一种基于LabVIEW的电工电子学实验系统设计

赵江萍

1.浙江大学电气工程学院 浙江杭州 310058

2.浙江大学电工电子国家级实验教学示范中心 浙江杭州 310058

在“新工科建设”背景下，电工电子学实验作为工科学生实验课程的重要组成部分，课程的优化和改进变得尤为重要[1-4]。通过电工电子学实验，学生不仅可以对电学理论知识加以验证，而且能够进行应用电路的研究和开发[5]。然而，传统的电工电子学实验更多关注学生对仪器设备的使用，使得一些实验中存在大量简单重复的测量工作[6-8]。例如，三极管输出特性测量实验就需要耗费2～3个学时，使得学生在实验课程中忙着操作仪器和记录实验数据，很少去关注实验原理和实验方法。如何减少实验中的简单重复操作，让实验效果最大化，是亟须思考和解决的问题。

LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司研制的程序开发环境，对于测量和控制系统具有较高的开发效率[9,10]。为此，本文以可编程线性直流电源、数字万用表、函数信号发生器和数字示波器等4台仪器作为被控对象，基于LabVIEW软件开发仪器控制程序，构建电工电子学实验系统，以解决传统实验中存在的大量简单重复操作，提高实验效率和质量。

1 设计方案

1.1 设计思路

电工电子学实验既需要学生掌握电学实验知识，又需要锻炼学生动手操作能力[11,12]。该实验系统的设计以此为出发点，将实验过程中的仪器设置和数据读取进行自动化处理，实验电路的搭建以及仪器设备非控制线路的连线依旧由学生完成。

1.2 系统结构

电工电子学实验系统由硬件和软件两部分构成。硬件部分由计算机、路由器、可编程线性直流电源、数字万用表、函数信号发生器、数字示波器和实验箱等构成，本次设计所选用的仪器为北京普源精电科技有限公司(RIGOL)的产品，其中可编程线性直流电源型号为DP832A、数字万用表型号为DM3058、函数信号发生器型号为DG4202、数字示波器型号为MSO4034，这些仪器均带有LAN控制接口。

计算机和仪器采用星型方式进行连接，如图1所示。星型连接以路由器为中心，将计算机和仪器通过网络双绞线与路由器LAN口相连。仪器连接完成后，需要对仪器的IP地址进行调整，使其和计算机的IP处于同一局域网，保证计算机和仪器之间的数据链路通畅。仪器的IP既可以设定为固定IP，也可以动态获取IP。仪器和实验箱之间，则根据具体实验进行相关测试线缆连接。

图1 硬件结构示意图

实验系统的软件部分由LabVIEW编程实现，主要实现仪器控制、数据读取和数据处理等功能。软件采用模块化的编程思路进行设计，如图2所示。在软件中，首先对仪器的不同操作进行模块化处理，然后每台仪器调用其功能控制模块实现仪器控制。在具体实验中，根据实验内容调用相应的仪器模块完成实验。程序的模块化设计，不仅有利于仪器的互换，而且有利于实验的扩展。

图2 软件结构示意图

2 关键技术

2.1 软件架构

本电工电子学实验系统采用生产者/消费者结构作为主程序架构，主程序的前面板和程序框图分别如图3和图4所示。

图3 主程序的前面板

生产者/消费者结构由两个模块构成，其中生产者模块主要负责接收用户的操作信息，如点击按钮或者输入数据，而消费者模块则是对用户的操作进行响应，并做出相关处理[13]。生产者和消费者的数据通过队列进行传递，可以有效避免程序中出现竞争和误操作。此外，该结构具有很好的扩展性，通过编程可以快速添加实验模块。

2.2 仪器控制

仪器控制是电工电子学实验系统的关键所在，通过仪器程控可以将手动操作转化为计算机控制下的自动操作、将人工读取实验数据转化为自动获取。仪器控制通过调用具体的仪器控制模块实现，常用的仪器控制模块有初始化模块、参数配置模块、操作控制模块、仪器终止模块和错误处理模块。如图5所示，是一个函数信号发生器的控制程序。

图5 函数信号发生器程序

从图中程序可以看到，函数信号发生器的控制共由5部分组成。在初始化模块中，LabVIEW根据函数信号发生器的VISA资源名，调用VISA库函数中的I/O接口函数，实现计算机和仪器的通信，同时下发指令，完成仪器的初始化操作[14,15]。配置模块则完成输出信号的配置，以正弦信号为例，可以对信号频率、峰峰值和直流偏置等信息进行设置。完成配置后，在控制模块实现信号的输出，并可以指定信号的输出通道。在完成信号输出后，则可以利用终止模块结束对仪器的控制。此外，通常会在最后添加错误处理模块，对当前的仪器控制质量进行监视，一旦发生错误，可以及时纠正。

不同的仪器，操作控制模块会存在一些差异，函数信号发生器和直流电源的操作控制模块用于控制信号输出，而万用表和示波器则用于读取测量数据。每个模块中封装的是仪器控制SCPI指令。仪器控制模块可以根据仪器生产商提供的编程指令进行编写，也可以到NI官网下载相关驱动程序。

3 实例说明

本文的设计实例为电路频率特性测量实验。

3.1 实验原理

以RC一阶低通电路的频率特性测量为例，其频率特性测量电路如图6所示。

图6 RC一阶低通电路

RC一阶低通电路由电阻和电容串联组成，其中u1为输入信号，电容两端电压u2为输出信号，即为激励向量，为响应向量，则该电路的网络函数为：

式中，

电路的频率特性主要反映输入信号与输出信号的电压幅值与相位之间的关系。实验中，通过测量输入输出信号就可以得到电路的频率特性。

在本次实验中，RC一阶低通电路选用的电阻为1 kΩ，电容为0.01 μF，通过计算，可以得到低通电路的截止频率为15.9 kHz。

3.2 实验效果

按图6完成实验电路连接，同时接入该实验用到的函数信号发生器和数字示波器。其中，函数信号发生器为电路提供一系列幅值不变、频率逐渐递增的输入信号，这里选用函数信号发生器通道1作为信号输出通道；示波器用于测量每个频率下输入信号和输出信号的幅值和相位差，选用示波器通道1测量输入信号，示波器通道2测量输出信号。

电路频率特性测量实验的界面如图7所示，为了使实验过程能覆盖截止点，故设置输入信号的起始频率为100 Hz，终止频率为50 kHz，频率以2 kHz的步长进行递增，共有25个测量点。输入信号的峰峰值设置为1 V。

图7 电路频率特性测量实验界面

完成电路连接和软件参数设置后，即可通过软件程控仪器完成实验过程，所得的实验结果如图8所示。

图8 RC一阶低通电路频率特性

实验得到一条幅频特性曲线和一条相频特性曲线。从幅频特性曲线可以看到，当输出信号幅值下降—3 dB时，所对应的频率大致为16 kHz；从相频特性曲线可以看到，当输出信号相位偏移—45°时，所对应的频率大致为16 kHz。由此可见，实验所得的截止频率与理论计算所得的截止频率相一致。

在该实验中，完成单个频率点的测量时间为2 s，25个频率测量点共耗时50 s，即在1 min内完成RC一阶低通电路的频率特性测量。而传统的手动测量和数据记录，完成时间大概在20 min。自动测量不仅提高了实验效率，而且在测试过程中，更容易发现错误，避免错误实验的进行。

4 结语

本文基于LabVIEW开发环境，利用实验室常用仪器，开发了电工电子学实验系统。本系统操作简单，易于扩展，仪器互换性高。设计实例的应用，说明通过计算机程控仪器进行工作，代替人工测量操作，大大提高了实验效率和质量，使学生能更加关注实验原理和方法。此外，在本实验系统中，学生可以自主进行程控实验的开发，以适应新工科对学生的新要求。该实验系统的开发和应用是对电工电子学实验的一种探索。