基于虛擬儀器仿真RLC串聯電路諧振的實驗演示

劉梓祿　柳鈺琪

(華南師范大學物理與電信工程學院　廣東 廣州　510006)

在教育教學中，實驗是非常重要的環節．實驗教學始終是高校教學的一個重要組成部分，然而許多院校實驗室和實驗教學存在諸多不足：一是儀器設備更新太慢，儀器老化嚴重；二是儀器設備由于數量不夠，功能落后；三是缺乏維護儀器設備[1]．虛擬儀器技術作為未來儀器發展的一個重要方向，綜合運用了計算機技術、數字信號處理技術和軟件過程技術，克服了傳統儀器無法靈活配置的缺點，為大學物理實驗儀器建設提供了一條可行的途徑[2]．

本文擬討論一種利用虛擬儀器LabVIEW仿真RLC串聯電路諧振的仿真實驗，該方法相比其他方法具有數據誤差小、操作簡便、靈活快捷的優點，在本文中我們利用LabVIEW對RLC串聯電路的幅頻特性曲線測量進行了實驗演示.

1　理論介紹

1.1　RLC串聯電路諧振原理

諧振電路在無線電電子技術中獲得廣泛的應用，在大學普通物理實驗中RLC串聯電路諧振特性研究是學生必做的實驗[3]，圖1為電路原理圖.

圖1　RLC串聯電路

當電源輸出的正弦交流電壓的有效值保持不變時，電流的有效值I隨頻率變化的特性曲線，稱為RLC串聯電路的幅頻特性曲線.

2　實驗系統

2.1　系統前面板設計

圖2和圖3為系統的前面板，系統的前面板設計主要結合系統實現的功能要求來進行，在滿足實現系統功能要求的基礎上注重前面板界面的簡潔、美觀和操作方便[4]，主要由以下3部分組成：信號發生源，由NI 9263輸出，可調節其輸出波形、幅度、頻率等參數；信號采集，由NI 9205采集輸出[5，6]，在前面板上以李薩如圖和波形圖顯示，使得采集到的信號清晰明了；信號處理，獲取采集信號的基本參數．

圖2　仿真實驗系統前面板

圖3　仿真實驗系統前面版

2.2　系統程序設計

根據實驗原理中各相應量的理論關系以及系統實現的功能，系統的程序設計框圖如圖4所示.

圖4　仿真實驗系統程序框圖

3　結果與分析

在實驗測量中，選取C=0.1 μF，L=0.1 H，Rd=37 Ω，RL=13 Ω，其中Rd為電阻箱的阻值，RL為標準電感的電阻．根據計算的諧振頻率，選擇1 000 Hz到2 000 Hz的頻率范圍，從低到高調節信號源的頻率，每間隔50 Hz測量電阻兩端的電壓值，測得一系列不同頻率下的電壓值，如圖5所示.

由圖5可知，運用虛擬儀器，模擬RLC串聯電路的諧振特性曲線尖銳，通頻帶更窄，得出的數據誤差更小，快捷地實現了RLC串聯電路的幅頻特性曲線的測量．故采用虛擬儀器技術構建實驗儀器測試精度、穩定性和可靠性能夠得到充分保證．

圖5　RLC串聯電路的幅頻特性曲線

4　結束語

利用虛擬儀器工作平臺LabVIEW,演示RLC串聯電路諧振原理，并利用數據采集卡NI cDAQ-9217，用NI 9263進行模擬輸出，NI 9205進行模擬輸入，結合虛擬儀器技術進行RLC串聯電路的幅頻特性曲線測量，調試此測量制成一個RLC串聯電路的相關特性測量的小儀器．模擬RLC串聯電路的諧振特性比傳統儀器得出的數據誤差更小，操作簡便，可快捷地實現了RLC串聯電路的幅頻特性曲線的測量．

但基于虛擬儀器的仿真實驗更偏向于理想化，從而無法完全代替真實實驗，故以采集卡為支撐，基于虛擬儀器的仿真實驗，可用作課堂演示和學生實驗前的預演，使學生更容易掌握物理實驗知識，為實驗教學演示和預習提供了一種可借鑒的模式，也為實驗在教學中的實用性做出了有益的探索．