基于LabVIEW的虛擬電路實(shí)驗的設計

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

傳統的實(shí)驗教學(xué)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(shí)驗教學(xué)的發(fā)展和人才培養質(zhì)量的提高，此外普通實(shí)驗室涉及儀器調試、管理、易損壞等問(wèn)題。LabVIEW編程語(yǔ)言靈活、開(kāi)放、用軟件代替了儀器功能，具有良好的用戶(hù)界面、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，擁有一臺虛擬儀器系統，就相當于擁有一個(gè)個(gè)人實(shí)驗室。電路課程是電類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習的一個(gè)重要環(huán)節，課程理論性較強，在計算機上建立虛擬實(shí)驗室，應用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺設計的虛擬實(shí)驗儀器可以實(shí)現該課程中常見(jiàn)的實(shí)驗，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計，以此可提高學(xué)生學(xué)習興趣，彌補硬件環(huán)境下實(shí)驗教學(xué)的不足，改進(jìn)電路課程實(shí)驗教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效果，可以擴展學(xué)生的實(shí)踐平臺，為電類(lèi)基礎課程的實(shí)驗教學(xué)提供一種新的輔助手段，即以虛擬儀器為核心，實(shí)際操作與計算機模擬仿真相結合的實(shí)驗教學(xué)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(xiàn)技術(shù)在向其它技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過(guò)程中，與測試技術(shù)、儀器技術(shù)密切結合，共同孕育出的一項新成果，據《世界儀表與自動(dòng)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(shí)驗室虛擬儀器工程平臺，其全稱(chēng)為L(cháng)aboratory Virtual Instrument Engineering Workbeneh(實(shí)驗室虛擬儀器集成環(huán)境)，是美國NI公司開(kāi)發(fā)的基于G語(yǔ)言(Graphies Language)的虛擬儀器開(kāi)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(kāi)發(fā)系統，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開(kāi)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(shí)驗設計

2.1 前面板設計

通過(guò)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)電源元件都是數值型的輸入控件，數值均可調;5個(gè)數值型顯示控件，用來(lái)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(xiě)方程組后再整理成矩陣形式的線(xiàn)性方程組，即

使用單位轉換節點(diǎn)實(shí)現有單位數據和無(wú)單位數據之間的轉換，使用MathScript節點(diǎn)生成線(xiàn)性方程組的系數矩陣和已知向量，利用求解線(xiàn)性方程VI即Solve Linear Equations.vi求解。

根據矩陣方程組編寫(xiě)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(dòng)態(tài)電路設計

動(dòng)態(tài)電路換路時(shí)從電路的一個(gè)穩態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩態(tài)時(shí)出現了動(dòng)態(tài)電路的過(guò)渡過(guò)程，動(dòng)態(tài)電路分析的目的就是分析過(guò)渡過(guò)程的電路運行規律。使用LabVIEW對電路的動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真，可以顯示參數的變化曲線(xiàn)，有助于加深對過(guò)渡過(guò)程規律的理解。

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

根據三要素法寫(xiě)出各電流的表達式：

根據上式，使用公式節點(diǎn)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，公式節點(diǎn)中變量為R2，改變R2值也可重新觀(guān)察程序運行結果。

4 二階動(dòng)態(tài)電路設計

以RLC串聯(lián)電路的零輸入響應為例來(lái)討論二階電路的暫態(tài)過(guò)程。

已知L=0.4 H，C=0.1 F，uC(0-)=1 V，iL(0-)=0，t=0時(shí)刻開(kāi)關(guān)閉合，討論uC在不同電阻值時(shí)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(dòng)態(tài)電路的前面板如圖5所示。

4.2 程序框圖

開(kāi)關(guān)閉合后，寫(xiě)出關(guān)于電容電壓uC的二階微分方程。

對二階微分方程式(5)進(jìn)行拉普拉斯變換，并考慮初始條件，求解差分方程。

如果分母多項式有兩個(gè)不等的根p1和p2，可得

調用函數選板“數學(xué)-多項式”中的部分分式展開(kāi)式VI即PaaiM Fraction Expansion.vi，可以求解根P和系數A。

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

根據式(7)、(9)編寫(xiě)不等根和二重根時(shí)的程序框圖。

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

5 結束語(yǔ)

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