基于LabVIEW的虛擬電路實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

摘要：文中應(yīng)用LabVIEW設(shè)計(jì)了電路課程中常見的實(shí)驗(yàn)模塊，每個(gè)模塊都給出了具體的程序設(shè)計(jì)方案，并最終成功進(jìn)行了運(yùn)行調(diào)試。基于虛擬儀器的引入，不但可以節(jié)約成本，而且更新和調(diào)整的實(shí)驗(yàn)方法和手段使得實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)設(shè)備保持其先進(jìn)性，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的質(zhì)量與效率，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的進(jìn)步。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備陳舊、落后，已經(jīng)跟不上教育發(fā)展的需要，在很大程度上制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高，此外普通實(shí)驗(yàn)室涉及儀器調(diào)試、管理、易損壞等問題。LabVIEW編程語言靈活、開放、用軟件代替了儀器功能，具有良好的用戶界面、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，擁有一臺(tái)虛擬儀器系統(tǒng)，就相當(dāng)于擁有一個(gè)個(gè)人實(shí)驗(yàn)室。電路課程是電類相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，課程理論性較強(qiáng)，在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器可以實(shí)現(xiàn)該課程中常見的實(shí)驗(yàn)，包括支路電流法、一階動(dòng)態(tài)電路分析、二階動(dòng)態(tài)電路分析等模塊的設(shè)計(jì)，以此可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，彌補(bǔ)硬件環(huán)境下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，改進(jìn)電路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效果，可以擴(kuò)展學(xué)生的實(shí)踐平臺(tái)，為電類基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一種新的輔助手段，即以虛擬儀器為核心，實(shí)際操作與計(jì)算機(jī)模擬仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。

1 虛擬儀器程序設(shè)計(jì)平臺(tái)

虛擬儀器是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件、軟件和總線技術(shù)在向其它技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過程中，與測(cè)試技術(shù)、儀器技術(shù)密切結(jié)合，共同孕育出的一項(xiàng)新成果，據(jù)《世界儀表與自動(dòng)化》雜志報(bào)道，本世紀(jì)虛擬式儀器將成為電測(cè)儀器的發(fā)展方向。

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，其全稱為Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbeneh(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)，是美國NI公司開發(fā)的基于G語言(Graphies Language)的虛擬儀器開發(fā)工具，它是世界上第一個(gè)采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。

LabVIEW創(chuàng)建虛擬儀器的核心是VI，包括程序前面板(Front Panel)、框圖程序(Diagram)和圖標(biāo)/連接器。

2 支路電流法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 前面板設(shè)計(jì)

通過自定義控件，建立該電路的前面板，如圖1所示。其中5個(gè)電阻和3個(gè)電源元件都是數(shù)值型的輸入控件，數(shù)值均可調(diào);5個(gè)數(shù)值型顯示控件，用來表示5條支路電流。

2.2 程序框圖設(shè)計(jì)

對(duì)電路應(yīng)用基爾霍夫定律列寫方程組后再整理成矩陣形式的線性方程組，即

使用單位轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有單位數(shù)據(jù)和無單位數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，使用MathScript節(jié)點(diǎn)生成線性方程組的系數(shù)矩陣和已知向量，利用求解線性方程VI即Solve Linear Equations.vi求解。

根據(jù)矩陣方程組編寫支路電流法分析電路的程序框圖如圖2所示。

運(yùn)行程序，結(jié)果如圖1前面板所示。

3 一階動(dòng)態(tài)電路設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)電路換路時(shí)從電路的一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)時(shí)出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)電路的過渡過程，動(dòng)態(tài)電路分析的目的就是分析過渡過程的電路運(yùn)行規(guī)律。使用LabVIEW對(duì)電路的動(dòng)態(tài)過程仿真，可以顯示參數(shù)的變化曲線，有助于加深對(duì)過渡過程規(guī)律的理解。

3.1 前面板的設(shè)計(jì)

搭建電路圖，電流IL、I1和I2用XY圖顯示，前面板如圖3所示。

3.2 程序框圖

根據(jù)三要素法寫出各電流的表達(dá)式：

根據(jù)上式，使用公式節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算IL、I1和I2，程序框圖如圖4所示。

運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，公式節(jié)點(diǎn)中變量為R2，改變R2值也可重新觀察程序運(yùn)行結(jié)果。

4 二階動(dòng)態(tài)電路設(shè)計(jì)

以RLC串聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)為例來討論二階電路的暫態(tài)過程。

已知L=0.4 H，C=0.1 F，uC(0-)=1 V，iL(0-)=0，t=0時(shí)刻開關(guān)閉合，討論uC在不同電阻值時(shí)的零輸入相應(yīng)，繪出波形圖加以比較。

4.1 前面板的設(shè)計(jì)

創(chuàng)建電路圖，結(jié)果送至波形圖顯示。RLC二階動(dòng)態(tài)電路的前面板如圖5所示。

4.2 程序框圖

開關(guān)閉合后，寫出關(guān)于電容電壓uC的二階微分方程。

對(duì)二階微分方程式(5)進(jìn)行拉普拉斯變換，并考慮初始條件，求解差分方程。

如果分母多項(xiàng)式有兩個(gè)不等的根p1和p2，可得

調(diào)用函數(shù)選板“數(shù)學(xué)-多項(xiàng)式”中的部分分式展開式VI即PaaiM Fraction Expansion.vi，可以求解根P和系數(shù)A。

程序編寫首先需要先判斷根的重?cái)?shù)，根的重?cái)?shù)可以從部分分式展開式VI的輸出參數(shù)中得到，“殘數(shù)”數(shù)組是一個(gè)二維數(shù)組，再有兩個(gè)不等根時(shí)，得到的系數(shù)數(shù)組是兩行一列的數(shù)組，第一行和第二行的元素分別是兩個(gè)根對(duì)應(yīng)的系數(shù)A1和A2;在有兩個(gè)重根時(shí)，得到的系數(shù)數(shù)組是一行兩列的數(shù)組，第一列和第二列的元素分別是該根的一階和二階系數(shù)A1和A2。

根據(jù)式(7)、(9)編寫不等根和二重根時(shí)的程序框圖。

取不同R值，分別運(yùn)行程序，可觀察到各種阻尼情況下的相應(yīng)波形圖，如圖5所示?？煽闯?，當(dāng)R>4 Ω時(shí)為震蕩波形，當(dāng)R4 Ω時(shí)為單調(diào)衰減波形，當(dāng)R=4 Ω時(shí)為二者的臨界情況，與理論相符。

5 結(jié)束語

文中結(jié)合現(xiàn)有條件，采用虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的電路實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的不足提供的新的解決方案，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段更加先進(jìn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀，并且隨著軟件的不斷更新，能使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能和功能更加完善，在將來的實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。