基于ＬａｂＶＩＥＷ的線性電子線路實驗系統(tǒng)

方　亮

[摘要]闡述一種基于LabVIEW的線性電子線路實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自行設(shè)計的電路硬件系統(tǒng)與虛擬測量系統(tǒng)相結(jié)合的模式,為線性電子線路實踐教學(xué)提供更為科學(xué)、更為有效的解決方案。

[關(guān)鍵詞]LabVIEW 虛擬儀器 Protel 線性電子線路

中圖分類號:TN4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0810016-01

一、引言

《線性電子線路》是一門實踐性較強(qiáng)的電子類技術(shù)基礎(chǔ)課。許多理論概念必須通過實踐才能獲得更清晰的了解,在實踐中積累豐富經(jīng)驗就能更主動的學(xué)習(xí)理論。因此,在學(xué)習(xí)該課程時必須高度重視實驗環(huán)節(jié),堅持理論聯(lián)系實際的原則。然而,長期以來,傳統(tǒng)的實驗教學(xué)系統(tǒng)通常由實驗箱及各種外接測量儀器構(gòu)成。繁雜的外部連線和眾多的測量儀器使得學(xué)生在實驗過程中需要耗費(fèi)大量的時間在儀器和電路的銜接上,卻忽視了對實驗理論的理解、驗證,對實驗結(jié)果的分析,并由此得出“實驗=連線+記錄”的錯誤認(rèn)識,從而導(dǎo)致學(xué)生對該實驗原有實驗?zāi)康牡谋畴x,嚴(yán)重影響了實驗的效果。為此,本文提出了基于LabVIEW的線性電子線路實驗系統(tǒng)的構(gòu)想,利用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù),利用“軟件即是儀器”的設(shè)計理念,結(jié)合我校實際,科學(xué)的構(gòu)建了一套方便易用的線性電子線路實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,開發(fā)學(xué)生的實踐動手能力,提高實驗效果,而且能極大的減輕實驗教師每一次實驗準(zhǔn)備的工作強(qiáng)度,提高工作效率。

二、系統(tǒng)設(shè)計

(一)系統(tǒng)的構(gòu)成與功能

該系統(tǒng)主要由實驗電路系統(tǒng)和虛擬測量系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中,實驗電路系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的基礎(chǔ),主要承擔(dān)被測對象與電路原理圖實物化的作用。通過該系統(tǒng),學(xué)生可以清楚的了解電路的組成與電子元件的實際應(yīng)用,加深對實驗原理和課本知識的理解,增強(qiáng)學(xué)生對實際電路的感性認(rèn)識和對電路功能實現(xiàn)的認(rèn)知。而虛擬測量系統(tǒng)則是本系統(tǒng)的精髓。通過虛擬測量系統(tǒng),學(xué)生能夠較好的完成對實驗電路的各種常用測量和記錄,使學(xué)生在明確該實驗?zāi)康牡幕A(chǔ)之上,實現(xiàn)對課本中理論知識的有效驗證和分析,從而增強(qiáng)學(xué)生對電路原理的理性認(rèn)知,以此達(dá)到并實現(xiàn)預(yù)期的實驗效果。

(二)實驗電路系統(tǒng)

根據(jù)我?！毒€性電子線路》課程實驗教學(xué)大綱的要求,由于該實驗課程是理工科專業(yè)的一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗,其目的是通過實驗使學(xué)生加深對電路基本概念、基本原理和分析方法的理解,熟悉各種電路與信號的關(guān)系,拓寬學(xué)生的知識領(lǐng)域,鍛煉學(xué)生的實踐技能,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的工作作風(fēng),獲得電工、電子技術(shù)的必要的基本技能,了解電工、電子技術(shù)的發(fā)展情況和應(yīng)用領(lǐng)域,為學(xué)習(xí)后續(xù)課程及從事有關(guān)工程技術(shù)工作和科研工作打下一定的基礎(chǔ),因此,該實驗電路系統(tǒng)在電路的選擇上嚴(yán)格依據(jù)實際教學(xué)的需要,對理論教材中的典型電路進(jìn)行有效取舍,并采用Protel軟件對電路進(jìn)行重新規(guī)劃、設(shè)計和制板,最終形成實驗教學(xué)所需要的實驗電路系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由晶體管共射極單管放大電路、晶體管兩級放大電路(如圖2所示)、射極跟隨電路、差動放大電路、負(fù)反饋放大電路和集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的各種模擬運(yùn)算及電壓比較電路等部分構(gòu)成。各電路模塊相互獨(dú)立,使學(xué)生能專一的、有針對性的完成對晶體管、放大器和集成運(yùn)算放大器等線性電子線路基礎(chǔ)知識的實踐學(xué)習(xí)。

(三)虛擬測量系統(tǒng)

虛擬測量系統(tǒng)是該線性電子線路實驗系統(tǒng)的重要組成部分。在以往的線性電子線路實驗課程中,為了讓學(xué)生能掌握某電路的相關(guān)概念和基本原理,通常使用由示波器、毫伏表和信號源等眾多設(shè)備組成的綜合測量系統(tǒng)對電路的節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行必要的測量與分析。在實際應(yīng)用當(dāng)中,傳統(tǒng)儀器在實驗測量中的作用非常突出,但實驗教學(xué)效果卻并不理想。眾多儀器的正確選擇與使用往往成為實驗教學(xué)的難點(diǎn),由于儀器使用不當(dāng)而造成的實驗數(shù)據(jù)偏差、實驗失敗和儀器損壞嚴(yán)重影響了學(xué)生對教學(xué)重點(diǎn)電路原理的理解與掌握。為了解決上述問題,在該線性電子線路實驗系統(tǒng)中引入了虛擬測量系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用美國NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計。LabVIEW(la

boratory virtual instrument engineering workbench)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,是美國NI(national

instrument company)公司推出的一種基于G語言(graphics language)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。由于LabVIEW具有直觀、編程簡單等特點(diǎn),且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,因此,利用LabVIEW并結(jié)合相關(guān)的硬件及線性電子線路實驗課程中常用傳統(tǒng)測量儀器的作用與特點(diǎn)來構(gòu)建易于使用、貼合實際的虛擬測量系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由虛擬函數(shù)信號發(fā)生器、虛擬雙蹤示波器、虛擬交流毫伏表等模塊構(gòu)成。其中,虛擬函數(shù)信號發(fā)生器作為信號源,是整個虛擬測量系統(tǒng)的關(guān)鍵,是獲取正確數(shù)據(jù)結(jié)果、驗證電路功能實現(xiàn)的前提與基礎(chǔ)。在設(shè)計中,利用了LabVIEW提供的“Basic Function Generator.vi”函數(shù),其函數(shù)功能示意圖如圖3所示。該函數(shù)有8個輸入端,分別代表信號類型(signal type)、頻率(frequency)、幅值(amplitude)、相位(phase)、采樣信息(sampling info)、占空比(square wave duty cycle)、復(fù)位(reset signal)及偏移量(offset)等參數(shù);2個輸出端,分別為信號輸出(signal out)與相位輸出(phase out)。通過調(diào)用此函數(shù)及相關(guān)的數(shù)值控件、布爾控件、圖形顯示控件和程序流程結(jié)構(gòu)等內(nèi)容,并配以相應(yīng)的DAQ數(shù)據(jù)采集卡,此虛擬函數(shù)信號發(fā)生器即可生成實際應(yīng)用中所需要的正弦波、三角波、方波和鋸齒波等常見典型波形供實驗電路系統(tǒng)使用。其虛擬函數(shù)信號發(fā)生器前面板示意圖如圖4所示。

三、結(jié)語

經(jīng)驗證,該線性電子線路實驗系統(tǒng)能夠以較為簡單、快捷的方式完成我校關(guān)于《線性電子線路》課程實驗教學(xué)大綱所要求的全部驗證性實驗及部分綜合性實驗。盡管在設(shè)計上還存在一定的缺陷與不足,但憑借其靈活的模塊設(shè)計、人性化的操作界面以及穩(wěn)定可靠的性能,在實際使用過程中,能較好的控制實驗時間,減少儀器損壞,降低實驗教師工作強(qiáng)度,促進(jìn)學(xué)生對專業(yè)知識的掌握,增強(qiáng)實驗效果。

參考文獻(xiàn):

[1]謝嘉奎、宣月清、馮軍,電子線路(線性部分)第四版,北京:高等教育出版社,1996.6.

[2]任姝婕、劉舒帆、陳軍,基于LabVIEW8.20的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器,電氣電子教學(xué)學(xué)報,2008.6.

[3]張躍勤、王新輝、李云龍,基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用,實驗技術(shù)與管理,2007.11.

作者簡介:

方亮(1981-),男,漢族,四川自貢人,工學(xué)學(xué)士,四川理工學(xué)院自動化與電子信息學(xué)院實驗中心,助理實驗師,主要研究方向:電路與系統(tǒng)。