虚拟仪器在电路实验教学中的应用_2018有虚拟仪器大赛么
时间：2019-01-25 03:44:44 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要:将虚拟仪器技术应用于电路实验室,具有可以减少实验设备经费的投入、充分利用迅速发展的计算机技术、满足教育教学的要求等优势。本文利用凌华数据采集卡PCI-9118DG和LabVIEW软件研究了虚拟仪器在RC电路分析及叠加定理验证中的应用。说明了虚拟仪器技术在电路实验教学中应用的可行性,且其测量比传统仪器测量更方便、快捷、准确。
关键词:LabVIEW;虚拟仪器;RC动态电路充放电分析;叠加定理
随着计算机技术的飞速发展,仪器的发展经历了从智能仪器到虚拟仪器的发展。虚拟仪器是计算机技术和测量技术完美结合的产物。虚拟仪器主要由两大部分构成:硬件平台和软件平台。硬件平台就是通用的计算机和I/O接口设备;软件平台主要由操作系统、仪器驱动、测试应用软件构成。虚拟仪器的“虚拟”主要有两层含义:虚拟仪器的面板是虚拟的(其在计算机的显示屏上显示);虚拟仪器的功能主要由软件实现。对传统仪器在电路中的分析而言,实验中一般需要信号源、数字示波器、数字万用表、频率计、频谱分析仪、失真度仪等多台设备。其中前3种仪器最常使用。
传统的电路实验需配置的仪器数量多、总价高,但功能上并不能完全满足实验要求。如传统的仪器只能测量和显示有关参数数据,缺乏数据分析、存储的能力,也不能对不同参数、不同时间的多条波形曲线进行对比和分析。
一、电路实验室虚拟仪器系统的构建
根据I/O接口设备的不同,虚拟仪器的构成方式主要分为6种类型(如图1所示)。其中PC-DAQ系统是最经济的虚拟仪器系统,其包括两种总线的仪器:USB仪器、PCI总线仪器。USB仪器由于其即插即用的特点,方便用户的携带,加上其技术的不断发展,采样速度逐渐提高,使其越来越受到用户的青睐。但由于其总线标准原因,其在性能上与PCI仪器还是有一定的差异。
图1 虚拟仪器的构成方式
本文中虚拟仪器的硬件平台为一块凌华的数据采集卡PCI-9118DG和I/O接线端子、1台台式计算机和电路实验板构成。PCI-9118DG是一块多功能数据采集卡,其具有32路的单边模拟输入和2路模拟输出以及8路的数字I/O。在电路的实验中主要使用了其模拟输入和模拟输出功能。软件平台为NI公司的图形化开发平台LabVIEW。
二、电路实验中常使用传统仪器的虚拟实现
实验室常用的仪器有信号源、数字示波器、万用表。信号源主要用来提供一些激励信号,本文利用PCI-9118DG卡的2路模拟输出功能设计的信号源前面板如图2所示。该信号源可以产生正弦波、锯齿波和三角波等波形,可以设置波形的幅值、相位、频率。
图2 信号源前面板
数字万用表可以用来测试电阻、电压、电流等参数,本文利用PCI-9118DG卡设计的电压表如图3所示,该电压表可以测试多种波形的电压,可以显示电压信号的波形和电压的峰峰值、有效值以及均值。
图3 电压表
示波器用来测试信号的波形,从波形图读取信号的峰峰值、幅值以及频率。本文利用PCI-9118DG卡设计的示波器前面板如图4所示。该示波器可以观察信号波形,进行2路波形的运算,可以测量各路信号的频率、峰峰值、有效值,并在显示窗口显示。
图4 数字示波器
三、RC充放电实验的实现
RC充放电实验电路及其与PCI9118DG数据采集卡的连接如图5所示。
图5 RC充放电实验电路连接图
RC串联电路的电源是数据采集卡的模拟输出0通道(即图中的AØØ)通过软件产生一个可以调整幅值的正弦波。当幅值由小变大时,电容充电;当幅值由大变小时,电容放电。数据采集卡模拟输入通道0和通道1分别测试RC串联电路的正弦交流电压和电容上的正弦交流电压。通过0通道和1通道的电压波形数据分析可计算出电容值、功率、相位,可以通过波形图观察充放电的动态过程。具体分析如下:
假设A10测得的波形数据为:
A11测得的波形数据为:
则:电阻R上的电压有效值为U=
流过电阻R的电流值为I=U/R
电容C的容抗为
由此可以计算出电路中电容C的容值、电路充放电过程中电压/电流的变化过程以及电路中的有效功率/无功功率/视在功率等。RC充放电实验的前面板如图6所示。
图6 RC充放电电路实验前面板
四、叠加定理实验的实现
叠加定理的实验电路及其与PCI9118DG数据采集卡的接线端子接线如图7所示:
图7 叠加定理实验接线图
叠加定理验证试验:在两个串联电阻上加一直流或交流电压,该电压由PCI9118DG数据采集卡的模拟输出通道通过软件控制产生,再由PCI9118DG数据采集卡的模拟输入通道0和1分别测得两个电阻上的电压,根据测得的数据利用软件计算比较,验证两个串联电阻上的电压之和为加在串联电阻之上的电压。
叠加定理验证实验的虚拟仪器软面板如图8所示:
图8 叠加定理验证实验的虚拟仪器软面板
五、结束语
虚拟仪器就是在充分利用计算机资源的基础上,添加一定的仪器硬件和应用软件构成。在一定硬件基础上,稍微修改一下软件就可以实现不同的功能。所以有软件就是仪器的说法,由于软件的灵活性和可移植性等特点,从而使得虚拟仪器具有设计灵活、在一定硬件上可以开发多个虚拟仪器的特点。虚拟仪器的特点使其在高校电子实验室的实验教学中发挥着越来越重要的作用,读者通过本文可以看到虚拟仪器技术在高校实验室的实验教学中应用的可行性。
Application of virtual instrument in the circuit experiment teaching
Cui Xiuhua
Nanjing college of information technology, Nanjing, 210046, China
Abstract: Virtual instrument technology applied in circuit lab has the advantage of reducing invest on experimental equipment, making full use of the rapid development of computer technology, and satisfied the requirement of education. Analysis of RC circuit and verification on superposition theorem with Linhua data acquisition card PCI-9118DG and LabVIEW software is studied in this paper. Feasibility of application of virtual instrument in the circuit experiment teaching is illustrated, and it is convenient and precise than the traditional measurement.
Key words: LabVIEW; virtual instrument; RC dynamic circuit; superposition theorem
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