基于NI ELVIS的串聯諧振電路實驗設計

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展，虛擬儀器逐漸取代傳統測試儀器[1]。以電類專業為例，其中一些實踐性較強的課程中，如“數字信號處理”、“電路原理”、“電子技術”等課程中運用虛擬儀器技術，以計算機為基礎構建集成化測試平臺,代替常規儀器、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省大量儀器設備的經費投入，也有助于學生從煩瑣的數學運算中解放出來，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，更新實驗教學內容[2]。

目前，包括我校在內的國內許多高等院校電類專業普遍開設電路原理課程，它是一門重要的專業基礎課，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節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了電路原理實驗的創新性，提高了學生的實踐動手能力，調動了學生的積極性和創造性[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、數字萬用表、函數發生器、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系列數據采集設備來完成數據采集任務。

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工具LabVIEW，ELVIS加載了在LabVIEW中創建的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、函數發生器、數字萬能表、可編程控制的電源以及波特分析器、動態信號分析儀與任意波形發生器。

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平臺上實現串聯諧振實驗

串聯諧振實驗是電路中的典型實驗。實驗主要通過測量RLC串聯電路中電流(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因數(Q值)[7]。在運用ELVIS進行串聯諧振實驗中，掌握利用ELVIS的軟面板儀器實現電路中電壓的測量，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，定義品質因數Q為回路的特性阻抗與回路電阻的比值，即

該參數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的函數信號發生器提供，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過模擬輸入端ai0通道采樣得到[9]，ELVIS內置了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使用數據流程序設計，特別適用于系統調試[13]。在LabVIEW中，可以使用一系列的工具和對象創建一個用戶界面，用戶界面也被稱為前面板，然后添加儀器功能。程序框圖包含實現前面板儀器功能圖標的連接及函數功能。前面板設計如圖2所示，具有以下功能：① 實現采樣信號參數的設置，包括RLC參數、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 根據電路參數，計算電路諧振頻率和品質因數；② 根據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 語

從上述串聯諧振實驗過程可以看出，在ELVIS平臺上實現比用傳統實驗裝置實現更具優越性：ELVIS平臺集成了許多功能性儀器，如電源、波形發生器、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，可以通過其開發軟件實現復雜的數據計算和處理，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，而且可以根據學生的興趣及創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、機械測量與機械電子等。ELVIS平臺可以完成絕大多數弱電方面的實驗,在強電實驗的弱電方面也能起到一定的作用。

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