基于L a b v i e w的“L R C串联电路谐振特性”实验教学系统的设计与实现

黄 京

（武汉职业技术学院 机电工程学院，武汉 430074）

虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，综合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，虚拟仪器的出现完全改变了传统仪器教学的概念与方式，虚拟仪器的一个重要概念是“软件就是仪器”，虚拟仪器可充分发挥计算机的作用，减少对实验室硬件仪器的依靠，利用计算机强大的软件功能实现信号数据处理，具有降低成本、一机多用、测试精度高等优点，因此虚拟仪器在经济性、灵活性和可拓展性等方面都有独特的优势[1]。Labview是NI（美国国家仪器）公司开发的一种基于G语言（Graphical Programing language）图形化的编程语言的虚拟仪器软件开发工具，在全球虚拟仪器领域占有垄断地位[2]。此外，Labview用图标、连线和框图代替传统的程序代码，具有结构清晰、简单易学，开发周期短等特点。本文结合“LRC串联电路谐振特性”实验，设计了一个基于Labview的虚拟仪器实验教学系统。

一、电路原理图

在无线电电子技术中，LRC串联谐振电路的应用非常广泛，图1是其电路原理图。

图1 LRC串联电路谐振特性电路原理

从理论上分析可知[3]：①谐振时，回路阻抗等效为纯电阻；②在保持电源电压U恒定的条件下，谐振时，电流有极大值，且I=U/R，当f偏离f0，电流减少，偏离越多，电流越小；③谐振时，电容或电感上的电压是电源电压的Q倍，即Q=UC/U=UL/U。

二、系统功能的实现

根据实验教学的目的和相关技术指标来设计系统可实现的功能，主要包括：

1）用户可以根据实验内容的要求选择各器件的参数值。

2）用户可根据实验系统提供的器件的设定值实时显示串联谐振频率f0和品质因素Q的理论值。[4]

3）使用NI ELVIS平台提供扫频信号，可以清楚看到在不同信号频率加载到谐振电路上时的相应变化曲线。

NI ELVIS II平台是美国NI专为高校开发的一款实验教学虚拟仪器套件平台，结合软件，可以实现12种最为常用仪器功能（包括：示波器、数字万用表、函数发生器、各类电源和波特图分析仪），是实验室或课堂应用的理想之选，同时基于Labview图形化系统设计的NI ELVIS，配有USB即插即用功能，可提供虚拟仪器的灵活性并能针对各种测量进行快速方便的采集与显示。在本实验系统中，该平台提供谐振电路所需的扫频输入信号。

三、系统的功能面板设计

在满足实现系统功能的前提下，加强前面板的交互性，如操作简便、美观等。在Labview中，前面板是用户操作的界面，用于设置输入参数并观察输出波形图，生成模仿传统仪器的控制面板[5]。“LRC串联电路谐振特性”的实验教学系统前面板设计如图2所示。

图2 LRC串联电路谐振特性实验教学系统前面板

1）实验电路的原理图及参数设置部分，包括各实验器件的设定值，根据设定值计算出相应的谐振频率f0和品质因素Q的理论值，同时也包含实际采集卡的参数配置，包括物理通道设置、采样率、每通道采样数及采样模式。

2）扫频信号电压波形显示部分，可以显示输入的扫频同时包括两个显示控件用于显示幅值和频率值。

3）实验结果显示部分。该部分用户可以观察到电阻R上波形的频率和幅值的变化趋势，随着输入波形频率的变化，可以实现理论与实际曲线的对比。

四、系统的Labview程序设计

根据电路原理的理论关系及系统实现的功能，系统的程序设计框图如图3所示。

图3 LRC串联电路谐振特性实验教学系统程序框图

系统程序设计的框图中对于实际输入信号的采集，使用了“提取单频信号”函数来实现。

五、系统的测试

本文采用的是以虚拟仪器的手段来进行实际的教学实验，除了计算理论值，更重要的是在实验器件参数相同的条件下，进行实际与理论上的对比，其中实际的扫频信号使用NI ELVIS中的FGEN功能来实现。在其软件界面上可以设定其起始频率和截止频率，如图4所示。

实验结果测试的波形图如图5所示。

图4 ELVIS FGEN函数功能界面

图5 实验测试结果

通过实际的测试，本文的测试结果与理论上的计算值相吻合，达到了教学和实践相结合的目的。

六、结束语

基于Labview开发的LRC串联电路谐振特性的实验系统，从实验结果看程序设计效果非常理想，反映了LRC串联谐振电路的谐振现象和规律，系统的应用有利于帮助学生加深对串联谐振电路相关理论的理解，让学生在掌握理论知识的基础上联系实际、熟悉常用电路的特点，并且还能够激发学生自己动手创建虚拟仪器的兴趣[6]，培养学生的动手能力和创新能力，从而提高整体教学水平。

[1]张毅，周绍磊，杨秀霞.虚拟仪器技术分析与应用[M].北京：机械工业出版社，2004：4-7.

[2]余成波，冯丽辉，潘盛辉.虚拟仪器技术与设计[M].重庆：重庆大学出版社，2006：6-9.

[3]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京：高等教育出版社，1988：511-523；642-662；718-732.

[4]王红晨.基于LabVIEW的“LRC串联电路谐振特性的研究”仿真实验教学系统的设计与实现[J].海南师范大学学报（自然科学版），2009，22（1）：97-99.

[5]梁秋明，田梦君.基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现[J].电子测量技术，2009，34（3）：158-161.

[6]蒋漪涟.基于LabVIEW电子信息类实验教学系统的设计与实现[J].现代电子技术，2011，34（16）：152-154；160.