基于ＬａｂＶＩＥＷ的線性電子線路實驗系統

方　亮

[摘要]闡述一種基于LabVIEW的線性電子線路實驗系統。該系統采用自行設計的電路硬件系統與虛擬測量系統相結合的模式,為線性電子線路實踐教學提供更為科學、更為有效的解決方案。

[關鍵詞]LabVIEW 虛擬儀器 Protel 線性電子線路

中圖分類號:TN4文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0810016-01

一、引言

《線性電子線路》是一門實踐性較強的電子類技術基礎課。許多理論概念必須通過實踐才能獲得更清晰的了解,在實踐中積累豐富經驗就能更主動的學習理論。因此,在學習該課程時必須高度重視實驗環節,堅持理論聯系實際的原則。然而,長期以來,傳統的實驗教學系統通常由實驗箱及各種外接測量儀器構成。繁雜的外部連線和眾多的測量儀器使得學生在實驗過程中需要耗費大量的時間在儀器和電路的銜接上,卻忽視了對實驗理論的理解、驗證,對實驗結果的分析,并由此得出“實驗=連線+記錄”的錯誤認識,從而導致學生對該實驗原有實驗目的的背離,嚴重影響了實驗的效果。為此,本文提出了基于LabVIEW的線性電子線路實驗系統的構想,利用先進的虛擬儀器技術,利用“軟件即是儀器”的設計理念,結合我校實際,科學的構建了一套方便易用的線性電子線路實驗系統。該系統不但可以激發學生的學習興趣,開發學生的實踐動手能力,提高實驗效果,而且能極大的減輕實驗教師每一次實驗準備的工作強度,提高工作效率。

二、系統設計

(一)系統的構成與功能

該系統主要由實驗電路系統和虛擬測量系統兩大部分構成,其結構框圖如圖1所示。其中,實驗電路系統作為本系統的基礎,主要承擔被測對象與電路原理圖實物化的作用。通過該系統,學生可以清楚的了解電路的組成與電子元件的實際應用,加深對實驗原理和課本知識的理解,增強學生對實際電路的感性認識和對電路功能實現的認知。而虛擬測量系統則是本系統的精髓。通過虛擬測量系統,學生能夠較好的完成對實驗電路的各種常用測量和記錄,使學生在明確該實驗目的的基礎之上,實現對課本中理論知識的有效驗證和分析,從而增強學生對電路原理的理性認知,以此達到并實現預期的實驗效果。

(二)實驗電路系統

根據我校《線性電子線路》課程實驗教學大綱的要求,由于該實驗課程是理工科專業的一門主要技術基礎課程實驗,其目的是通過實驗使學生加深對電路基本概念、基本原理和分析方法的理解,熟悉各種電路與信號的關系,拓寬學生的知識領域,鍛煉學生的實踐技能,培養學生科學的工作作風,獲得電工、電子技術的必要的基本技能,了解電工、電子技術的發展情況和應用領域,為學習后續課程及從事有關工程技術工作和科研工作打下一定的基礎,因此,該實驗電路系統在電路的選擇上嚴格依據實際教學的需要,對理論教材中的典型電路進行有效取舍,并采用Protel軟件對電路進行重新規劃、設計和制板,最終形成實驗教學所需要的實驗電路系統。

該系統主要由晶體管共射極單管放大電路、晶體管兩級放大電路(如圖2所示)、射極跟隨電路、差動放大電路、負反饋放大電路和集成運算放大器構成的各種模擬運算及電壓比較電路等部分構成。各電路模塊相互獨立,使學生能專一的、有針對性的完成對晶體管、放大器和集成運算放大器等線性電子線路基礎知識的實踐學習。

(三)虛擬測量系統

虛擬測量系統是該線性電子線路實驗系統的重要組成部分。在以往的線性電子線路實驗課程中,為了讓學生能掌握某電路的相關概念和基本原理,通常使用由示波器、毫伏表和信號源等眾多設備組成的綜合測量系統對電路的節點參數進行必要的測量與分析。在實際應用當中,傳統儀器在實驗測量中的作用非常突出,但實驗教學效果卻并不理想。眾多儀器的正確選擇與使用往往成為實驗教學的難點,由于儀器使用不當而造成的實驗數據偏差、實驗失敗和儀器損壞嚴重影響了學生對教學重點電路原理的理解與掌握。為了解決上述問題,在該線性電子線路實驗系統中引入了虛擬測量系統。

該系統采用美國NI公司的LabVIEW軟件進行模塊化設計。LabVIEW(la

boratory virtual instrument engineering workbench)是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境,是美國NI(national

instrument company)公司推出的一種基于G語言(graphics language)的虛擬儀器軟件開發工具。由于LabVIEW具有直觀、編程簡單等特點,且具有強大的數據處理能力,因此,利用LabVIEW并結合相關的硬件及線性電子線路實驗課程中常用傳統測量儀器的作用與特點來構建易于使用、貼合實際的虛擬測量系統。

該系統主要由虛擬函數信號發生器、虛擬雙蹤示波器、虛擬交流毫伏表等模塊構成。其中,虛擬函數信號發生器作為信號源,是整個虛擬測量系統的關鍵,是獲取正確數據結果、驗證電路功能實現的前提與基礎。在設計中,利用了LabVIEW提供的“Basic Function Generator.vi”函數,其函數功能示意圖如圖3所示。該函數有8個輸入端,分別代表信號類型(signal type)、頻率(frequency)、幅值(amplitude)、相位(phase)、采樣信息(sampling info)、占空比(square wave duty cycle)、復位(reset signal)及偏移量(offset)等參數;2個輸出端,分別為信號輸出(signal out)與相位輸出(phase out)。通過調用此函數及相關的數值控件、布爾控件、圖形顯示控件和程序流程結構等內容,并配以相應的DAQ數據采集卡,此虛擬函數信號發生器即可生成實際應用中所需要的正弦波、三角波、方波和鋸齒波等常見典型波形供實驗電路系統使用。其虛擬函數信號發生器前面板示意圖如圖4所示。

三、結語

經驗證,該線性電子線路實驗系統能夠以較為簡單、快捷的方式完成我校關于《線性電子線路》課程實驗教學大綱所要求的全部驗證性實驗及部分綜合性實驗。盡管在設計上還存在一定的缺陷與不足,但憑借其靈活的模塊設計、人性化的操作界面以及穩定可靠的性能,在實際使用過程中,能較好的控制實驗時間,減少儀器損壞,降低實驗教師工作強度,促進學生對專業知識的掌握,增強實驗效果。

參考文獻:

[1]謝嘉奎、宣月清、馮軍,電子線路(線性部分)第四版,北京:高等教育出版社,1996.6.

[2]任姝婕、劉舒帆、陳軍,基于LabVIEW8.20的虛擬函數信號發生器,電氣電子教學學報,2008.6.

[3]張躍勤、王新輝、李云龍,基于數據采集的虛擬儀器實驗教學系統的開發與應用,實驗技術與管理,2007.11.

作者簡介:

方亮(1981-),男,漢族,四川自貢人,工學學士,四川理工學院自動化與電子信息學院實驗中心,助理實驗師,主要研究方向:電路與系統。