當通過實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)實驗存在問題時，很可能需要重新進行實驗。在有些實驗中，存在大量簡單重復(fù)測量操作，例如電路元件特性曲線測量、調(diào)諧電路功效的研究與RLC串聯(lián)電路頻率特性測量等實驗。無論是首次測量還是重新測量，都需要大量時間投入。然而，在這類實驗中，若減少實驗數(shù)據(jù)測量的數(shù)目，實驗結(jié)果的準確性會隨之下降[5-6]。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，實驗室的硬件配置和軟件環(huán)境都在不斷更新，可以實現(xiàn)計算機實時控制和測量，并可以充分利用計算機進行輔助分析、數(shù)據(jù)處理以及虛擬化設(shè)計[7-8]。同時，教育部也高度重視虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)。根據(jù)國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺的數(shù)據(jù)，虛擬仿真實驗教學(xué)課程總計3 516項，其中電氣類實驗有123項，綜合設(shè)計型占到52.8%?？梢姡€下實際操作實驗結(jié)合虛擬仿真實驗教學(xué)已成為一種趨勢[9-11]。

本文根據(jù)電路實驗課程的需求與虛擬仿真實驗的發(fā)展現(xiàn)狀，以調(diào)諧電路功效的研究和RLC串聯(lián)電路頻率特性測量實驗為例，說明如何借助LabVIEW軟件并利用虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計一套虛實結(jié)合的電路實驗系統(tǒng)，為電路實驗教學(xué)提質(zhì)增效。

1" 實驗系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)實驗系統(tǒng)的自動化目標，需要利用計算機控制，其設(shè)計思路是利用儀器儀表的通信功能，將其與計算機在硬件和數(shù)據(jù)鏈路層面相連接，從而接收計算機發(fā)出的控制命令。通過解析計算機指令，儀器設(shè)備可以設(shè)置并返回相關(guān)數(shù)據(jù)給機上，計算機可以對收取到的數(shù)據(jù)進行處理與分析，并通過圖表等方式對實驗結(jié)果進行顯示，再由實驗操作者對其進行進一步的分析。

實驗系統(tǒng)設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。

1.1" 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要實現(xiàn)儀器儀表與計算機的物理連接。本實驗系統(tǒng)涉及的電路實驗常用儀器儀表包括函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字示波器、直流電源和電壓電流表等。根據(jù)儀器的通信接口差異，分別采用以太網(wǎng)總線和RS485總線與計算機連接[12]，其中函數(shù)信號發(fā)生器和數(shù)字示波器采用以太網(wǎng)總線與計算機相連，直流電源和電壓電流表則通過RS485總線與計算機相連，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用以太網(wǎng)總線進行通信時，為便于儀器的擴展，首先將示波器和函數(shù)信號發(fā)生器連接至路由器，再由路由器與計算機相連接。由于計算機一般不含有RS485總線接口，在實際連接中，視情況加入RS485轉(zhuǎn)RS232和RS232轉(zhuǎn)USB等接口轉(zhuǎn)換器，使得計算機可以與RS485總線進行正常數(shù)據(jù)收發(fā)。

1.2" 軟件設(shè)計

上位機軟件采用LabVIEW進行設(shè)計，LabVIEW是一個使用圖形符號進行編寫程序的編程環(huán)境，也是數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件的標準，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究性實驗室。其特點包括交互強、可視化程度高、可擴展性好，能夠很好地解決電路實驗教學(xué)中的一些問題，為學(xué)生提供更好的實驗平臺和學(xué)習(xí)體驗[13-14]。設(shè)計過程充分利用了其強大的儀器通信功能，對于儀器儀表操作，均采用“三步法”完成：建立連接、具體操作、斷開連接。對每一步進行模塊化管理，使軟件更易維護和管理。例如，對于示波器波形的采集和顯示，其程序如圖2所示。

在該程序中，“具體操作”部分相對復(fù)雜，但程序控制流程與實際操作示波器的流程一致。首先對示波器通道參數(shù)進行設(shè)置；設(shè)置完成后，將示波器切換至運行模式；之后，對觸發(fā)信號、時基和垂直刻度進行調(diào)整；波形調(diào)整穩(wěn)定后，讀取波形數(shù)據(jù)，并將示波器切換至停止模式。在此過程中，程序?qū)⒆赃m應(yīng)調(diào)整波形狀態(tài)，使時基和垂直檔位均為合適值，以保證波形達到最佳顯示狀態(tài)。

此外，為便于該實驗系統(tǒng)對不同實驗的擴展，軟件設(shè)計采用了生產(chǎn)者/消費者結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。利用該架構(gòu)進行實驗擴展時，只需將實驗定義為不同消費者，即可完成新實驗的識別和添加。

2" 實驗內(nèi)容設(shè)計

利用該實驗系統(tǒng)，可以集成所有涉及被控儀器儀表的實驗，但主要針對兩類實驗：一類是存在大量重復(fù)且煩瑣操作的實驗，另一類是在有限的實驗室條件下，一般無法準確完成的實驗。下面以RLC串聯(lián)諧振實驗和利用示波器進行元器件伏安特性測量實驗為例，對以上兩類實驗進行介紹。

2.1" RLC串聯(lián)諧振實驗

RLC串聯(lián)諧振實驗的原理如圖4所示。

在RLC串聯(lián)電路中，當電路發(fā)生諧振時，電路呈純阻性，應(yīng)有，即有，進而有，可得諧振頻率。根據(jù)RLC串聯(lián)諧振電路特性，電阻R的幅頻特性曲線尖峰所在的頻率點即為諧振頻率，理論上有。

在該實驗中，正弦交流電源，由函數(shù)信號發(fā)生器提供，每改變一次電源頻率，需要分別對電阻、電容、電感兩端電壓進行測量，根據(jù)電壓序列找到諧振頻率點。通過手動測量直接進行實驗時，需要進行函數(shù)信號發(fā)生器頻率調(diào)整，且在每個頻率點需要測量3個電壓值，該過程步驟多，工作量大，較為煩瑣。

對RLC串聯(lián)諧振實驗進行設(shè)計時，首先考慮測量問題，采用四通道數(shù)字示波器進行元器件兩端電壓有效值的測量。由于在現(xiàn)有實驗室條件下，示波器和函數(shù)信號發(fā)生器具有相同接地端，示波器無法直接完成元器件兩端信號測量。利用示波器通道1測量函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形，記為W1；示波器通道2測量電感L和電容C兩端波形，記為W2；示波器通道3測量電容C兩端波形，記為W3。則電阻R兩端的電壓有效值為波形W1-W2的有效值，電感L兩端的電壓有效值為波形W2-W3的有效值，電容C兩端的電壓有效值為波形W3的有效值。相關(guān)測量如圖5所示。

因此，在自動化實驗中，只需通過計算機控制，連續(xù)調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出波形的頻率，上位機采集并處理示波器顯示的各個器件在不同波形頻率下的波形數(shù)據(jù)，進而繪制各個器件的幅頻特性曲線，從而找到諧振頻率點。

2.2" 示波器測量元器件伏安特性

元器件伏安特性曲線測量的原理如圖6所示，其中Rx為被測量元器件。利用示波器測量元器件伏安特性曲線的理論方法是：將限流電阻R與被測器件Rx串聯(lián)，在其兩端輸入一個交流信號，利用示波器的兩個通道分別采集R和Rx兩端的波形，并以Rx兩端信號作為X軸信號，R兩端信號作為Y軸信號，從而利用示波器繪制李沙育圖，該李沙育圖就是元器件Rx的伏安特性曲線。但在實際實驗室的條件下，由于示波器和函數(shù)信號發(fā)生器共地，示波器無法同時直接分別采集元器件Rx和R兩端波形，因此無法利用示波器XY顯示功能繪制得到正確的伏安特性曲線。

對示波器測量元器件伏安特性曲線實驗，所采用的策略是對示波器波形進行運算。利用示波器測量通道1采集輸入信號波形，記為W1；示波器測量通道2采集R兩端波形，記為W2，那么Rx兩端的波形即為W1-W2。在上位機中，將信號W1-W2作為橫軸信號，W2作為縱軸信號，即可作出元器件的伏安特性曲線。如果將W2除以R阻值后的數(shù)據(jù)作為縱軸信號，那么所得到的伏安特性曲線不僅在形狀上是正確的，而且其數(shù)值也符合該元器件的真實伏安特性。

3" 實驗測試

完成實驗系統(tǒng)的硬件連接和軟件設(shè)計，即可進行實驗操作。

以RLC串聯(lián)諧振實驗為例進行測試。打開實驗系統(tǒng)軟件，進入實驗界面，根據(jù)軟件界面所提示的實驗原理圖連接實驗電路，如圖7所示。

在RLC串聯(lián)諧振實驗中，軟件提供了三種測量頻率點設(shè)置模式：均勻頻率點、自定義頻率點和自適應(yīng)頻率點。均勻頻率點方式需提供起始頻率、步進頻率和終止頻率；自定義頻率點方式則可自行輸入需要測量的頻率點；自適應(yīng)頻率點方式則需要輸入實驗用電阻、電感和電容值，系統(tǒng)會自行計算出測試點，采用在諧振點附近頻率間隔較小，遠離諧振點頻率點間隔較大的方式選擇合適的測試點。每個測量點在6秒左右完成。

如圖7所示選用1 000 Ω電阻、40 mH電感和0.1 μF電容進行實驗，選擇自適應(yīng)頻率點方式進行測試，軟件共產(chǎn)生22個測試頻率點，總用時在3分鐘左右。

實驗結(jié)束后，軟件分別繪制電阻、電感和電容的幅頻特性曲線，并在測量頻率點中確定諧振頻率點。根據(jù)元器件參數(shù)計算其理論諧振點為2 517 Hz，測得諧振頻率為2 200 Hz，兩者之間絕對誤差為317 Hz。經(jīng)分析，其誤差主要來源于電阻、電感和電容的標稱值和實際值存在差異，而非實驗測量本身存在問題。由此可見，利用該系統(tǒng)進行實驗，不僅可以提高實驗效率，并減少人為讀數(shù)誤差，而且測量結(jié)果可以很好地驗證理論。

4" 結(jié)" 論

本實驗系統(tǒng)借助于LabVIEW計算分析功能強大、兼容性好和開發(fā)周期短等優(yōu)點，以RLC串聯(lián)諧振電路研究實驗和利用示波器測量元器件伏安特性曲線實驗為例，介紹自動化實驗的設(shè)計思路和方法。通過上位機對實驗參數(shù)的設(shè)置、采集與分析，減少大量煩瑣的實驗調(diào)試、讀數(shù)過程，并提供更優(yōu)秀的實驗環(huán)境以克服實驗條件的限制，既顯著提高了實驗課堂的效率和準確性，又能通過現(xiàn)場演示加深學(xué)生在理論課堂中對電路原理的理解，很好地滿足了實驗教學(xué)需求。從本實驗系統(tǒng)在課堂教學(xué)中的成功應(yīng)用可知，結(jié)合實踐操作與自動化測量的實驗?zāi)Ｊ綄﹄妼W(xué)類實驗課程具有一定的借鑒和參考意義。

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作者簡介：吳越（2002—），女，漢族，浙江溫州人，本科在讀，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。