呂井勇, 孫勝春, 董興泰
(海軍工程大學(xué) a. 電氣工程學(xué)院; b. 訓(xùn)練部, 湖北 武漢 430033)
隨著測(cè)試儀器的計(jì)算機(jī)化的發(fā)展,虛擬儀器逐漸取代傳統(tǒng)測(cè)試儀器[1]。以電類專業(yè)為例,其中一些實(shí)踐性較強(qiáng)的課程中,如“數(shù)字信號(hào)處理”、“電路原理”、“電子技術(shù)”等課程中運(yùn)用虛擬儀器技術(shù),以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)構(gòu)建集成化測(cè)試平臺(tái),代替常規(guī)儀器、儀表,利用其強(qiáng)大的分析功能和友好的用戶界面不但可以節(jié)省大量?jī)x器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入,也有助于學(xué)生從煩瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算中解放出來(lái),用更多的時(shí)間去思考。有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的開(kāi)設(shè)水平,降低購(gòu)置實(shí)驗(yàn)設(shè)施的成本;有效地改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件,改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[2]。
目前,包括我校在內(nèi)的國(guó)內(nèi)許多高等院校電類專業(yè)普遍開(kāi)設(shè)電路原理課程,它是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,該課程主要講授電物理量的測(cè)量和分析方法。由于電路原理課程豐富的實(shí)踐性,因此,它的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)就是工程中各種電物理量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的不僅在于對(duì)理論教學(xué)的驗(yàn)證,更重要的是培訓(xùn)學(xué)生實(shí)際的工程測(cè)試能力[3-4]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,利用ELVIS虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了電路原理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性,提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力,調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性[5]。
NI教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件(NI ELVIS)是動(dòng)手設(shè)計(jì)與原型設(shè)計(jì)平臺(tái)[6],它集成了最常用的12個(gè)儀器,包括示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、波特圖分析儀等,將它們集成在適合于硬件實(shí)驗(yàn)室中使用?;贜I LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行快速簡(jiǎn)單的測(cè)量采集與顯示。全新的USB即插即用連接性簡(jiǎn)化了試驗(yàn)設(shè)備的搭建和維護(hù),用戶現(xiàn)在可以使用個(gè)人電腦對(duì)應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試和原型設(shè)計(jì),并通過(guò)USBM系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。
計(jì)算機(jī)平臺(tái)上安裝有虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具LabVIEW,ELVIS加載了在LabVIEW中創(chuàng)建的SFP儀器以及儀器的源代碼,用戶可以通過(guò)修改LabVIEW代碼來(lái)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)能表、可編程控制的電源以及波特分析器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀與任意波形發(fā)生器。
原型實(shí)驗(yàn)面包板與工作臺(tái)相連接,在此上搭建模擬電路,允許設(shè)計(jì)過(guò)程中輸入/輸出信號(hào)的連接,同時(shí)原型面包板上給出了ELVIS所有的信號(hào)終端,它們分列在電路面包板兩旁,并通過(guò)電纜連接至電腦,將采集到的測(cè)量溫度、壓力、速度等不同類型的電信號(hào)送入計(jì)算機(jī)處理,或者輸出控制信號(hào)等。特別適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)、電路設(shè)計(jì)及儀器測(cè)試與控制。
串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)是電路中的典型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)量RLC串聯(lián)電路中電流(或電阻兩端輸出電壓)隨頻率變化來(lái)繪制幅頻特性曲線和測(cè)定電路品質(zhì)因數(shù)(Q值)[7]。在運(yùn)用ELVIS進(jìn)行串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)中,掌握利用ELVIS的軟面板儀器實(shí)現(xiàn)電路中電壓的測(cè)量,通過(guò)LabVIEW編程來(lái)進(jìn)行Q值的計(jì)算和繪制電路的幅頻特性曲線。
在RLC串聯(lián)電路中,當(dāng)輸入正弦交流信號(hào)源的頻率f改變時(shí),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(yīng),當(dāng)輸入電壓的有效值Ui維持不變時(shí),在不同頻率的信號(hào)激勵(lì)下,測(cè)出Uo值,然后以頻率f為橫坐標(biāo),以Uo/Ui為縱坐標(biāo)(因Ui不變,故也可直接以Uo為縱坐標(biāo)),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(duì)于諧振電路,定義品質(zhì)因數(shù)Q為回路的特性阻抗與回路電阻的比值,即
該參數(shù)標(biāo)志著諧振電路性能的好壞,對(duì)諧振電路的選擇特性有著重要意義[8]。
實(shí)驗(yàn)電路中:電阻R=1 kΩ,電感L=36 mH,電容C=1nF,掃頻信號(hào)由ELVIS的函數(shù)信號(hào)發(fā)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(jīng)過(guò)模擬輸入端ai0通道采樣得到[9],ELVIS內(nèi)置了16位的ADC,采樣頻率設(shè)為120 KHz。
ELVIS平臺(tái)的開(kāi)發(fā)軟件就是LabVIEW軟件。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言,常用于測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用[10-12]。它與C語(yǔ)言等基于文本的編程語(yǔ)言不同,LabVIEW使用數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì),特別適用于系統(tǒng)調(diào)試[13]。在LabVIEW中,可以使用一系列的工具和對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)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(shí)現(xiàn)前面板儀器功能圖標(biāo)的連接及函數(shù)功能。前面板設(shè)計(jì)如圖2所示,具有以下功能:① 實(shí)現(xiàn)采樣信號(hào)參數(shù)的設(shè)置,包括RLC參數(shù)、采樣通道、采樣頻率等的設(shè)置;② 顯示每個(gè)掃描頻率對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)幅值;③ 按時(shí)間顯示采集到的電壓信號(hào);④ 將采集到得電壓信號(hào)和對(duì)應(yīng)的掃描頻率描點(diǎn)畫(huà)出電路幅頻特性曲線。
程序設(shè)計(jì)框圖如圖3所示,主要包括兩部分功能:① 根據(jù)電路參數(shù),計(jì)算電路諧振頻率和品質(zhì)因數(shù);② 根據(jù)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(shù)組,逐點(diǎn)連線畫(huà)出電路的幅頻特性曲線。
圖2 前面板設(shè)計(jì)
圖3 程序設(shè)計(jì)框圖
從上述串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以看出,在ELVIS平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)比用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)更具優(yōu)越性:ELVIS平臺(tái)集成了許多功能性儀器,如電源、波形發(fā)生器、萬(wàn)用表等,做實(shí)驗(yàn)時(shí)只需在面包板上搭建電路,利用ELVIS平臺(tái)自帶儀器和儀表完成實(shí)驗(yàn);ELVIS平臺(tái)附加功能強(qiáng)大,用戶界面豐富,可以通過(guò)其開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理,如上面Q值的計(jì)算和諧振曲線的繪制。所以在ELVIS平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn),能使學(xué)生們對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程相當(dāng)了解,而且可以根據(jù)學(xué)生的興趣及創(chuàng)造性添加更多新的功能,只需簡(jiǎn)單修改程序,把所學(xué)的知識(shí)靈活應(yīng)用。由此可見(jiàn),基于ELVIS平臺(tái)的強(qiáng)大功能必將會(huì)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[14-15]。
ELVIS平臺(tái)可以幫助學(xué)生在其他課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中,將理論知識(shí)付諸于實(shí)踐,如電子電路、信號(hào)處理、通信、控制系統(tǒng)、機(jī)械測(cè)量與機(jī)械電子等。ELVIS平臺(tái)可以完成絕大多數(shù)弱電方面的實(shí)驗(yàn),在強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)的弱電方面也能起到一定的作用。
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