電子電路虛擬儀器實驗平臺的設計

陳福彬 姜 鈞 王久和

北京信息科技大學 北京 100101

電子電路實驗是電子信息類工程專業包括一些非電工專業(如計算機、機械等)的基礎實驗課，它關系到學生工程意識的建立、工作作風的養成、工程技術及基本技能的掌握。傳統的硬件電路實驗方法，可以培養學生動手能力，但存在著技術手段陳舊、學習效率不高等問題，并且限制了學生的主動性、探索性、創造性的發揮[1,2]。目前流行的、單純的電路仿真設計軟件，對學生的實踐訓練來說，有真實感不強的問題。因此實驗手段要不斷更新，應該做到：軟件的虛擬仿真與實際硬件電路的設計制作測試相結合。虛擬儀器改變了傳統的實驗方法，利用程控儀器、虛擬儀器和計算機技術進行電路特性的自動分析測試[3,4]，為學生提供了現代的電路分析與測試手段[5]。

隨著教學改革的深入，全國各高校對電子電路實驗課在教學體系與內容、教學方法方面進行不斷創新。電子電路虛擬儀器實驗并非要取代傳統儀器實驗，而是對傳統儀器實驗的“補充”和“增強”。旨在建立一種新型的實驗教學模式，提高學生的探索創新能力。

1 電子電路虛擬實驗的內容

電子電路虛擬儀器實驗包含的內容見表1。

表1　電子電路虛擬儀器實驗內容

2 電子電路虛擬實驗平臺的構成

電子電路虛擬實驗平臺[5]由計算機(帶有LabVIEW軟件平臺)、程控儀器、總線接口和電子電路四部分組成，如圖1所示。

圖1　實驗平臺的構成

虛擬實驗平臺基于計算機LabVIEW軟件平臺，完成電子電路參數自動化測試和測試結果的輸出。在整個實驗平臺中，程控儀器擔負著實際測量的任務，程控儀器的擴展性直接影響測試平臺的系統設計，主要包括數字示波器、波形發生器、數字萬用表和數字電源，采用的總線接口全部是USB接口。LabVIEW軟件提供了與常用普通儀器總線(如GPIB、串行總線和以太網)相連接的函數庫。

3 基于LabVIEW的測試軟件設計

LabVIEW[6]是美國NI公司推出的一種基于圖形化編程的軟件開發工具，是一個高效的數據采集、分析和儀器控制軟件開發平臺。LabVIEW可以方便地建立自己的虛擬儀器，成為測試、測量和控制設計的專用工具，因此現以LabVIEW為虛擬儀器開發平臺，設計虛擬儀器測試軟件。

程控波形發生器軟件設計LabVIEW程序圖如圖2所示，程序首先獲得VISA資源名稱，進行初始化，根據所需設定參數，例如輸出的通道、電壓幅度和頻率等。然后進行數據的輸出。

圖2　程控波形發生器程序圖

程控波形發生器前面板如圖3所示，通過設定相關參數產生波形。

圖3　程控波形發生器前面板

4 電子電路實驗應用實例

應用實例：二階電路的特性研究。該實驗主要研究二階動態電路響應的特點，分析二階動態電路參數變化與過渡過程類型的關系。針對該實驗我們強調實驗過程的研究性，對比真實電路信號與仿真信號，深入理解真實物理系統特性。

4.1 仿真信號實驗

圖4　二階電路

實驗二階電路如圖4所示，在Multisim中進行仿真欠阻尼狀態下，在Scope(XSC1)中使用T1，T2觀察波形如圖5所示，并保存數據為second order circuit.lvm。

圖5　Multisim中仿真波形

4.2 真實電路信號實驗

步驟一：通過程控波形發生器產生激勵信號方波1 KHz，Vpp=5 V，占空比50%，前面板輸入配置參數，運行程序輸出激勵信號。

步驟二：通過程控示波器獲取系統響應信號，前面板如圖6所示。

圖6　示波器獲取響應信號

4.3 數據分析

步驟一：波形特性提?。河益I選擇波形顯示控件(Waveform graph)→顯示項→游標→單點；通過標數據計算獲取波形特性數據，如圖7所示。

圖7　二階電路真實信號提取

步驟二：導入Multisim仿真波形，對比仿真信號與真實信號的響應特性。在LabVIEW程序框圖中，添加函數→文件I/O→讀取測量文件second order circuit.lvm，

獲取系統響應特性如圖8所示。

圖8　仿真信號提取

5 結語

隨著電子電路實驗教學手段的不斷發展和現代自動化測試的迫切需要，虛擬儀器實驗成為專業實驗室的重要教學模式。本文采用虛擬儀器技術，充分利用了已有的實驗室資源，設計開發了電子電路虛擬儀器實驗，不僅有助于提高電子電路系列課程的教學效果，加深學生對課程知識點的理解，更有助于學生學習主動性的提高和創新意識的培養。