文氏電橋正弦波發生器綜合虛擬實驗項目設計

朱寧遠 茅靖峰 劉婉鈺 郭孟杰 周陳輝

摘 要 設計一種基于NI ELVIS的文氏電橋正弦波發生器綜合虛擬實驗項目。學生在完成電路原理設計的基礎上，采用NI ELVIS原型開發板建立正弦波發生器電路，再利用LabVIEW軟件設計正弦波形信號的計算機采集、處理和顯示，最后進行軟硬聯調，完成波形結果的分析驗證。該項目具有靈活開放的實驗接口，有利于實際動手操作能力和創新能力的提升。

關鍵詞 虛擬實驗;NI ELVIS;文氏電橋正弦波發生器;Lab-VIEW;Multisim

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）08-0112-05

Design of Integrated Virtual Experiment Project for Sinusoidal Generation of Wien Bridge//ZHU Ningyuan， MAO Jingfeng， LIU Wanyu， GUO Mengjie， ZHOU Chenhui

Abstract In this paper， the integrated virtual experiment project for

sinusoidal generation of Wien bridge based on NI ELVIS is designed.

Firstly， on the basis of the circuit principle design， the NI ELVIS prototype development board is used to establish a sine wave gene-rator analog circuit. Secondly， it uses LabVIEW development soft-ware to realize acquisition， processing and display of waveform measurement signals. Finally， the analysis and verification of the waveform results are performed. The project has a flexible and open

experimental interface. And it is beneficial to the students to improve

their practical ability and innovation ability.

Key words virtual experiment; NI ELVIS; sinusoidal generation of Wien bridge; LabVIEW; Multisim

1 引言

在電氣控制與測量領域，正弦波常作為參考信號或是載波信號而被廣泛使用。電類學生若不能掌握正弦波的產生原理，深入理解電路參數對調波形、幅值和頻率的調控作用，會限制學生在一些相關實驗中的操作靈活度，并對后續專業理論知識的學習帶來一定的困擾[1-2]。

NI ELVIS設計與原型開發平臺是NI公司將NI數據采集卡和圖形化開發環境LabVIEW結合而成的設計與原型開發平臺，集成了示波器、函數發生器、數字萬用表、阻抗分析儀等12種儀器。此外，該平臺采用高速USB即插即用連接方式，并且帶有多路可編程電源，使得用戶可以方便地在原型設計面板上搭建電路，并通過LabVIEW圖形化系統設計軟件，快速實現信號的測量采集和顯示，非常適合在儀器儀表開發以及實驗教學中應用[3-5]。

基于實驗教學現狀和需求，本文設計一套基于NI ELVIS

的文氏電橋正弦波發生器綜合虛擬實驗課程資源，通過NI ELVIS方便的電路搭建、高效的軟件平臺設計與開發，實現正弦波信號發生電路輸出從無到有、從正弦波到失真，同時在線實時波形檢測功能，為學生研究RC參數對振蕩頻率的影響提供有力工具，幫助學生理論聯系實踐，利于深刻理解，達到良好的教學效果。

2 綜合虛擬實驗項目設計

總體結構方案 設計的文氏電橋正弦波發生器虛擬實驗平臺由NI ELVIS儀器、NI ELVIS開發板、LabVIEW應用軟件、Multisim仿真軟件等部分組成，總體結構如圖1所示。

該實驗項目的學生訓練操作步驟包括：理論知識學習，掌握文氏電橋正弦波產生的基本原理，完成相關電路參數原理設計;利用Multisim軟件進行電路仿真，確保電路設計正確、運行正常;在NI ELVIS原型開發板上完成模擬電路搭建;設計LabVIEW相關程序實現電壓波形的測量、分析和存儲;將理論分析與實測結果進行對比，進一步提升對文氏電橋正弦波的掌握和理解。

文氏電橋正弦波發生電路設計 根據基本文氏振蕩器原理，本實驗項目采用的RC文氏電橋正弦波發生電路如圖2所示。圖2中，RC串并聯構成正反饋網絡且具有頻率選擇性，R1、R2、Rw以及二極管構成負反饋網絡，R1、R2為固定阻值電阻，調節可調電位器Rw的大小可改變負反饋的大小，決定放大增益，從而滿足振幅條件并起到減小波形失真的作用。

利用二極管伏安特性曲線的非線性使振蕩電路有穩定的輸出電壓。反向并聯二極管D1和D2的型號需相同，以確保輸出波形在其各自導通的半個周期內對稱。R2用于減小并聯二極管對負反饋回路造成的影響，改善波形失真。

LabVIEW波形測試軟件設計 作為虛擬實驗項目的一部分，為了實現對圖2所示文氏電橋正弦波發生器波形輸出的直觀測試，以進行理論與實際的比較驗證分析，依據圖1的總體方案，要求學生采用LabVIEW開發工具設計波形測量軟件，以采集和顯示NI ELVIS平臺傳輸給上位機的波形信號。

該軟件主要用到創建通道子程序DAQmx create channel.

vi、定時子程序DAQmx Timing.vi、配置記錄子程序DAQmx configure input buffer.vi、開始任務子程序DAQmx start

task.vi、讀取子程序DAQmx Read.vi、停止任務子程序DAQmx

Stop Task.vi、清除任務子程序DAQmx Clear Task.vi等共七個子程序。

1）子程序功能及接線端口。創建通道子程序用于通道的創建以及電壓的采集，包括任務輸入和任務輸出、物理通道的選擇、最大值、最小值、輸入接線端配置、錯誤輸入和錯誤輸出等接線端口。本程序創建了該子程序接線端配置、采集物理通道、最大值和最小值的輸入控件，將任務輸出端口連接到定時子程序的任務輸入端口。

定時子程序用來設置采樣時鐘的頻率和采樣時鐘源，并用于生成或采集采樣數量，包括采樣模式選擇、任務輸入和任務輸出、采樣數、采樣速率設置、每通道采樣等接線端口。本程序創建了采樣時鐘源和采樣率的輸入控件，右鍵點擊采樣模式接線端口將其設置為連續采樣模式，將任務輸出端口通過屬性節點連接到配置記錄子程序的任務輸入端口。本程序將默認采樣率設置為1 kHz。

配置記錄子程序用來配置任務的TDMS文件記錄，包括操作設置、文件路徑選擇、組名稱、記錄模式等接線端口，本程序將該子程序的任務輸出和端口連接到開始任務子程序的任務輸入端口，右鍵點擊操作端口，設置操作模式為“打開或創建”，創建文件路徑和記錄模式的輸入控件。

開始任務子程序用來讓任務開始運行，執行程序所設計的功能。任務輸出端口連接到讀取子程序的任務輸入端口。

讀取子程序用來讀取波形，包括數據流向、每通道采樣數等接線端口。本程序將該子程序的任務輸出端口連接到停止子程序的任務輸入端口，數據端口接波形圖，將讀取的電壓波形傳輸到波形圖上顯示。每通道采樣數與定時子程序的每通道采樣共用一個輸入控件。DAQmx讀取有多種模式可以選擇，本程序選用模擬1D波形N通道N采樣。

停止任務子程序用來停止任務。本程序將該子程序的任務輸出端口連接到清除任務子程序的任務輸入端口。

清除任務子程序來清除任務。其錯誤輸出端口接簡易錯誤處理器，以在錯誤發生時給出提示。

2）軟件流程設計。依次調用上述的七個子程序并完成接線和相關控件的創建，整個波形測量程序即可設計完成。其中將讀取子程序放在一個While循環里，這樣可以降低CPU的利用率。將各子程序的錯誤輸入和錯誤輸出按順序依次連接在一起，當程序中有子程序發生錯誤時，可將底層發生的錯誤信息原封不動地傳遞到頂層VI，利用錯誤輸入和錯誤輸出這兩個預定義簇來作為錯誤信息的載體。最終設計好的前面板和程序后面板如圖3和圖4所示。

前面板包含三個部分：采集物理通道的選擇以及采集電壓的設置，用來選擇采集物理通道以及設置最大電壓和最小電壓;采樣率和采樣數的設置;電壓波形顯示部分。

完成上述實驗項目的準備過程，學生就可以通過實際操作對理論知識進行驗證、鞏固和加深。

3 實驗操作與分析

Multisim虛擬仿真驗證 將設計完成的文氏電橋正弦波發生器原理電路在Multisim平臺上進行虛擬仿真驗證。令R1=R2=R=1 kΩ，C1=C2=C=1 μF;R3用于削弱二極管的影響，本電路取R3=1 kΩ;令R6=1 kΩ;為滿足起振值條件Af=1+（R3+R4+R5）/R6≥3，故取R5=1 kΩ，可調范圍為0～

1 kΩ的可變電阻R4，仿真電路及波形分別見圖5和圖6。

由圖6可見，運放芯片LF356N產生的波形電壓從0開始逐漸增大并最終穩定為幅值為7.175 mV的標準正弦波，表明本文的電路設計及參數選擇正確，可以搭建硬件電路實物，以開展進一步的特性分析實驗。

虛實結合實驗平臺搭建 圖7為采用NI ELVIS套件搭建的圖5所示仿真硬件實際電路，并與開發完成的LabVIEW測試軟件程序相連接，實現虛實結合的電路實驗平臺搭建。

圖7中，在NI ELVIS原型板上搭建好文氏電橋正弦波發生電路，芯片LF356N的3腳接RC串并聯網絡，2腳接由電阻構成的負反饋網絡以及用于穩幅的二極管，6腳接NI ELVIS原型板上AI0+接口，將芯片產生的電壓波形通過USB數據線傳入計算機;將NI ELVIS II+的USB端口與計算機的USB端口通過USB數據線相連，完成數據的采集以及計算機對儀器控制命令的傳輸;接通AC/DC電源給NI ELVIS II+工作臺供電，在計算機上打開LabVIEW電壓測量程序并運行，使其處于電壓測量工作狀態;配置NI ELVISmx

Instrument Launcher中的Variable Power Supplies，將其Voltage選項設置為±12 V直流電壓，這樣NI ELVIS模型板上SUPPLY+和SUPPLY-接口就可以提供±12 V直流電壓，將SUPPLY+與LF356N芯片4腳相連，SUPPLY-與LF356N

芯片7腳相連。

以上為虛實結合綜合實驗系統搭建步驟，搭建后，學生可進行實驗并對實驗結果進行分析。

實驗結果分析 為使學生對正弦波特性有更深刻直觀的理解，將理論知識和實際實驗結果進行比較和分析，現設計如下實驗要求：

1）觀察文氏電橋振蕩器的實現過程;

2）考察RC的取值與振蕩頻率間的關系;

3）分析二極管在穩幅中的作用。

1）負反饋強弱對起振條件及輸出波形的影響。調節NI ELVIS原型板上電位器R4分別至0 Ω、200 Ω、590 Ω和800 Ω，此時LabVIEW數據采集程序采集到芯片LF356N引腳6輸出的波形如圖8所示。

由圖8-a可得，芯片LF356N引腳6輸出波形電壓幅值為0，表明此時負反饋較弱，即Rw較小，Af<3，不滿足起振條件，故不能起振[4];圖8-b顯示，正弦波電壓幅值從0開始不斷增大，表明此時滿足起振條件Af=3，電路開始振蕩;圖8-c顯示，輸出的正弦波電壓幅值從0開始不斷增大，表明此時滿足起振條件Af=3，電路開始振蕩，形成穩定正弦波且沒有失真;圖8-d顯示，由于此時負反饋較強即Rw較大，在直流源電壓和運放的限制下，波形開始失真，且負反饋越強，失真越嚴重。

2）考察RC的取值與振蕩頻率間的關系。

①在R=1 kΩ，C=3.3 μF條件時，波形如圖9所示。由圖9可知，正弦波的周期T=22 ms，此時頻率f=1/T=

45.5 Hz，理論上正弦波的頻率f0=1/2πRC=48.2 Hz，實驗結果與理論分析相符合。

②在R=1 kΩ，C=10 μF條件時，波形如圖10所示。由圖10可知，正弦波的周期T=68 ms，此時頻率f=1/T=

14.7 Hz，理論上正弦波的頻率f0=1/2πRC=15.9 Hz，實驗結果與理論分析相符合。

③在R=620 Ω，C=3.3 μF時，波形如圖11所示。由圖11可知，正弦波的周期T=12 ms，此時頻率f=1/T=83 Hz，理論上正弦波的頻率f0=1/2πRC=77 Hz，實驗結果與理論分析相符合。

從以上實驗結果可以總結出，R或者C的增大，會導致f減小;相反，R或者C的減小，會導致f增大。這與振蕩頻率的計算公式f0=1/2πRC相符。

3）二極管穩幅作用分析。斷開二極管D1、D2，保持R=1 kΩ，C=3.3 μF，與上文條件相同，調節Rw大小，當Rw=520 Ω時，波形圖如圖12所示。

由圖12可知，當Rw=520 Ω時，程序采集到的正弦波波形開始出現失真，不能復現輸入波形。由圖8-d可知，有二極管時波形開始失真出現在Rw=800 Ω處。將上述兩者對比可得，二極管在電路中起穩幅的作用，可緩解輸出電壓失真。

4 結語

本文以提升測控電路課程實驗教學質量為背景，利用虛擬儀器在高校虛實結合實驗教學中的應用優勢，在NI ELVIS 平臺上進行實驗資源開發，設計基于NI ELVIS 的文氏電橋正弦波發生器綜合虛擬實驗項目。實踐證明，該項目具有理論聯系實際、驗證與分析結合的突出特點，通過理論設計、自行搭建硬件實際電路、開發虛擬測試軟件和波形驗證分析四個實驗步驟，幫助學生加深了對知識的理解，鍛煉了動手能力。同時，開放的實驗接口和環境，方便了學生根據自身興趣對實驗界面和功能進行擴展，從而激發創造性思維，獲得良好的教學效果。

參考文獻

[1]茅靖峰，申海群，顧菊平，等.LabVIEW FPGA實時仿真在現代電力電子技術實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2016，35（9）：108-113.

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[3]莫文琴，任迎.基于NI ELVIS的光纖位移傳感實驗平臺設計[J].實驗室研究與探索，2014，33（6）：103-106.

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[5]白潔，駱一萍，孔忻.基于NIELVIS的直流電機轉速測控實驗系統的開發[J].實驗室科學，2014，17（3）：41-44.

項目來源：江蘇高校品牌專業“電氣工程及其自動化”資助項目（PPZY2015B131）;江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目“基于虛擬儀器的通風機綜合性能參數集成測試系統”（201810304020Z）;南通大學教學改革研究項目“基于虛擬仿真與項目驅動的《測控電路》實驗教學研究”（2016B33）、“基于半實物虛擬仿真的電氣類實驗教學與工程創新能力培養研究”（2017B39）。

作者：朱寧遠、劉婉鈺、郭孟杰、周陳輝，南通大學電氣工程學院，研究方向為電氣工程及其自動化技術;茅靖峰，南通大學電氣工程學院，教授，研究方向為微電網及其控制技術（226019）。