基于NI ELVIS II系統的濾波器實驗分層次設計

鐘 鵬，王殿生，楊喜峰，王彥芳，石志強

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

基于NI ELVIS II系統的濾波器實驗分層次設計

鐘 鵬a，王殿生a，楊喜峰a，王彥芳b，石志強b

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

基于NI ELVIS II系統和LabVIEW開發平臺，設計了分層次的濾波器實驗. 在基礎訓練層次，利用NI ELVIS II系統內部集成的相關儀器進行一階高通濾波器電路參量測量、激勵信號輸入以及響應信號檢測，并通過LabVIEW數據處理例程，實現截止頻率、幅頻特性參量的計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、低頻性能好等優點，在儀器儀表設計中至關重要. 中國石油大學(華東)將該實驗列為“智能儀器原理及設計”、“智能檢測技術”和“傳感器原理及應用”等課程的必修實驗項目. 傳統的實驗方式是采用萬用表、交流電壓表、函數信號發生器、示波器等分立儀器和相關電子元件組合搭建測量電路[1]，使學生掌握各電子設備的使用方法，并理解濾波器的原理和工作特性. 實踐證明該實驗在提高學生電路分析及動手能力方面起到了良好作用.

虛擬儀器是以計算機為硬件平臺、由用戶設計定義虛擬面板. 通過測試軟件實現測試功能的計算機儀器系統，目前已成為儀器發展的重要方向之一[2]. 2012年中國石油大學(華東)引進了NI ELVIS II虛擬儀器實驗教學套件(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軟件設計和原型開發的實驗教學平臺，具有集成度高、擴展性強、性能優越、體積小等優點，可實現教學儀器、數據采集和實驗設計一體化，是提高學生實踐動手能力、培養學生創新性思維的有效手段[3-4]. 基于該平臺，目前已開設串聯諧振電路、光纖位移傳感、直流電機轉速測控和電路參量測試系統等實驗[5-8]. 本文采用該系統，針對不同層次學生的需求，設計了基礎訓練與創新設計相結合的濾波器實驗. 與傳統實驗方式相比，學生不僅可以深刻理解RC濾波器工作原理和特性，還能應用NI ELVIS II虛擬儀器教學平臺開展創新實驗設計，掌握虛擬儀器的基本思想.

1 基于NI ELVIS II的濾波器實驗方案

1.1 NI ELVIS II系統的構成

NI ELVIS II系統集成了12款常用儀器，包括數字萬用表(DMM)、示波器(Scope)、函數發生器(FGEN)和任意波形發生器(ARB)等,結構如圖1所示，它主要由硬件和相應的驅動軟件構成.

圖1 NI ELVIS II系統構成圖

硬件分為工作臺和原型板:工作臺集成了DAQ卡和保護電路板以及部分虛擬儀器的接線端子和調節旋鈕；原型板與工作臺相連，其兩側的插孔接線條提供所有信號的端子，中間區域用于搭建電路. PC上NI ELVIS驅動軟件包括前面板(SFP)虛擬儀器和LabVIEW ELVIS 應用接口程序(API). NI ELVISmx是基于LabVIEW的軟前面板(SFP)工具，可實現人機交互，LabVIEW ELVIS API通過USB即插即用功能，控制DAQ卡，對儀器進行配置[9-10]. 系統各儀器響應速度快，精度高，可對設計電路完成各種激勵與檢測，適合智能檢測技術方向的課程教學.

1.2 分層次實驗設計方案

根據“智能儀器原理及設計”等課程教學要求，本實驗目的是掌握濾波器原理，了解NI ELVIS II系統的構成并能熟練操作，同時學會LabVIEW基本編程，內容豐富，綜合性強. 如果設計成傳統的驗證模式，則創新能力得不到培養；如果采用設計模式，則由于知識點多，學時有限，教學效果也不理想，因而提出分層次的實驗設計方案. 分層次教學遵循學習循序漸進原則，使學生首先用驗證的方法進行部分實驗，獲取并理解理論，然后應用理論進行創新性實踐，從而掌握該項技術[11-13].

結合濾波器實驗原理和NI ELVIS II實驗平臺的特點，具體方案如下：

1)以一階高通濾波器作為基礎訓練實驗內容. 該內容以驗證性為主，主要依據實驗講義，教師指導學生完成實驗. 通過基礎訓練，學生掌握濾波電路的設計方法，了解幅頻特性，熟悉NI ELVIS II系統以及LabVIEW例程的使用. 基礎訓練層次實驗加深學生對理論知識的理解，熟悉虛擬儀器平臺和軟件的結構與功能.

2)以低通濾波器和帶通濾波器等作為創新性設計實驗內容. 學生自主設計實驗方案，并應用LabVIEW軟件編寫數據處理程序，分析幅頻特性和相頻特性. 創新設計層次實驗重點培養學生的綜合分析能力和設計開發能力.

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性訓練實驗設計

NI ELVIS II系統搭建模擬電路需要將元器件插在原型板的中間區域，即面包板上，插孔較小且密，電路搭建費時費力，且容易出錯，嚴重時會損壞系統. 因此，自制了濾波器實驗電路板，板上焊接不同的阻容元件和相應接線端子，用于搭建各類濾波器. 使用NI ELVIS II系統和實驗電路板進行高通濾波器實驗.

1)電路元件值的測量

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

2)原型電路的搭建

在實驗電路板上搭建如圖3所示的一階高通濾波器電路. 函數發生器XFG1可選擇NI ELVIS II系統的函數信號發生器(FGEN)，也可選擇任意波形發生器(ARB)，它與濾波器輸入端相連，產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 一階高通濾波器實驗系統仿真圖

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. 具體實驗步驟為：在XFG1軟面板上設定頻率和幅值，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，填入計算面板的Uieff(V)框中，實驗過程中保持不變，頻率則根據例程中“倍數”數組的值調整，該數組均勻覆蓋截止頻率f01從0.2～2倍的區間，實驗點設置合理，現象明顯. 每改變一次頻率設定，使用DMM交流電壓擋測量輸出信號有效值，填入計算面板Uoeff(V)數組中，數據處理過程自動完成.

4)基于LabVIEW的濾波器數據處理例程

濾波器幅頻特性計算面板例程應用于整個實驗過程，完成實驗數據處理功能. 其前面板如圖4所示，是用戶與計算機交互的平臺，有輸入控件和輸出控件. 輸入控件包括數值輸入和按鈕等，輸出顯示控件包括波形圖、數值顯示等. 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、幅頻特性實驗值H1′、幅頻特性相對誤差δ1以及lgf/f01等參量由例程根據式(1)～(3)在程序后臺自動計算完成，由前面板顯示并繪制出幅頻特性曲線.

圖4 前面板

高通濾波器實驗的數據處理程序框圖如圖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進行運算和處理，然后反饋給輸出控件進行顯示. 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，使用數值控件和數組控件完成參量的輸入和計算結果輸出功能，使用公式節點和循環結構等結構子模塊完成公式的計算，使用圖形控件完成幅頻特性繪制等功能. 該例程展示了LabVIEW強大的運算功能，可以激發學生的研究興趣，并且為創新性設計實驗提供了編程范例.

圖5 高通濾波器實驗的數據處理程序框圖

4 創新性設計實驗的內容與要求

學生掌握基礎性實驗后可進行創新設計層次實驗. 創新實驗的教學模式以學生自主設計為主，教師輔導為輔. 要求參考高通濾波器幅頻特性實驗，自行設計一階低通濾波器(LPF)和帶通濾波器(BPF)幅頻特性和相頻特性的實驗方案，具體內容包括：

1)掌握LPF和BPF原理，繪制電路原理圖；

2)根據原理圖，使用實驗電路板搭建電路；

3)確定具體的NI ELVIS II系統的相關激勵和測量設備，與實驗電路板連接；

4)參照高通濾波器實驗例程和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據處理程序，并寫出例程的使用說明；

5)測量和計算各參量，并使用自編的LabVIEW例程完成實驗.

5 結束語

利用NI ELVIS II系統設計的分層次濾波器特性實驗已經在“智能儀器原理及設計”等課程實驗教學中應用. 通過基礎訓練實驗，學生掌握了高通濾波器工作特性，了解了NI ELVIS II系統以及LabVIEW軟件的功能；通過創新性設計實驗，學生掌握了低通濾波器和帶通濾波器特性，并在自主實踐中熟練使用NI ELVIS II系統，能應用LabVIEW軟件進行基本編程. 循序漸進的濾波器實驗設計，遵循了學生認識和學習知識的規律，激發了學生深入探究的興趣，取得滿意的教學效果，為學生在LabVIEW中控制NI ELVIS II系統，進一步進行虛擬儀器的研究與設計，打下堅實的基礎. 該實驗設計思想對于通信工程、單片機原理等其他應用性強的課程實驗設計也將具有啟迪作用.

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[責任編輯：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(華東)教學實驗技術改革項目(No.SY-B201407)；中國石油大學(華東)教學改革項目(No.YK201407)

鐘 鵬(1975-)，女，遼寧阜新人，中國石油大學(華東)理學院實驗師，碩士，從事檢測技術、自動控制等研究.

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

TP391.9；TN713

A

1005-4642(2017)07-0017-04