基于NI ELVIS II系统的滤波器实验分层次设计

钟 鹏，王殿生，杨喜峰，王彦芳，石志强

(中国石油大学(华东) a.理学院；b.材料科学与工程系，山东 青岛 266580)

基于NI ELVIS II系统的滤波器实验分层次设计

钟 鹏a，王殿生a，杨喜峰a，王彦芳b，石志强b

(中国石油大学(华东) a.理学院；b.材料科学与工程系，山东 青岛 266580)

基于NI ELVIS II系统和LabVIEW开发平台，设计了分层次的滤波器实验. 在基础训练层次，利用NI ELVIS II系统内部集成的相关仪器进行一阶高通滤波器电路参量测量、激励信号输入以及响应信号检测，并通过LabVIEW数据处理例程，实现截止频率、幅频特性参量的计算和幅频特性曲线的绘制.

滤波器；分层次；NI ELVIS II；LabVIEW

RC滤波器具有电路简单、抗干扰性强、低频性能好等优点，在仪器仪表设计中至关重要. 中国石油大学(华东)将该实验列为“智能仪器原理及设计”、“智能检测技术”和“传感器原理及应用”等课程的必修实验项目. 传统的实验方式是采用万用表、交流电压表、函数信号发生器、示波器等分立仪器和相关电子元件组合搭建测量电路[1]，使学生掌握各电子设备的使用方法，并理解滤波器的原理和工作特性. 实践证明该实验在提高学生电路分析及动手能力方面起到了良好作用.

虚拟仪器是以计算机为硬件平台、由用户设计定义虚拟面板. 通过测试软件实现测试功能的计算机仪器系统，目前已成为仪器发展的重要方向之一[2]. 2012年中国石油大学(华东)引进了NI ELVIS II虚拟仪器实验教学套件(Educational laboratory virtual instrumentation suite， ELVIS). 它是美国国家仪器公司于2008年推出的基于LabVIEW软件设计和原型开发的实验教学平台，具有集成度高、扩展性强、性能优越、体积小等优点，可实现教学仪器、数据采集和实验设计一体化，是提高学生实践动手能力、培养学生创新性思维的有效手段[3-4]. 基于该平台，目前已开设串联谐振电路、光纤位移传感、直流电机转速测控和电路参量测试系统等实验[5-8]. 本文采用该系统，针对不同层次学生的需求，设计了基础训练与创新设计相结合的滤波器实验. 与传统实验方式相比，学生不仅可以深刻理解RC滤波器工作原理和特性，还能应用NI ELVIS II虚拟仪器教学平台开展创新实验设计，掌握虚拟仪器的基本思想.

1 基于NI ELVIS II的滤波器实验方案

1.1 NI ELVIS II系统的构成

NI ELVIS II系统集成了12款常用仪器，包括数字万用表(DMM)、示波器(Scope)、函数发生器(FGEN)和任意波形发生器(ARB)等,结构如图1所示，它主要由硬件和相应的驱动软件构成.

图1 NI ELVIS II系统构成图

硬件分为工作台和原型板:工作台集成了DAQ卡和保护电路板以及部分虚拟仪器的接线端子和调节旋钮；原型板与工作台相连，其两侧的插孔接线条提供所有信号的端子，中间区域用于搭建电路. PC上NI ELVIS驱动软件包括前面板(SFP)虚拟仪器和LabVIEW ELVIS 应用接口程序(API). NI ELVISmx是基于LabVIEW的软前面板(SFP)工具，可实现人机交互，LabVIEW ELVIS API通过USB即插即用功能，控制DAQ卡，对仪器进行配置[9-10]. 系统各仪器响应速度快，精度高，可对设计电路完成各种激励与检测，适合智能检测技术方向的课程教学.

1.2 分层次实验设计方案

根据“智能仪器原理及设计”等课程教学要求，本实验目的是掌握滤波器原理，了解NI ELVIS II系统的构成并能熟练操作，同时学会LabVIEW基本编程，内容丰富，综合性强. 如果设计成传统的验证模式，则创新能力得不到培养；如果采用设计模式，则由于知识点多，学时有限，教学效果也不理想，因而提出分层次的实验设计方案. 分层次教学遵循学习循序渐进原则，使学生首先用验证的方法进行部分实验，获取并理解理论，然后应用理论进行创新性实践，从而掌握该项技术[11-13].

结合滤波器实验原理和NI ELVIS II实验平台的特点，具体方案如下：

1)以一阶高通滤波器作为基础训练实验内容. 该内容以验证性为主，主要依据实验讲义，教师指导学生完成实验. 通过基础训练，学生掌握滤波电路的设计方法，了解幅频特性，熟悉NI ELVIS II系统以及LabVIEW例程的使用. 基础训练层次实验加深学生对理论知识的理解，熟悉虚拟仪器平台和软件的结构与功能.

2)以低通滤波器和带通滤波器等作为创新性设计实验内容. 学生自主设计实验方案，并应用LabVIEW软件编写数据处理程序，分析幅频特性和相频特性. 创新设计层次实验重点培养学生的综合分析能力和设计开发能力.

2 高通滤波器幅频特性原理

对于信号频率具有选择性的电路称为滤波电路. 它的功能是允许特定频率范围内的信号通过，阻止其他频率信号通过. 按滤波电路工作频带，滤波器分为高通滤波器(HPF)、低通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BEF)和全通滤波器(APF)等[14-16].

高通滤波器(HPF)电路如图2所示，其截止频率f01可表示为

(1)

式中R1和C1分别为滤波器电阻和电容. 频率高于f01的信号能够通过，而低于f01的信号被衰减[14]. 幅频特性的理论值H1(ω)和实际值H1′(ω)分别为

(2)

(3)

图2 一阶高通滤波电路图

幅频特性的相对误差δ1可表示为

(4)

测量电容C1和电阻R1值，由式(1)可求出截止频率；输入一定频率的交流信号，测出其输入和输出电压，由式(3)可得到其幅频特性的测量值.

3 基于高通滤波器基础性训练实验设计

NI ELVIS II系统搭建模拟电路需要将元器件插在原型板的中间区域，即面包板上，插孔较小且密，电路搭建费时费力，且容易出错，严重时会损坏系统. 因此，自制了滤波器实验电路板，板上焊接不同的阻容元件和相应接线端子，用于搭建各类滤波器. 使用NI ELVIS II系统和实验电路板进行高通滤波器实验.

1)电路元件值的测量

将NI ELVIS II系统与电脑连接，打开控制软件NI ELVISmx的数字万用表(DMM)控制面板，使用工作台上相应接口测量实验电路板元件的值. 由欧姆挡测量电阻R1值，由电容挡测量电容C1值. 测量结果输入基于LabVIEW开发的幅频特性计算面板“R1”和“C1”数值框中，例程将求出截止频率f01并给出信号输入各频率点.

2)原型电路的搭建

在实验电路板上搭建如图3所示的一阶高通滤波器电路. 函数发生器XFG1可选择NI ELVIS II系统的函数信号发生器(FGEN)，也可选择任意波形发生器(ARB)，它与滤波器输入端相连，产生正弦交流信号作为激励信号，示波器XSC1选择工作台上的双路示波器(SCOPE)，一路检测输入信号，另一路检测输出信号.

图3 一阶高通滤波器实验系统仿真图

3)高通滤波器幅频特性的测量

由式(3)，激励信号的幅值保持不变，使频率从低到高变化，观察并测量输出信号的幅度，可得到滤波器的幅频特性. 具体实验步骤为：在XFG1软面板上设定频率和幅值，控制激励信号输出，幅值有效值由DMM交流电压挡在电路输入端测量，填入计算面板的Uieff(V)框中，实验过程中保持不变，频率则根据例程中“倍数”数组的值调整，该数组均匀覆盖截止频率f01从0.2～2倍的区间，实验点设置合理，现象明显. 每改变一次频率设定，使用DMM交流电压挡测量输出信号有效值，填入计算面板Uoeff(V)数组中，数据处理过程自动完成.

4)基于LabVIEW的滤波器数据处理例程

滤波器幅频特性计算面板例程应用于整个实验过程，完成实验数据处理功能. 其前面板如图4所示，是用户与计算机交互的平台，有输入控件和输出控件. 输入控件包括数值输入和按钮等，输出显示控件包括波形图、数值显示等. 具体使用方法如下：输入R1和C1值，则截止频率f01以及各输入信号频率点自动求出；Uieff为输入信号幅值，Uoeff为不同输入频率下的输出信号幅值，都由DMM测量获得；幅频特性理论值H1、幅频特性实验值H1′、幅频特性相对误差δ1以及lgf/f01等参量由例程根据式(1)～(3)在程序后台自动计算完成，由前面板显示并绘制出幅频特性曲线.

图4 前面板

高通滤波器实验的数据处理程序框图如图5所示，它是程序的图形化源代码，从前面板上的输入控件获得用户输入信息并传递给CPU进行运算和处理，然后反馈给输出控件进行显示. 本程序使用了LabVIEW软件的诸多基本要素，例如：使用字符串变量完成前面板名称的显示，使用布尔子模板完成程序启动功能，使用数值控件和数组控件完成参量的输入和计算结果输出功能，使用公式节点和循环结构等结构子模块完成公式的计算，使用图形控件完成幅频特性绘制等功能. 该例程展示了LabVIEW强大的运算功能，可以激发学生的研究兴趣，并且为创新性设计实验提供了编程范例.

图5 高通滤波器实验的数据处理程序框图

4 创新性设计实验的内容与要求

学生掌握基础性实验后可进行创新设计层次实验. 创新实验的教学模式以学生自主设计为主，教师辅导为辅. 要求参考高通滤波器幅频特性实验，自行设计一阶低通滤波器(LPF)和带通滤波器(BPF)幅频特性和相频特性的实验方案，具体内容包括：

1)掌握LPF和BPF原理，绘制电路原理图；

2)根据原理图，使用实验电路板搭建电路；

3)确定具体的NI ELVIS II系统的相关激励和测量设备，与实验电路板连接；

4)参照高通滤波器实验例程和LabVIEW软件使用手册，编写LPF和BPF幅频特性和相频特性各参量的数据处理程序，并写出例程的使用说明；

5)测量和计算各参量，并使用自编的LabVIEW例程完成实验.

5 结束语

利用NI ELVIS II系统设计的分层次滤波器特性实验已经在“智能仪器原理及设计”等课程实验教学中应用. 通过基础训练实验，学生掌握了高通滤波器工作特性，了解了NI ELVIS II系统以及LabVIEW软件的功能；通过创新性设计实验，学生掌握了低通滤波器和带通滤波器特性，并在自主实践中熟练使用NI ELVIS II系统，能应用LabVIEW软件进行基本编程. 循序渐进的滤波器实验设计，遵循了学生认识和学习知识的规律，激发了学生深入探究的兴趣，取得满意的教学效果，为学生在LabVIEW中控制NI ELVIS II系统，进一步进行虚拟仪器的研究与设计，打下坚实的基础. 该实验设计思想对于通信工程、单片机原理等其他应用性强的课程实验设计也将具有启迪作用.

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[责任编辑：尹冬梅]

Filter design experiment based on NI ELVIS II system

ZHONG Penga, WANG Dian-shenga, YANG Xi-fenga, WANG Yan-fangb, SHI Zhi-qiangb

(a. College of Science; b. Department of Materials Science and Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Filter experiments in various levels were designed based on NI ELVIS II system and LabVIEW platform. In the grounding level, circuit parametric measurement about a first order high-pass filter, excitation signal input and response signal detection were performed using the relevant instruments integrated within the NI ELVIS II system. The cut-off frequency and the amplitude-frequency characteristic parameters were calculated and the curve of amplitude-frequency was draw using LabVIEW data processing routine.

filter; level; NI ELVIS II; LabVIEW

2016-07-31

中国石油大学(华东)教学实验技术改革项目(No.SY-B201407)；中国石油大学(华东)教学改革项目(No.YK201407)

钟 鹏(1975-)，女，辽宁阜新人，中国石油大学(华东)理学院实验师，硕士，从事检测技术、自动控制等研究.

王殿生(1965-)，男，黑龙江依兰人，中国石油大学(华东)理学院教授，博士，从事电磁理论及应用技术等研究.

TP391.9；TN713

A

1005-4642(2017)07-0017-04