精品文檔-下載后可編輯LabVIEW在電子線路實驗教學(xué)中的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用摘要：針對目前電子線路實驗教學(xué)中存在的問題，結(jié)合實例介紹了LabVIEW和虛擬儀器技術(shù)在電子線路實驗教學(xué)中的特點和優(yōu)勢。利用LabVIEW構(gòu)建虛擬儀器和實驗，彌補了傳統(tǒng)實驗設(shè)備的不足，加大了實驗室現(xiàn)有資源的利用，達(dá)到了改善實驗條件、提高教學(xué)質(zhì)量的目的。同時，將虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合的教學(xué)方法使教學(xué)更生動，有利于促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

0引言

《電子線路》是高等院校電子類學(xué)生必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。由于該課程理論性和實踐性都很強(qiáng)，學(xué)生不易理解和掌握，實驗成為必不可少的一個教學(xué)環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)實驗教學(xué)需要大量的儀器設(shè)備，但由于設(shè)備功能單一，可以開設(shè)的實驗課程有限，學(xué)生進(jìn)行實際電路設(shè)計和儀器操作的機(jī)會少，動手能力難以提高。利用實驗室虛擬儀器工程平臺LabVIEW可以開發(fā)出形式多樣的與實際儀器功能類似的虛擬儀器，滿足學(xué)生不同層次的實驗需要，提高他們的電路設(shè)計與應(yīng)用能力；同時利用LabVIEW還可實現(xiàn)實驗室精密儀器的自動控制，減少誤操作帶來的設(shè)備損壞。本文結(jié)合LabVIEW開發(fā)軟件，利用實驗室現(xiàn)有的儀器設(shè)備，通過構(gòu)建實例說明LabVIEW在電子線路實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

1LabVIEW與虛擬儀器技術(shù)

1.1LabVIEW簡介

LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench，實驗室虛擬儀器工程平臺)是美國NI公司于1986年推出的虛擬儀器開發(fā)工具，它采用圖形化編程方法，為設(shè)計者提供了一個輕松、便捷的設(shè)計環(huán)境。利用LabVIEW，設(shè)計者可以輕松組建測量系統(tǒng)并構(gòu)造自己的儀器界面，無需進(jìn)行繁瑣的計算機(jī)代碼的編寫。

LabVIEW程序一般包括兩個主要部分：前面板和框圖程序。前面板用于設(shè)置各類參數(shù)、觀察輸出數(shù)據(jù)及波形，框圖程序是程序的圖形化源代碼。

LabVIEW軟件具有以下特點：

(1)直觀的圖形化編程環(huán)境。利用圖形控件開發(fā)系統(tǒng)的用戶界面，通過框圖模塊實現(xiàn)各種函數(shù)功能，提高了開發(fā)效率。

(2)靈活的接口功能。LabVIEW既可以和專用采集設(shè)備進(jìn)行通信，也可以和具有GPIB、PXI、RS-232、I等接口的儀器進(jìn)行通信，廣泛應(yīng)用于實驗測量、數(shù)據(jù)采集及處理等方面。

(3)豐富的實時支持庫。LabVIEW提供了大量可供用戶直接調(diào)用的函數(shù)庫，如數(shù)字信號處理函數(shù)庫、數(shù)值分析函數(shù)庫等，并提供了數(shù)據(jù)采集、分析、顯示及儀器控制等所需要的工具。

(4)強(qiáng)大的設(shè)備驅(qū)動和Internet功能。LabVIEW集成了上千種儀器和測量設(shè)備驅(qū)動，能夠快速配置和使用各種儀器設(shè)備；同時LabVIEW支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

1.2虛擬儀器技術(shù)

"虛擬儀器"概念的提出是對傳統(tǒng)儀器的重大突破，是計算機(jī)軟硬件、總線技術(shù)和測控技術(shù)、儀器儀表技術(shù)等密切結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器的是應(yīng)用軟件。利用LabVIEW直觀的圖形化開發(fā)環(huán)境和功能強(qiáng)大的庫函數(shù)，可以根據(jù)實際需要靈活地設(shè)計各種虛擬儀器。用戶通過修改軟件，可以方便地增加和調(diào)整虛擬儀器的功能。通過友好的圖形界面操作虛擬儀器，如同操作物理儀器一樣方便。在硬件設(shè)備的支持下，利用虛擬儀器還可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理等功能。

計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟為虛擬儀器的發(fā)展創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實驗中，為傳統(tǒng)的實驗教學(xué)注入了新的活力。采用虛擬儀器技術(shù)一方面使儀器操作界面更加友好，顯示形象生動，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面它使不具備完善實驗條件的院校能夠開設(shè)一些復(fù)雜實驗。此外，虛擬儀器不受實驗環(huán)境及設(shè)備精度的影響，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，既提高了實驗效率，又降低了實驗成本。利用網(wǎng)絡(luò)及多媒體技術(shù)，還可進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗教學(xué)，實現(xiàn)教學(xué)手段的現(xiàn)代化。

2LabVIEW在電子線路實驗教學(xué)中的應(yīng)用實例

基于LabVIEW及虛擬儀器的上述特點，下面結(jié)合實驗教學(xué)需要，通過典型實例介紹LabVIEW在電子線路實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1一階反相輸入低通濾波器實驗

集成運放是一種高性能的直接耦合放大電路，廣泛應(yīng)用于模擬信號的處理和發(fā)生電路。因其高性能、低價位，在大多數(shù)情況下已取代了分立元件放大電路。由集成運放構(gòu)成的各種電路是電子線路課程的重點講述內(nèi)容。如利用集成運放與RC低通電路可以組成有源濾波器。與無源濾波器相比，有源濾波器大大提高了通帶電壓放大倍數(shù)和帶負(fù)載能力。其中一階反相輸入低通濾波器是典型的有源濾波器。通過相關(guān)實驗，學(xué)生可以了解有源濾波電路的設(shè)計方法，掌握有源濾波器幅頻特性的測量方法。

在傳統(tǒng)實驗搭建實際電路過程中，由于連線較多，經(jīng)常出現(xiàn)因電路連接錯誤而燒壞集成塊的情況。實驗中為了測量不同低通濾波器的幅頻特性，需要經(jīng)常更換電阻和電容來改變電路參數(shù)，操作相對繁瑣，并且由于實驗環(huán)境存在電磁干擾，難以獲得理想的特性曲線。利用LabVIEW構(gòu)建的虛擬低通濾波器則可以很好地解決這些問題。虛擬低通濾波器由框圖程序生成，其前面板如圖1所示，圖2為對應(yīng)的框圖程序。通過前面板可以方便地調(diào)節(jié)電阻與電容等元件參數(shù)的大小，而低通濾波器的幅頻特性曲線則可以通過虛擬顯示器直觀地顯示出來。整個實驗過程無需連接任何電子元件或物理儀器，并且可以達(dá)到理想的實驗效果。

圖1一階反相輸入低通濾波器前面板。

圖2一階反相輸入低通濾波器框圖程序。

2.2幅度調(diào)制及解調(diào)實驗

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息的傳遞方式越來越顯示出其重要性，調(diào)制解調(diào)是信息傳輸中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方式的調(diào)制解調(diào)實驗一般需要兩臺信號發(fā)生器、一臺示波器，并需搭建復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)電路，實驗條件不具備的院校無法開設(shè)該項實驗課程，學(xué)生對信號調(diào)制與解調(diào)原理的認(rèn)識僅僅局限在理論上。

采用LabVIEW編寫調(diào)制解調(diào)實驗程序，其前面板如圖3所示，圖4為對應(yīng)的框圖程序。該實驗程序不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實驗的所有要求，而且形式更加靈活，無需拘泥于給定的實驗設(shè)備對參數(shù)調(diào)節(jié)的限制，如實驗室中的信號發(fā)生器只能產(chǎn)生幾個固定波形和頻率的信號，而在LabVIEW實驗程序中，可以根據(jù)需要對采樣點、采樣頻率、載波與調(diào)制信號的頻率及幅值任意設(shè)定。通過前面板可以直觀地觀察到信號調(diào)制的結(jié)果，還可通過對信號調(diào)制度、初始相位等的調(diào)整觀察其對調(diào)制信號波形的影響。

解調(diào)時可調(diào)節(jié)低通濾波器的截止頻率，解調(diào)信號的波形通過前面板可以直接顯示出來。

圖3調(diào)制解調(diào)前面板。

圖4調(diào)制解調(diào)框圖程序。

采用該程序進(jìn)行實驗教學(xué)，學(xué)生不僅能夠輕松地掌握調(diào)制解調(diào)的工作原理，而且能進(jìn)一步加深對采樣定理、調(diào)制失真等知識點的理解。在現(xiàn)有實驗程序基礎(chǔ)上，通過加入調(diào)制方式和解調(diào)濾波器等的選擇可以進(jìn)一步豐富實驗內(nèi)容。

2.3實驗室精密儀器Agilent4339B的自動控制

Agilent4339B是安捷倫的用于測量高阻的測量儀器，在實驗中常用于測量直流電阻、直流電流、表面電阻率以及體電阻率等。由于該儀器功能強(qiáng)大，操作相對復(fù)雜，在儀器使用過程中，可能出現(xiàn)操作不當(dāng)，造成接觸不良甚至儀器損壞等人為故障，從而降低儀器的精密程度，縮短其使用壽命。根據(jù)具體情況，采用LabVIEW編寫具有可視化界面的自動測試系統(tǒng)，降低了儀器的操作難度，既可防止精密儀器的意外損壞，又提高了儀器的使用效率，減輕了數(shù)據(jù)記錄的繁雜性。系統(tǒng)前面板如圖5所示，圖6為對應(yīng)的框圖程序。具體程控方法：由計算機(jī)發(fā)出指令，對HP4284A進(jìn)行初始化；根據(jù)所要測量的元件參數(shù)設(shè)定測量條件，如電壓、電流、延遲時間、測量次數(shù)等；然后進(jìn)行測量獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理后通過前面板顯示，將數(shù)據(jù)保存到指定文件中。

圖5Agilent4339B自動測試系統(tǒng)前面板。

圖6Agilent4339B自動測試系統(tǒng)框圖程序。

通過上述方法，可以有效簡化精密儀器的操作步驟，避免誤操作，起到保護(hù)儀器的作用。通過計算機(jī)程序控制儀器的測量過程，避免了人為操作帶來的測量誤差，保證測量的精度及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，具有很高的實用價值。