一種基于LabVIEW的電工電子學實驗系統設計

趙江萍

1.浙江大學電氣工程學院 浙江杭州 310058

2.浙江大學電工電子國家級實驗教學示范中心 浙江杭州 310058

在“新工科建設”背景下，電工電子學實驗作為工科學生實驗課程的重要組成部分，課程的優化和改進變得尤為重要[1-4]。通過電工電子學實驗，學生不僅可以對電學理論知識加以驗證，而且能夠進行應用電路的研究和開發[5]。然而，傳統的電工電子學實驗更多關注學生對儀器設備的使用，使得一些實驗中存在大量簡單重復的測量工作[6-8]。例如，三極管輸出特性測量實驗就需要耗費2～3個學時，使得學生在實驗課程中忙著操作儀器和記錄實驗數據，很少去關注實驗原理和實驗方法。如何減少實驗中的簡單重復操作，讓實驗效果最大化，是亟須思考和解決的問題。

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制的程序開發環境，對于測量和控制系統具有較高的開發效率[9,10]。為此，本文以可編程線性直流電源、數字萬用表、函數信號發生器和數字示波器等4臺儀器作為被控對象，基于LabVIEW軟件開發儀器控制程序，構建電工電子學實驗系統，以解決傳統實驗中存在的大量簡單重復操作，提高實驗效率和質量。

1 設計方案

1.1 設計思路

電工電子學實驗既需要學生掌握電學實驗知識，又需要鍛煉學生動手操作能力[11,12]。該實驗系統的設計以此為出發點，將實驗過程中的儀器設置和數據讀取進行自動化處理，實驗電路的搭建以及儀器設備非控制線路的連線依舊由學生完成。

1.2 系統結構

電工電子學實驗系統由硬件和軟件兩部分構成。硬件部分由計算機、路由器、可編程線性直流電源、數字萬用表、函數信號發生器、數字示波器和實驗箱等構成，本次設計所選用的儀器為北京普源精電科技有限公司(RIGOL)的產品，其中可編程線性直流電源型號為DP832A、數字萬用表型號為DM3058、函數信號發生器型號為DG4202、數字示波器型號為MSO4034，這些儀器均帶有LAN控制接口。

計算機和儀器采用星型方式進行連接，如圖1所示。星型連接以路由器為中心，將計算機和儀器通過網絡雙絞線與路由器LAN口相連。儀器連接完成后，需要對儀器的IP地址進行調整，使其和計算機的IP處于同一局域網，保證計算機和儀器之間的數據鏈路通暢。儀器的IP既可以設定為固定IP，也可以動態獲取IP。儀器和實驗箱之間，則根據具體實驗進行相關測試線纜連接。

圖1 硬件結構示意圖

實驗系統的軟件部分由LabVIEW編程實現，主要實現儀器控制、數據讀取和數據處理等功能。軟件采用模塊化的編程思路進行設計，如圖2所示。在軟件中，首先對儀器的不同操作進行模塊化處理，然后每臺儀器調用其功能控制模塊實現儀器控制。在具體實驗中，根據實驗內容調用相應的儀器模塊完成實驗。程序的模塊化設計，不僅有利于儀器的互換，而且有利于實驗的擴展。

圖2 軟件結構示意圖

2 關鍵技術

2.1 軟件架構

本電工電子學實驗系統采用生產者/消費者結構作為主程序架構，主程序的前面板和程序框圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 主程序的前面板

生產者/消費者結構由兩個模塊構成，其中生產者模塊主要負責接收用戶的操作信息，如點擊按鈕或者輸入數據，而消費者模塊則是對用戶的操作進行響應，并做出相關處理[13]。生產者和消費者的數據通過隊列進行傳遞，可以有效避免程序中出現競爭和誤操作。此外，該結構具有很好的擴展性，通過編程可以快速添加實驗模塊。

2.2 儀器控制

儀器控制是電工電子學實驗系統的關鍵所在，通過儀器程控可以將手動操作轉化為計算機控制下的自動操作、將人工讀取實驗數據轉化為自動獲取。儀器控制通過調用具體的儀器控制模塊實現，常用的儀器控制模塊有初始化模塊、參數配置模塊、操作控制模塊、儀器終止模塊和錯誤處理模塊。如圖5所示，是一個函數信號發生器的控制程序。

圖5 函數信號發生器程序

從圖中程序可以看到，函數信號發生器的控制共由5部分組成。在初始化模塊中，LabVIEW根據函數信號發生器的VISA資源名，調用VISA庫函數中的I/O接口函數，實現計算機和儀器的通信，同時下發指令，完成儀器的初始化操作[14,15]。配置模塊則完成輸出信號的配置，以正弦信號為例，可以對信號頻率、峰峰值和直流偏置等信息進行設置。完成配置后，在控制模塊實現信號的輸出，并可以指定信號的輸出通道。在完成信號輸出后，則可以利用終止模塊結束對儀器的控制。此外，通常會在最后添加錯誤處理模塊，對當前的儀器控制質量進行監視，一旦發生錯誤，可以及時糾正。

不同的儀器，操作控制模塊會存在一些差異，函數信號發生器和直流電源的操作控制模塊用于控制信號輸出，而萬用表和示波器則用于讀取測量數據。每個模塊中封裝的是儀器控制SCPI指令。儀器控制模塊可以根據儀器生產商提供的編程指令進行編寫，也可以到NI官網下載相關驅動程序。

3 實例說明

本文的設計實例為電路頻率特性測量實驗。

3.1 實驗原理

以RC一階低通電路的頻率特性測量為例，其頻率特性測量電路如圖6所示。

圖6 RC一階低通電路

RC一階低通電路由電阻和電容串聯組成，其中u1為輸入信號，電容兩端電壓u2為輸出信號，即為激勵向量，為響應向量，則該電路的網絡函數為：

式中，

電路的頻率特性主要反映輸入信號與輸出信號的電壓幅值與相位之間的關系。實驗中，通過測量輸入輸出信號就可以得到電路的頻率特性。

在本次實驗中，RC一階低通電路選用的電阻為1 kΩ，電容為0.01 μF，通過計算，可以得到低通電路的截止頻率為15.9 kHz。

3.2 實驗效果

按圖6完成實驗電路連接，同時接入該實驗用到的函數信號發生器和數字示波器。其中，函數信號發生器為電路提供一系列幅值不變、頻率逐漸遞增的輸入信號，這里選用函數信號發生器通道1作為信號輸出通道；示波器用于測量每個頻率下輸入信號和輸出信號的幅值和相位差，選用示波器通道1測量輸入信號，示波器通道2測量輸出信號。

電路頻率特性測量實驗的界面如圖7所示，為了使實驗過程能覆蓋截止點，故設置輸入信號的起始頻率為100 Hz，終止頻率為50 kHz，頻率以2 kHz的步長進行遞增，共有25個測量點。輸入信號的峰峰值設置為1 V。

圖7 電路頻率特性測量實驗界面

完成電路連接和軟件參數設置后，即可通過軟件程控儀器完成實驗過程，所得的實驗結果如圖8所示。

圖8 RC一階低通電路頻率特性

實驗得到一條幅頻特性曲線和一條相頻特性曲線。從幅頻特性曲線可以看到，當輸出信號幅值下降—3 dB時，所對應的頻率大致為16 kHz；從相頻特性曲線可以看到，當輸出信號相位偏移—45°時，所對應的頻率大致為16 kHz。由此可見，實驗所得的截止頻率與理論計算所得的截止頻率相一致。

在該實驗中，完成單個頻率點的測量時間為2 s，25個頻率測量點共耗時50 s，即在1 min內完成RC一階低通電路的頻率特性測量。而傳統的手動測量和數據記錄，完成時間大概在20 min。自動測量不僅提高了實驗效率，而且在測試過程中，更容易發現錯誤，避免錯誤實驗的進行。

4 結語

本文基于LabVIEW開發環境，利用實驗室常用儀器，開發了電工電子學實驗系統。本系統操作簡單，易于擴展，儀器互換性高。設計實例的應用，說明通過計算機程控儀器進行工作，代替人工測量操作，大大提高了實驗效率和質量，使學生能更加關注實驗原理和方法。此外，在本實驗系統中，學生可以自主進行程控實驗的開發，以適應新工科對學生的新要求。該實驗系統的開發和應用是對電工電子學實驗的一種探索。