基于LabVIEW的电路频率特性教学仿真系统

2013-08-23王文婷刘金宁尹志勇邢娅浪

电气电子教学学报 2013年2期

王文婷，刘金宁，尹志勇，邢娅浪

(军械工程学院车辆与电气工程系，河北石家庄 050003)

频率响应是“电路分析”课程中的重要内容，为了解决这部分内容的纯理论教学不足，许多高校已积极探索将计算机仿真引入课堂，搭建了关于电路频率响应仿真平台［1-3］。本文利用LabVIEW软件开发了一个功能完备的频率响应仿真系统，能演示RLC串联电路的频率响应、滤波器原理和收音机原理三部分内容。该系统具有界面友好和易操作的特点，可方便应用于课堂教学中去。

1 系统构架和界面设计

图1所示的系统采用模块化设计，主要包括三大主模块:①RLC串联电路的频率响应模块，分为时域波形演示和频响(幅频和相频)特性曲线演示两个子模块;②滤波器原理模块，分为低通、高通、带通和带阻四个子模块，每个子模块又可以分为时域波形演示和频响特性曲线演示模块;③收音机原理模块，分为频响特性模块和收音机调台模块。

界面的设计根据三大主模块演示内容的不同，用Tab控件将其分为不同的页。而每个主模块界面一般都包括电路原理图、参数设置部分和波形(或参数)显示部分三大区域。在模块显示的波形和参数比较多时，还可以用Tab控件将其分为不同的页，或是利用事件结构，在按钮控件“值改变”事件分支中，创建这些波形和参数控件的属性节点，将其“可见”属性分别置为“Ture”和“Fause”，使其根据按钮操作分时显示就可以了。

图1 系统构架

整个系统的设计思路是:利用LabVIEW软件的自动多线程特点，将以上三个主模块各自编程后，再并列排放，这些程序就可在不同线程下同时执行，以提高程序执行速度，节省程序运行时间［4］。

2 RLC串联电路的频率响应模块

1)功能介绍

本模块主要演示在正弦输入电压频率发生变化时，RLC串联电路的各个参数随频率的变化情况，具体来说，可完成以下5种功能。

(1)观察正弦电流i的大小随输入电压频率ω变化而变化;

(2)观察正弦电流i与输入电压的相位差随ω变化而变化;

(3)观察各元件电压uR，uL，uC随输入电压频率ω变化而变化;

(4)绘出感抗 XL、容抗 XC、阻抗的模︱ZL︱和阻抗角φ随ω变化的频响曲线;

(5)绘出电流有效值I随频率ω变化的频响曲线，并通过调节电阻R的值动态观测在谐振点上电流的变化。

2)基本设计方法

时域波形的绘制方法:先用Express VI产生一个频率可调的正弦仿真信号，其幅值和相位(一般设为0°)为定值，用此信号作为电路的输入电压u(t)，然后根据电路中电阻R、电感L和电容C的值，利用MathScript节点计算电路的阻抗Z、阻抗角φ、电流有效值I、电阻电压有效值UR、电容电压有效值UC、电感电压有效值UL;再根据输入电压u(t)和电流i(t)的相位差(即阻抗角)、电阻电压uR(t)和电流i(t)的相位差(两者同相位)、电容电压uC(t)和电流i(t)的相位差(前者滞后后者90°)及电感电压uL(t)和电流i(t)的相位差(前者超前后者90°)，确定出这些变量的初相位;最后利用Express VI产生正弦波，绘出 i(t)、uR(t)、uL(t)和 uC(t)波形。

频响曲线的绘制方法:首先利用Ror循环的记数接线端产生连续变化的频率f，并在每次循环时利用MathScript节点计算I、|Z|和φ。循环完毕后，用Ror循环的自动索引功能得到几个一维数组，分别表示 f、I、|Z|和 φ。再把 f和 I(或|Z|或 φ)捆绑在一起用XY图显示，即可得到电流频响曲线、阻抗的模频响曲线及阻抗角频响曲线。

为了动态观测时域波形和频响曲线随电路参数变化而变化的情况，这里采用“while”循环，实现程序的连续运行。

3)仿真结果

设置正弦输入电压的振幅Um=5V，频率f=60Hz，初相位 φ =0°，电路参数 R=100Ω，L=1H，C=10μF，此时，谐振频率 f0=50.35Hz，其仿真结果如图2所示。

图2 RLC串联电路的频率响应仿真结果

3 滤波器原理模块

1)功能介绍

本模块主要演示低通、高通、带通和带阻四种滤波器的滤波特性及频响特性。具体来说，滤波特性是通过给电路加入包含多个频率成分的输入信号，观测电路的输出，从而判断电路的滤波效果;频响特性这里指转移函数 H(jω)=Uo(jω)/Ui(jω)的幅频特性和相频特性。

2)基本设计方法

滤波特性在设计时，首先利用波形产生函数产生一个包含多种频率成分的复杂周期信号作为输入电压信号。这里可以选择方波、锯齿波和三角波等信号，然后利用波形显示控件，即可显示该输入电压波形ui(t)，用频谱测量节点即可显示输入波形所包含的频率成分。电路输出波形uo(t)的绘制，首先将ui(t)按傅立叶级数展开，然后把每一项都视作电路的输入(激励)。根据叠加原理，电路的输出(响应)应该是这些输入(激励)共同作用的结果，再分别计算每一个激励产生的响应，最后将所有响应相加即得uo(t)。频响特性曲线的绘制方法与模块1部分相同。

3)仿真结果

我们现在介绍低通滤波器仿真。设置输入信号为方波信号，幅值Um=5V，频率f=10Hz，初相位φ=0°占空比λ=50%，傅立叶级数展开取到21次谐波。电路参数R=1Ω，C=0.01F，此时，截止频率fC=15.9Hz。其仿真结果如图3所示，图中分别给出了低通虑波器的幅频和相频特性曲线，插入方波电压ui的时域波形和频谱以及输出电压uc的波形。

图3 RC低通滤波器电路及仿真结果

4 收音机原理模块

1)功能介绍

此模块主要利用RLC串联电路发生谐振时具有的选频特性，模拟收音机调台原理。主要包括如下两大功能:

(1)通过调节电路中电容C的值，实现收音机调台的功能，并能同时观察频响曲线随电容C变化的情况;

(2)通过改变输入信号ui(t)的幅度来观察谐振曲线的变化，从而说明收音机所接受到的信号强度的大小对谐振曲线的影响。

2)基本设计方法

收音机面板采用 ActiveX控件技术，再插入WindowsMediaPlayer对象实现。对收音机的调台操作则是通过创建该对象的属性节点和调用方法节点实现。为了实现调台，这里采用用户自定义事件结构。它的基本实现思路是先“创建用户事件”，再“注册用户事件”，然后判断自定义事件条件是否满足，这里的条件设为:电台信号的频率等于电路的谐振频率(误差为5%)，若满足就“产生用户事件”(进行调台操作)，若不满足，则保持原电台信号不变，事件处理完毕后，再“取消注册事件”和“销毁用户事件”。

3)具体应用

假设有三个电台信号，信号的电压幅值都为10μV，频率分别为 640kHz，820kHz，1024kHz，电路中电感L为250μH，电容C可调(调台)。当调节电容C的值约为150pF时，电路的谐振频率约为820kHz。此时电路选中该频率对应的电台，接着改变C的值，电路的谐振频率变了，电台也就变了。从而实现了调台的目的。