基于NI ELVIS平臺和數據采集技術的濾波器設計實驗教學方法研究與實踐

郭志恒，施惠元，劉玉玲

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順 110031）

1 問題的提出

隨著我國經濟高速發展，工程專業教育理念發生了重大變化，從注重學生理論知識掌握，轉為注重培養學生對現代工程概念的全面理解和動手實踐能力[1-2]。隨著互聯網技術、信息數字技術的快速發展，如何利用這些新技術助力工程專業實踐教育質量提升是一項重要課題[3-5]。

電路基礎課程是目前國內多數工科專業的必修課程，是自動化、測控技術、信息處理和通信類專業的基礎課程。課程通常會安排設計與綜合類實驗學習環節，提升學生的工程實踐知識和實操能力[6-7]。在實驗教學中，學生使用電子元器件搭建硬件電路時，需要一整套適用的儀器來實現測試數據的采集、記錄和分析，需要進行復雜的硬件電路設計和調試。由于傳統的實驗教學是采用多種分立儀器，通過線纜與實驗箱電路連接，學生大量精力用在儀器調試、線纜正確連接和實驗數據記錄上，實驗結果分析通常要在課后完成，而不能根據現場測試數據和波形準確調試電路參數和分析設計偏差，實驗效果得不到保證。如果運用虛擬儀器技術，以計算機為基礎構建集成化測試平臺，代替原來的常規儀器、儀表，利用與平臺集成的具有強大功能的測量采集和仿真分析軟件，則可有效地改善實驗教學效果[8-9]。

NI ELVIS實驗教學平臺由LabVIEW圖形化系統設計工具、USB M 系列數據采集卡和原型工作臺組成，集成了實驗室類似臺式儀器的功能，通過連接器顯示在ELVIS軟面板上，包括多用表、示波器、波形發生器、可變電源等。在原型面包板兩邊分列出ELVIS所有的信號終端，再通過電纜連接至 USB數據采集卡，采用NI ELVIS虛擬儀器實驗教學平臺，實現電路綜合實驗教學的創新改革。

RC濾波器具有電路簡單、抗干擾性強、低頻性能好等優點，是前述各專業都涉及的內容。本文以RC濾波器為例，介紹在智能儀器設計課程實踐教學中，通過設計性綜合實驗項目，使學生掌握 NI ELVIS實驗教學平臺數據采集與電路參數設計、測量方法，以及常規電路設計與調試技能。

2 RC濾波器綜合設計

2.1 實驗環境與項目設計

依托我校“國家級測控技術虛擬仿真教學中心”平臺，針對實踐教學課程開設的綜合實驗項目，采用ELVIS系統和LabVIEW、Multisim軟件工具開展教學，系統集電路設計調試、原型實驗測量、電路參數分析及電路調整于一體。

在Multisim環境中進行虛擬ELVIS原理圖搭建，并可利用一組與真實ELVIS完全一致的虛擬3D電子元器件接口進行連接，以得到正確的仿真結果。因為電路理論仿真可在虛擬的3D ELVIS環境下完成，因此由學生在課前自行完成，并做好仿真結果記錄，以便與原型電路進行對比分析。

2.2 RC濾波器設計相關理論

RC濾波電路是常用的基礎模擬電路。由于電路形式以及信號源及 R、C元件參數不同，可構成 RC電路的各種應用形式，包括微分電路、積分電路、耦合電路、濾波電路等[10-11]。這里以 RC濾波電路實驗項目設計為例，加以分析說明。

如圖1所示，圖1（a）為低通濾波電路，通過選擇適當的參數，使簡單的一階RC低通濾波器用來抑制輸入信號中高于截止頻率（Cutoff frequency）的頻率成分。其傳遞函數表示為式（1）、式（2）。圖1（b）為高通濾波電路，當信號頻率超過截止頻率時，頻率越高衰減越小，傳遞函數為式（3）、式（4）。高、低通濾波器截止頻率為式（5）。

圖1 一階RC濾波電路

式（1）—式（5）中，ω、R、C、φ分別為頻率、電阻、電容和相位角，ωc為濾波器截止頻率，K(jω)為濾波幅頻特性幅值，φ(ω)為濾波器相頻特性值。

3 濾波器原型設計及性能參數測試

在ELVIS原型面包板上進行連線，并在輸入端連接函數波形發生器，輸出端連接虛擬示波器。利用與ELVIS平臺硬件具有接口的圖形化開發軟件LabVIEW進行程序設計，主要實現濾波電路輸出電壓的采集、記錄和波形顯示。

3.1 濾波器原型電路設計

利用虛擬儀器ELVIS平臺實現濾波電路設計及電路參數測試及采集，設計流程圖如圖2所示。

圖2 濾波器實驗項目設計流程圖

綜合實驗采用 NI ELVIS系統平臺，在原型板上可以方便地完成濾波器電路設計和器件連接。ELVIS平臺集成 USB接口連接多功能數據采集設備,利用ELVIS提供的常用虛擬儀器，如可變電源、波形發生器、多用表和示波器等，可以非常方便地進行電路基礎參數測試和信號波形觀測。同時，集成16位高精度DAQ數據采集設備和軟件接口,相比采用分立儀器和測試電路構成的測試與采集系統，減少了連接線纜，有效地降低了外界環境的噪聲干擾和儀器測量誤差對電路設計、測試的影響。

這里以高通濾波器為例進行說明。高通濾波器原型板連線如圖3所示。

對高通濾波器進行數據采集時，首先要使用函數發生器產生10 Hz的方波，然后將所產生的信號FGEN引出，接入到原型板上搭建的一階RC高通濾波電路的輸入端（SUPPLY+），再把電阻兩端分別接入AI 0+與AI 0-，運行用LabVIEW搭建好的數據采集程序，然后在面板上顯示采集到的數據波形。

圖3 高通濾波器ELVIS硬件連線

在高通濾波器的輸出端連接虛擬示波器，觀測、對比輸入/輸出波形，通過調整電容或電阻值，改變截止頻率。觀測到的輸出波形如圖4所示。當截止頻率較高，即電路時常數τ（RC）較小，且遠小于輸入方波寬度時可觀察到濾波輸出信號對應輸入方波的上升沿和下降沿為正負脈沖，相應電路為微分電路。圖4(a)對應的截止頻率為400 Hz。

如果降低截止頻率，即電路時常數τ較大，且遠大于方波寬度時經過多個方波的充電與放電，達到穩定狀態后，信號中低頻可以通過，起到傳輸信號交流成分的功能，此時的電路為耦合電路。圖4(b)對應的截止頻率為15 Hz。

圖4 RC高通濾波器輸出波形

經過測試和調整，設計采用電阻阻值為1 kΩ、電容為1 μF所構成RC高通濾波器，由式（5）可知該濾波器的截止頻率f=1/(2πRC)=159.2 Hz。

3.2 原型電路數據采集程序設計

3.2.1 DAQmx數據采集程序基本架構

NI DAQmx是NI公司為采集設備應用開發而專門設計的高效應用程序的編程接口（API），在各種設備功能和設備系列中具有相同的函數形式，極大地簡化了采集應用程序的開發。其 LabVIEW 程序基本構架如圖5所示，主要由物理通道和采集信號、采集方式配置和數據讀取等組成[12]。

圖5 數據采集程序基本構架

3.2.2 DAQmx數據采集程序設計

所設計的 LabVIEW 程序主要用作對濾波電路的輸出電壓進行數據采集。首先需要創建配置任務的物理通道節點和定時節點，對物理通道節點屬性和定時節點屬性進行設置；數據采集由讀取節點完成，讀取節點連接一個波形圖表用來顯示采集電壓的波形。DAQmx開始任務節點的主要功能是開始測量或生成、增加用戶控制，并在需要時進行啟動。任務結束時，DAQmx在清除任務節點停止任務，釋放任務占用的資源（見圖6）。

3.3 幅頻特性測試

為了驗證濾波器理論設計結果，采用點頻法測試濾波器幅頻特性。選取一定數量的頻率點，改變信號源的頻率（輸入電壓保持恒定），在各頻率點處測量輸出電壓，通過編程存入 EXCEL模板文件中，測量數據見表 1。程序可根據測量數據，自動繪出幅頻特性曲線（見圖7）。

圖6 濾波電路輸出電壓采集程序

表1 高通濾波器幅頻特性幅值K的測量值理論值與誤差

圖7 RC高通濾波器幅頻特性

4 設計測試分析

通過對圖7 RC高通濾波器幅頻特性的測試和誤差計算，得到實測截止頻率為 172.9 Hz，與理論值159.2 Hz（見本文3.1）的誤差為8.6%，實測數據與仿真理論數據誤差在允許范圍之內。關于不同頻段對幅頻特性誤差的影響，當頻率小于截止頻率時（20～100 Hz），濾波器輸出信號小，外部噪聲干擾相對較強，幅頻特性誤差較大，平均為7.0%；當頻率為200～2000 Hz時，高通濾波器輸出信號強，實測幅頻特性平均誤差小于1.2%。

在濾波器綜合實驗中，學生通過設計、觀測和調整設計過程，鞏固和加深了對濾波電路的理論學習和掌握，提升了自身的動手實操能力，通過對理論仿真分析與電路實測結果的誤差對比，建立起對濾波電路工程應用的測量調試和綜合分析能力。