原安娟，崔 敏，吳 龍，何 偉，歐陽(yáng)麗婷，劉立英，萬(wàn) 欣，張 兵

(北京工業(yè)大學(xué) 理學(xué)部，北京 100124)

虛擬儀器(VI：Virtual Instrument)技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，在數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需要，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器功能的技術(shù)，它可以完成測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算與處理、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、輸出等任務(wù)[1-3]。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用VI技術(shù)，可以用同一套硬件系統(tǒng)完成多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓展傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備在項(xiàng)目和數(shù)量上不足的問(wèn)題。我校的虛擬實(shí)驗(yàn)服務(wù)于物理專業(yè)學(xué)生，主要用來(lái)擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和完成實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等方面。RLC電路常用于放大、濾波等電路中，是我校工科和物理專業(yè)學(xué)生必修實(shí)驗(yàn)。

本文將虛擬儀器技術(shù)用于RLC電路的測(cè)量，研究RLC電路幅頻特性和諧振現(xiàn)象。

1 原理及所用儀器

1.1 RLC串聯(lián)電路原理圖

圖1為RLC串聯(lián)電路原理圖，回路中的電流為：

(1)

本實(shí)驗(yàn)中研究的幅頻特性方法與傳統(tǒng)方法相同，保持信號(hào)源輸出U不變，測(cè)試回路中電流I隨f的變化情況，頻率從1 400 Hz開(kāi)始，間隔100 Hz增加，直到3 400 Hz停止，諧振頻率附近縮小測(cè)量間隔。改進(jìn)之處在于用USB-6009采集卡替代電壓表對(duì)電阻上電壓進(jìn)行采集并通過(guò)LabVIEW軟件測(cè)量和記錄。然后改變阻值分別為500 Ω和1 000 Ω，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，記錄數(shù)據(jù)。做出I-f圖，探究其幅頻特性。

1.2 RLC并聯(lián)電路測(cè)量方法

圖2中電路中并聯(lián)RLC的阻抗為：

(2)

圖2 RLC并聯(lián)電路原理圖(某時(shí)刻)

實(shí)驗(yàn)時(shí)電路中I保持恒定，即R1上的電壓U1保持不變，而并聯(lián)部分的RLC電路的阻抗與頻率有關(guān)，其大小為ZP=U/I，故只要測(cè)出阻抗兩端的電壓U,就可以得到ZP，諧振時(shí)ZP為極大，U也為極大。頻率從1 400 Hz開(kāi)始，間隔100 Hz增加，直到3 400 Hz停止，諧振頻率附近縮小測(cè)量間隔。用USB-6009采集卡對(duì)電阻上電壓進(jìn)行采集并通過(guò)LabVIEW軟件測(cè)量和記錄。作U-f圖，探究其幅頻特性。

1.3 USB-6009采集卡[6]

如圖3、圖4所示，NI公司的USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡具有基本的數(shù)據(jù)采集功能,用導(dǎo)線把USB-6009的AI 1+和AI 1-兩個(gè)接口與電阻兩端相連，按說(shuō)明配置USB-6009采集卡并與計(jì)算機(jī)連接。

圖3 USB-6009采集卡外觀圖

圖4 USB-6009采集卡虛擬端子說(shuō)明

1.4 LabVIEW軟件[7-9]

USB-6009采集電阻兩端的電壓信號(hào)并傳輸給電腦，電腦通過(guò)labVIEW軟件處理、分析并顯示信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)連續(xù)采樣，用while循環(huán)。while循環(huán)有兩個(gè)固定的接線端?！把h(huán)計(jì)數(shù)”輸出接線端，它輸出當(dāng)前執(zhí)行次數(shù)?！把h(huán)條件”是一個(gè)布爾量輸入接線端，程序在每次循環(huán)結(jié)束時(shí)檢查條件接線端，當(dāng)布爾量為“真”時(shí)退出循環(huán)。

從USB-6009采集到的電壓信號(hào)傳入DAQ，通過(guò)設(shè)置DAQ的接收通道、采樣頻率、待讀采樣數(shù)和采樣方法、換算及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件夾等，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集并將采集到的信號(hào)輸出到下一元件——振幅和電平測(cè)量元件。振幅和電平測(cè)量元件進(jìn)行分析和處理接收來(lái)的信號(hào)，并以均方根的形式顯示在可視化面板上，此即電阻兩端的電壓有效值，如圖5。

圖5 LabVIEW軟件的可視化面板

2 測(cè) 試

2.1 串聯(lián)電路及幅頻曲線

電路連接如圖6所示，電阻上的電壓測(cè)量用USB-6009采集卡，測(cè)量數(shù)據(jù)和幅頻曲線如表1和圖7所示：

圖6 RLC串聯(lián)電路接線圖

表1 電阻不同時(shí)頻率和電流的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)

從圖7可以看出，不同電阻的諧振頻率均在2 250 Hz。理論諧振頻率2 250 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論值吻合較好。品質(zhì)因數(shù)分別為：

Q1=11.17Q2=2.62Q3=1.40.

圖7 R=100、500和1 000 ΩI-f曲線圖

此實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖寣W(xué)生對(duì)R和Q的關(guān)系有直觀的認(rèn)識(shí)：R值越小，Q值越大，帶寬越窄，峰越尖銳，選頻性也會(huì)越好。

2.2 RLC并聯(lián)電路數(shù)據(jù)及幅頻曲線

并聯(lián)電路的數(shù)據(jù)表格及電壓隨頻率變化的曲線如表2和圖8所示：

表2 R=5 000 Ω的頻率電壓關(guān)系表

圖8 R=5 000 Ω的U-f曲線圖

圖8中，電阻5 000 Ω時(shí)并聯(lián)電路諧振頻率為2 300 Hz，品質(zhì)因數(shù)Q=0.28，這說(shuō)明，R值大，Q值小，電路的選擇性不理想。

實(shí)際電路中，Q遠(yuǎn)大于1，即R很小，本實(shí)驗(yàn)只是為了給學(xué)生一個(gè)直觀的R大Q小無(wú)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的反面例子。使學(xué)生設(shè)計(jì)電路時(shí)，確定好設(shè)計(jì)目標(biāo)，以目標(biāo)為導(dǎo)向不至于走彎路。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)使用USB-6009采集卡采集電阻兩端的電壓并將采集到的電壓信號(hào)輸送到電腦里，通過(guò)軟件LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再作圖分析。通過(guò)搭建虛擬儀器的RLC電路特性測(cè)試平臺(tái)，將數(shù)據(jù)的精確度提高，測(cè)試時(shí)間減少，使學(xué)生能在有限的時(shí)間內(nèi)完成串聯(lián)和并聯(lián)電路的全部數(shù)據(jù)測(cè)試。從數(shù)據(jù)結(jié)果可得，R值越小，Q值越大，帶寬越窄，峰越尖銳，頻率選擇性也會(huì)越好。R很大時(shí)，無(wú)論是串聯(lián)還是并聯(lián)電路，Q值都很小，頻率的選擇性差，無(wú)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文將VI技術(shù)運(yùn)用于RLC電路實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)虛擬儀器技術(shù)提升了傳統(tǒng)儀器的功能，實(shí)現(xiàn)了電阻上電壓的實(shí)時(shí)采集和LabVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)的即時(shí)處理及直觀快捷的數(shù)據(jù)顯示。對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生用VI技術(shù)節(jié)約了采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率，學(xué)生有更多的時(shí)間和精力用于實(shí)驗(yàn)拓展和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)也拓寬了學(xué)生的思維模式和習(xí)慣，培養(yǎng)了學(xué)生多維度思考問(wèn)題的能力。