基于LabVIEW的虛擬電路實驗的設計

摘要：文中應用LabVIEW設計了電路課程中常見的實驗模塊，每個模塊都給出了具體的程序設計方案，并最終成功進行了運行調試?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/虛擬儀器">虛擬儀器的引入，不但可以節(jié)約成本，而且更新和調整的實驗方法和手段使得實驗室的教學設備保持其先進性，提高了實驗教學和科研的質量與效率，是實驗教學的一個新的發(fā)展方向，促進了實驗室技術的進步。

傳統(tǒng)的實驗教學設備陳舊、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驗教學的發(fā)展和人才培養(yǎng)質量的提高，此外普通實驗室涉及儀器調試、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，擁有一臺虛擬儀器系統(tǒng)，就相當于擁有一個個人實驗室。電路課程是電類相關專業(yè)學生學習的一個重要環(huán)節(jié)，課程理論性較強，在計算機上建立虛擬實驗室，應用LabVIEW開發(fā)平臺設計的虛擬實驗儀器可以實現(xiàn)該課程中常見的實驗，包括支路電流法、一階動態(tài)電路分析、二階動態(tài)電路分析等模塊的設計，以此可提高學生學習興趣，彌補硬件環(huán)境下實驗教學的不足，改進電路課程實驗教學的教學質量，提高教學效果，可以擴展學生的實踐平臺，為電類基礎課程的實驗教學提供一種新的輔助手段，即以虛擬儀器為核心，實際操作與計算機模擬仿真相結合的實驗教學方式。

1 虛擬儀器程序設計平臺

虛擬儀器是日益發(fā)展的計算機硬件、軟件和總線技術在向其它技術領域密集滲透的過程中，與測試技術、儀器技術密切結合，共同孕育出的一項新成果，據(jù)《世界儀表與自動化》雜志報道，本世紀虛擬式儀器將成為電測儀器的發(fā)展方向。

LabVIEW是實驗室虛擬儀器工程平臺，其全稱為Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbeneh(實驗室虛擬儀器集成環(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，它是世界上第一個采用圖形化編程技術的面向儀器的32位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(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/連接器。

2 支路電流法實驗設計

2.1 前面板設計

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

2.2 程序框圖設計

對電路應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

使用單位轉換節(jié)點實現(xiàn)有單位數(shù)據(jù)和無單位數(shù)據(jù)之間的轉換，使用MathScript節(jié)點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。

運行程序，結果如圖1前面板所示。

3 一階動態(tài)電路設計

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

3.1 前面板的設計

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式：

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

運行結果如圖3所示，公式節(jié)點中變量為R2，改變R2值也可重新觀察程序運行結果。

4 二階動態(tài)電路設計

以RLC串聯(lián)電路的零輸入響應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時刻開關閉合，討論uC在不同電阻值時的零輸入相應，繪出波形圖加以比較。

4.1 前面板的設計

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

4.2 程序框圖

開關閉合后，寫出關于電容電壓uC的二階微分方程。

對二階微分方程式(5)進行拉普拉斯變換，并考慮初始條件，求解差分方程。

如果分母多項式有兩個不等的根p1和p2，可得

調用函數(shù)選板“數(shù)學-多項式”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數(shù)，根的重數(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)組是一個二維數(shù)組，再有兩個不等根時，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根對應的系數(shù)A1和A2;在有兩個重根時，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的程序框圖。

取不同R值，分別運行程序，可觀察到各種阻尼情況下的相應波形圖，如圖5所示。可看出，當R>4 Ω時為震蕩波形，當R4 Ω時為單調衰減波形，當R=4 Ω時為二者的臨界情況，與理論相符。

5 結束語

文中結合現(xiàn)有條件，采用虛擬儀器技術，實現(xiàn)了基于LabVIEW的電路實驗的設計，為高校實驗教學設備的不足提供的新的解決方案，使實驗教學手段更加先進，實驗結果更加直觀，并且隨著軟件的不斷更新，能使實驗系統(tǒng)的性能和功能更加完善，在將來的實驗室的發(fā)展中具有廣闊的應用前景。