文氏电桥正弦波发生器综合虚拟实验项目设计

朱宁远 茅靖峰 刘婉钰 郭孟杰 周陈辉

摘 要 设计一种基于NI ELVIS的文氏电桥正弦波发生器综合虚拟实验项目。学生在完成电路原理设计的基础上，采用NI ELVIS原型开发板建立正弦波发生器电路，再利用LabVIEW软件设计正弦波形信号的计算机采集、处理和显示，最后进行软硬联调，完成波形结果的分析验证。该项目具有灵活开放的实验接口，有利于实际动手操作能力和创新能力的提升。

关键词 虚拟实验;NI ELVIS;文氏电桥正弦波发生器;Lab-VIEW;Multisim

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）08-0112-05

Design of Integrated Virtual Experiment Project for Sinusoidal Generation of Wien Bridge//ZHU Ningyuan， MAO Jingfeng， LIU Wanyu， GUO Mengjie， ZHOU Chenhui

Abstract In this paper， the integrated virtual experiment project for

sinusoidal generation of Wien bridge based on NI ELVIS is designed.

Firstly， on the basis of the circuit principle design， the NI ELVIS prototype development board is used to establish a sine wave gene-rator analog circuit. Secondly， it uses LabVIEW development soft-ware to realize acquisition， processing and display of waveform measurement signals. Finally， the analysis and verification of the waveform results are performed. The project has a flexible and open

experimental interface. And it is beneficial to the students to improve

their practical ability and innovation ability.

Key words virtual experiment; NI ELVIS; sinusoidal generation of Wien bridge; LabVIEW; Multisim

1 引言

在电气控制与测量领域，正弦波常作为参考信号或是载波信号而被广泛使用。电类学生若不能掌握正弦波的产生原理，深入理解电路参数对调波形、幅值和频率的调控作用，会限制学生在一些相关实验中的操作灵活度，并對后续专业理论知识的学习带来一定的困扰[1-2]。

NI ELVIS设计与原型开发平台是NI公司将NI数据采集卡和图形化开发环境LabVIEW结合而成的设计与原型开发平台，集成了示波器、函数发生器、数字万用表、阻抗分析仪等12种仪器。此外，该平台采用高速USB即插即用连接方式，并且带有多路可编程电源，使得用户可以方便地在原型设计面板上搭建电路，并通过LabVIEW图形化系统设计软件，快速实现信号的测量采集和显示，非常适合在仪器仪表开发以及实验教学中应用[3-5]。

基于实验教学现状和需求，本文设计一套基于NI ELVIS

的文氏电桥正弦波发生器综合虚拟实验课程资源，通过NI ELVIS方便的电路搭建、高效的软件平台设计与开发，实现正弦波信号发生电路输出从无到有、从正弦波到失真，同时在线实时波形检测功能，为学生研究RC参数对振荡频率的影响提供有力工具，帮助学生理论联系实践，利于深刻理解，达到良好的教学效果。

2 综合虚拟实验项目设计

总体结构方案 设计的文氏电桥正弦波发生器虚拟实验平台由NI ELVIS仪器、NI ELVIS开发板、LabVIEW应用软件、Multisim仿真软件等部分组成，总体结构如图1所示。

该实验项目的学生训练操作步骤包括：理论知识学习，掌握文氏电桥正弦波产生的基本原理，完成相关电路参数原理设计;利用Multisim软件进行电路仿真，确保电路设计正确、运行正常;在NI ELVIS原型开发板上完成模拟电路搭建;设计LabVIEW相关程序实现电压波形的测量、分析和存储;将理论分析与实测结果进行对比，进一步提升对文氏电桥正弦波的掌握和理解。

文氏电桥正弦波发生电路设计 根据基本文氏振荡器原理，本实验项目采用的RC文氏电桥正弦波发生电路如图2所示。图2中，RC串并联构成正反馈网络且具有频率选择性，R1、R2、Rw以及二极管构成负反馈网络，R1、R2为固定阻值电阻，调节可调电位器Rw的大小可改变负反馈的大小，决定放大增益，从而满足振幅条件并起到减小波形失真的作用。

利用二极管伏安特性曲线的非线性使振荡电路有稳定的输出电压。反向并联二极管D1和D2的型号需相同，以确保输出波形在其各自导通的半个周期内对称。R2用于减小并联二极管对负反馈回路造成的影响，改善波形失真。

LabVIEW波形测试软件设计 作为虚拟实验项目的一部分，为了实现对图2所示文氏电桥正弦波发生器波形输出的直观测试，以进行理论与实际的比较验证分析，依据图1的总体方案，要求学生采用LabVIEW开发工具设计波形测量软件，以采集和显示NI ELVIS平台传输给上位机的波形信号。

该软件主要用到创建通道子程序DAQmx create channel.

vi、定时子程序DAQmx Timing.vi、配置记录子程序DAQmx configure input buffer.vi、开始任务子程序DAQmx start

task.vi、读取子程序DAQmx Read.vi、停止任务子程序DAQmx

Stop Task.vi、清除任务子程序DAQmx Clear Task.vi等共七个子程序。

1）子程序功能及接线端口。创建通道子程序用于通道的创建以及电压的采集，包括任务输入和任务输出、物理通道的选择、最大值、最小值、输入接线端配置、错误输入和错误输出等接线端口。本程序创建了该子程序接线端配置、采集物理通道、最大值和最小值的输入控件，将任务输出端口连接到定时子程序的任务输入端口。

定时子程序用来设置采样时钟的频率和采样时钟源，并用于生成或采集采样数量，包括采样模式选择、任务输入和任务输出、采样数、采样速率设置、每通道采樣等接线端口。本程序创建了采样时钟源和采样率的输入控件，右键点击采样模式接线端口将其设置为连续采样模式，将任务输出端口通过属性节点连接到配置记录子程序的任务输入端口。本程序将默认采样率设置为1 kHz。

配置记录子程序用来配置任务的TDMS文件记录，包括操作设置、文件路径选择、组名称、记录模式等接线端口，本程序将该子程序的任务输出和端口连接到开始任务子程序的任务输入端口，右键点击操作端口，设置操作模式为“打开或创建”，创建文件路径和记录模式的输入控件。

开始任务子程序用来让任务开始运行，执行程序所设计的功能。任务输出端口连接到读取子程序的任务输入端口。

读取子程序用来读取波形，包括数据流向、每通道采样数等接线端口。本程序将该子程序的任务输出端口连接到停止子程序的任务输入端口，数据端口接波形图，将读取的电压波形传输到波形图上显示。每通道采样数与定时子程序的每通道采样共用一个输入控件。DAQmx读取有多种模式可以选择，本程序选用模拟1D波形N通道N采样。

停止任务子程序用来停止任务。本程序将该子程序的任务输出端口连接到清除任务子程序的任务输入端口。

清除任务子程序来清除任务。其错误输出端口接简易错误处理器，以在错误发生时给出提示。

2）软件流程设计。依次调用上述的七个子程序并完成接线和相关控件的创建，整个波形测量程序即可设计完成。其中将读取子程序放在一个While循环里，这样可以降低CPU的利用率。将各子程序的错误输入和错误输出按顺序依次连接在一起，当程序中有子程序发生错误时，可将底层发生的错误信息原封不动地传递到顶层VI，利用错误输入和错误输出这两个预定义簇来作为错误信息的载体。最终设计好的前面板和程序后面板如图3和图4所示。

前面板包含三个部分：采集物理通道的选择以及采集电压的设置，用来选择采集物理通道以及设置最大电压和最小电压;采样率和采样数的设置;电压波形显示部分。

完成上述实验项目的准备过程，学生就可以通过实际操作对理论知识进行验证、巩固和加深。

3 实验操作与分析

Multisim虚拟仿真验证 将设计完成的文氏电桥正弦波发生器原理电路在Multisim平台上进行虚拟仿真验证。令R1=R2=R=1 kΩ，C1=C2=C=1 μF;R3用于削弱二极管的影响，本电路取R3=1 kΩ;令R6=1 kΩ;为满足起振值条件Af=1+（R3+R4+R5）/R6≥3，故取R5=1 kΩ，可调范围为0～

1 kΩ的可变电阻R4，仿真电路及波形分别见图5和图6。

由图6可见，运放芯片LF356N产生的波形电压从0开始逐渐增大并最终稳定为幅值为7.175 mV的标准正弦波，表明本文的电路设计及参数选择正确，可以搭建硬件电路实物，以开展进一步的特性分析实验。

虚实结合实验平台搭建 图7为采用NI ELVIS套件搭建的图5所示仿真硬件实际电路，并与开发完成的LabVIEW测试软件程序相连接，实现虚实结合的电路实验平台搭建。

图7中，在NI ELVIS原型板上搭建好文氏电桥正弦波发生电路，芯片LF356N的3脚接RC串并联网络，2脚接由电阻构成的负反馈网络以及用于稳幅的二极管，6脚接NI ELVIS原型板上AI0+接口，将芯片产生的电压波形通过USB数据线传入计算机;将NI ELVIS II+的USB端口与计算机的USB端口通过USB数据线相连，完成数据的采集以及计算机对仪器控制命令的传输;接通AC/DC电源给NI ELVIS II+工作台供电，在计算机上打开LabVIEW电压测量程序并运行，使其处于电压测量工作状态;配置NI ELVISmx

Instrument Launcher中的Variable Power Supplies，将其Voltage选项设置为±12 V直流电压，这样NI ELVIS模型板上SUPPLY+和SUPPLY-接口就可以提供±12 V直流电压，将SUPPLY+与LF356N芯片4脚相连，SUPPLY-与LF356N

芯片7脚相连。

以上为虚实结合综合实验系统搭建步骤，搭建后，学生可进行实验并对实验结果进行分析。

实验结果分析 为使学生对正弦波特性有更深刻直观的理解，将理论知识和实际实验结果进行比较和分析，现设计如下实验要求：

1）观察文氏电桥振荡器的实现过程;

2）考察RC的取值与振荡频率间的关系;

3）分析二极管在稳幅中的作用。

1）负反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。调节NI ELVIS原型板上电位器R4分别至0 Ω、200 Ω、590 Ω和800 Ω，此时LabVIEW数据采集程序采集到芯片LF356N引脚6输出的波形如图8所示。

由图8-a可得，芯片LF356N引脚6输出波形电压幅值为0，表明此时负反馈较弱，即Rw较小，Af<3，不满足起振条件，故不能起振[4];图8-b显示，正弦波电压幅值从0开始不断增大，表明此时满足起振条件Af=3，电路开始振荡;图8-c显示，输出的正弦波电压幅值从0开始不断增大，表明此时满足起振条件Af=3，电路开始振荡，形成稳定正弦波且没有失真;图8-d显示，由于此时负反馈较强即Rw较大，在直流源电压和运放的限制下，波形开始失真，且负反馈越强，失真越严重。

2）考察RC的取值与振荡频率间的关系。

①在R=1 kΩ，C=3.3 μF条件时，波形如图9所示。由图9可知，正弦波的周期T=22 ms，此时频率f=1/T=

45.5 Hz，理論上正弦波的频率f0=1/2πRC=48.2 Hz，实验结果与理论分析相符合。

②在R=1 kΩ，C=10 μF条件时，波形如图10所示。由图10可知，正弦波的周期T=68 ms，此时频率f=1/T=

14.7 Hz，理论上正弦波的频率f0=1/2πRC=15.9 Hz，实验结果与理论分析相符合。

③在R=620 Ω，C=3.3 μF时，波形如图11所示。由图11可知，正弦波的周期T=12 ms，此时频率f=1/T=83 Hz，理论上正弦波的频率f0=1/2πRC=77 Hz，实验结果与理论分析相符合。

从以上实验结果可以总结出，R或者C的增大，会导致f减小;相反，R或者C的减小，会导致f增大。这与振荡频率的计算公式f0=1/2πRC相符。

3）二极管稳幅作用分析。断开二极管D1、D2，保持R=1 kΩ，C=3.3 μF，与上文条件相同，调节Rw大小，当Rw=520 Ω时，波形图如图12所示。

由图12可知，当Rw=520 Ω时，程序采集到的正弦波波形开始出现失真，不能复现输入波形。由图8-d可知，有二极管时波形开始失真出现在Rw=800 Ω处。将上述两者对比可得，二极管在电路中起稳幅的作用，可缓解输出电压失真。

4 结语

本文以提升测控电路课程实验教学质量为背景，利用虚拟仪器在高校虚实结合实验教学中的应用优势，在NI ELVIS 平台上进行实验资源开发，设计基于NI ELVIS 的文氏电桥正弦波发生器综合虚拟实验项目。实践证明，该项目具有理论联系实际、验证与分析结合的突出特点，通过理论设计、自行搭建硬件实际电路、开发虚拟测试软件和波形验证分析四个实验步骤，帮助学生加深了对知识的理解，锻炼了动手能力。同时，开放的实验接口和环境，方便了学生根据自身兴趣对实验界面和功能进行扩展，从而激发创造性思维，获得良好的教学效果。

参考文献

[1]茅靖峰，申海群，顾菊平，等.LabVIEW FPGA实时仿真在现代电力电子技术实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2016，35（9）：108-113.

[2]咸夫正，赵明磊，刘泽梅.基于LabVIEW的RC串联电路暂态过程实验仪[J].物理通报，2018（9）：73-76.

[3]莫文琴，任迎.基于NI ELVIS的光纤位移传感实验平台设计[J].实验室研究与探索，2014，33（6）：103-106.

[4]汪源，王连胜，梁志勇.NI ELVIS在电工电子技术教学中的应用[J].实验科学与技术，2013，11（2）：35-36，81.

[5]白洁，骆一萍，孔忻.基于NIELVIS的直流电机转速测控实验系统的开发[J].实验室科学，2014，17（3）：41-44.

项目来源：江苏高校品牌专业“电气工程及其自动化”资助项目（PPZY2015B131）;江苏省大学生创新创业训练计划项目“基于虚拟仪器的通风机综合性能参数集成测试系统”（201810304020Z）;南通大学教学改革研究项目“基于虚拟仿真与项目驱动的《测控电路》实验教学研究”（2016B33）、“基于半实物虚拟仿真的电气类实验教学与工程创新能力培养研究”（2017B39）。

作者：朱宁远、刘婉钰、郭孟杰、周陈辉，南通大学电气工程学院，研究方向为电气工程及其自动化技术;茅靖峰，南通大学电气工程学院，教授，研究方向为微电网及其控制技术（226019）。