基于ＬａｂＶＩＥＷ的线性电子线路实验系统

方　亮

[摘要]阐述一种基于LabVIEW的线性电子线路实验系统。该系统采用自行设计的电路硬件系统与虚拟测量系统相结合的模式,为线性电子线路实践教学提供更为科学、更为有效的解决方案。

[关键词]LabVIEW 虚拟仪器 Protel 线性电子线路

中图分类号:TN4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0810016-01

一、引言

《线性电子线路》是一门实践性较强的电子类技术基础课。许多理论概念必须通过实践才能获得更清晰的了解,在实践中积累丰富经验就能更主动的学习理论。因此,在学习该课程时必须高度重视实验环节,坚持理论联系实际的原则。然而,长期以来,传统的实验教学系统通常由实验箱及各种外接测量仪器构成。繁杂的外部连线和众多的测量仪器使得学生在实验过程中需要耗费大量的时间在仪器和电路的衔接上,却忽视了对实验理论的理解、验证,对实验结果的分析,并由此得出“实验=连线+记录”的错误认识,从而导致学生对该实验原有实验目的的背离,严重影响了实验的效果。为此,本文提出了基于LabVIEW的线性电子线路实验系统的构想,利用先进的虚拟仪器技术,利用“软件即是仪器”的设计理念,结合我校实际,科学的构建了一套方便易用的线性电子线路实验系统。该系统不但可以激发学生的学习兴趣,开发学生的实践动手能力,提高实验效果,而且能极大的减轻实验教师每一次实验准备的工作强度,提高工作效率。

二、系统设计

(一)系统的构成与功能

该系统主要由实验电路系统和虚拟测量系统两大部分构成,其结构框图如图1所示。其中,实验电路系统作为本系统的基础,主要承担被测对象与电路原理图实物化的作用。通过该系统,学生可以清楚的了解电路的组成与电子元件的实际应用,加深对实验原理和课本知识的理解,增强学生对实际电路的感性认识和对电路功能实现的认知。而虚拟测量系统则是本系统的精髓。通过虚拟测量系统,学生能够较好的完成对实验电路的各种常用测量和记录,使学生在明确该实验目的的基础之上,实现对课本中理论知识的有效验证和分析,从而增强学生对电路原理的理性认知,以此达到并实现预期的实验效果。

(二)实验电路系统

根据我校《线性电子线路》课程实验教学大纲的要求,由于该实验课程是理工科专业的一门主要技术基础课程实验,其目的是通过实验使学生加深对电路基本概念、基本原理和分析方法的理解,熟悉各种电路与信号的关系,拓宽学生的知识领域,锻炼学生的实践技能,培养学生科学的工作作风,获得电工、电子技术的必要的基本技能,了解电工、电子技术的发展情况和应用领域,为学习后续课程及从事有关工程技术工作和科研工作打下一定的基础,因此,该实验电路系统在电路的选择上严格依据实际教学的需要,对理论教材中的典型电路进行有效取舍,并采用Protel软件对电路进行重新规划、设计和制板,最终形成实验教学所需要的实验电路系统。

该系统主要由晶体管共射极单管放大电路、晶体管两级放大电路(如图2所示)、射极跟随电路、差动放大电路、负反馈放大电路和集成运算放大器构成的各种模拟运算及电压比较电路等部分构成。各电路模块相互独立,使学生能专一的、有针对性的完成对晶体管、放大器和集成运算放大器等线性电子线路基础知识的实践学习。

(三)虚拟测量系统

虚拟测量系统是该线性电子线路实验系统的重要组成部分。在以往的线性电子线路实验课程中,为了让学生能掌握某电路的相关概念和基本原理,通常使用由示波器、毫伏表和信号源等众多设备组成的综合测量系统对电路的节点参数进行必要的测量与分析。在实际应用当中,传统仪器在实验测量中的作用非常突出,但实验教学效果却并不理想。众多仪器的正确选择与使用往往成为实验教学的难点,由于仪器使用不当而造成的实验数据偏差、实验失败和仪器损坏严重影响了学生对教学重点电路原理的理解与掌握。为了解决上述问题,在该线性电子线路实验系统中引入了虚拟测量系统。

该系统采用美国NI公司的LabVIEW软件进行模块化设计。LabVIEW(la

boratory virtual instrument engineering workbench)是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境,是美国NI(national

instrument company)公司推出的一种基于G语言(graphics language)的虚拟仪器软件开发工具。由于LabVIEW具有直观、编程简单等特点,且具有强大的数据处理能力,因此,利用LabVIEW并结合相关的硬件及线性电子线路实验课程中常用传统测量仪器的作用与特点来构建易于使用、贴合实际的虚拟测量系统。

该系统主要由虚拟函数信号发生器、虚拟双踪示波器、虚拟交流毫伏表等模块构成。其中,虚拟函数信号发生器作为信号源,是整个虚拟测量系统的关键,是获取正确数据结果、验证电路功能实现的前提与基础。在设计中,利用了LabVIEW提供的“Basic Function Generator.vi”函数,其函数功能示意图如图3所示。该函数有8个输入端,分别代表信号类型(signal type)、频率(frequency)、幅值(amplitude)、相位(phase)、采样信息(sampling info)、占空比(square wave duty cycle)、复位(reset signal)及偏移量(offset)等参数;2个输出端,分别为信号输出(signal out)与相位输出(phase out)。通过调用此函数及相关的数值控件、布尔控件、图形显示控件和程序流程结构等内容,并配以相应的DAQ数据采集卡,此虚拟函数信号发生器即可生成实际应用中所需要的正弦波、三角波、方波和锯齿波等常见典型波形供实验电路系统使用。其虚拟函数信号发生器前面板示意图如图4所示。

三、结语

经验证,该线性电子线路实验系统能够以较为简单、快捷的方式完成我校关于《线性电子线路》课程实验教学大纲所要求的全部验证性实验及部分综合性实验。尽管在设计上还存在一定的缺陷与不足,但凭借其灵活的模块设计、人性化的操作界面以及稳定可靠的性能,在实际使用过程中,能较好的控制实验时间,减少仪器损坏,降低实验教师工作强度,促进学生对专业知识的掌握,增强实验效果。

参考文献:

[1]谢嘉奎、宣月清、冯军,电子线路(线性部分)第四版,北京:高等教育出版社,1996.6.

[2]任姝婕、刘舒帆、陈军,基于LabVIEW8.20的虚拟函数信号发生器,电气电子教学学报,2008.6.

[3]张跃勤、王新辉、李云龙,基于数据采集的虚拟仪器实验教学系统的开发与应用,实验技术与管理,2007.11.

作者简介:

方亮(1981-),男,汉族,四川自贡人,工学学士,四川理工学院自动化与电子信息学院实验中心,助理实验师,主要研究方向:电路与系统。