基于LabVIEW的电磁学仿真实验设计与实现——以“RLC电路稳态系列实验”为例

张淑萍，冯正南

(北华大学 理学院，吉林 吉林 132001)

LabVIEW是一种虚拟仪器开发环境，又称G语言。它区别于C和BASIC开发环境的典型特征是它使用图形化的编程环境，使用图标和连线代替文本的编程形式。LabIEW图形编辑环境给了用户很大的便利，用户只需在自己定义或设计好的仪器流程或逻辑框图內积木式地放进从LabVIEW编程环境中取出的对应“部件”便可形成一台满足用户需要的仪器[1]。LabVIEW软件提供了丰富的数学函数图形化的输入输出控件，可以轻松地实现虚拟的信号发生器、示波器、万用表和数据记录仪等功能[2]。更重要的是基于LabVIEW程序开发物理实验仪器难度不大，简单易学，用户通过鼠标等输入设备，可以方便地与计算机进行信息交流[3]。如果将VI与传统标准仪器相比较，前面板就相当于仪器面板，而程序框图相当于仪器箱内的功能部件[4]即使是理学院的学生稍做研究也能很快上手使用。

RLC电路的稳态特性是《普通物理实验》Ⅱ(电磁学部分)的主要内容，主要研究RC电路、RL电路和RLC电路在电路稳定状态下电压与电流相位差等随频率变化的规律，其公式推导复杂，计算和作图也十分繁琐。在传统实验教学中,学生课前预习不够直观,是造成实验时间长、效率低等问题的主要原因[5]。利用LabVIEW软件平台，对RLC电路稳态系列实验进行仿真设计，充分适应当前大环境下时常线上授课的形势，也可以让学生参与到实验设计、数据处理与分析等内容的仿真开发中来,有利于培养学生的综合设计能力和创新思维能力，更有利于不同学科之间的交叉与融合。同时也可以提高学生实验效率，为教学和实验研究带来便利。

1 相关的物理原理

在RLC串联电路中,若加在电路两端的正弦交流信号保持不变，则当电路中的电流和电压变化达到稳定状态时，电流(或某原件两端的电压)与频率之间的关系特性称为幅频特性：电压、电流之间的相位差与频率之间的关系特性称为相频特性[6]。LRC电路的稳态特性系列实验包括RC串联电路、RL串联电路以及LRC电路的稳态特性实验。实验主要研究交流信号的幅频特性和相频特性，同时学习使用双踪示波器，并掌握相位差的测量方法，复习、巩固交流电路中的矢量图解法和复数表示法。

以RLC串联电路的相频特性实验为例，由于交流电路中的电压和电流不仅有大小变化而且还有相位差别，因此常用复数及其几何表示—矢量法来研究，由复电压与复电流之比得到的阻抗也式复数即复阻抗。

复阻抗为：

分三种情况讨论：

2 虚拟实验的实现过程

总体程序应用While循环及条件结构与事件结构，可用布尔值来控制循环的开始与停止，通过布尔值改变生成不同事件的发生。

2.1 频率信号发生器以及输入电压、电阻箱、电容箱、电感箱的设计

频率信号发生器以及电阻箱、电容箱、电感箱均使用数值输入控件，其中频率信号发生器与输入电压输入的值即为频率值与输入电压值，电阻箱、电容箱、电感箱考虑到有小数位，所以数值输入控件要与数值控件中的“加”“乘”配合使用，以便可以生成小数位，更好地符合实际情况。

2.2 电阻电压、电容电压、电感电压、相位差等的计算的设计

运用数学控件中的“公式Express Ⅵ”来实现计算并输出对应值。首先将已将设置好的频率值、电阻值、电压值、电感值、电容值放置于“公式Express Ⅵ”的输入端，并在“公式Express Ⅵ”中输入相应的数值公式，经过计算输出即为设定值。

2.3 曲线波形图、李萨如图形的生成的设计

在信号处理控件中选择“正弦波形Ⅵ”，其中，“正弦波形Ⅵ”需要几个必要的输入参数，分别为振幅、频率、相位差，分别将电压值、频率值、与对应计算的相位差与“正弦波形Ⅵ”的对应输入端相连，在经过输出，即为正弦波形图。再应用“捆绑(函数)”与“簇至数组转换(函数)”，与“波形图表Ⅵ”相连，在运行之后，即可在界面图像窗口处显示图形。

2.4 生成李萨如图形

使用“创建XY图Express Ⅵ”,将生成的两个正弦波形分别作为X、Y使之垂直叠加，将“创建XY图Express Ⅵ”的输出端与一个“XY图Ⅵ”相连，则用户界面的XY图中显示李萨如图形。为实现用李萨如图形计算相位差，将用户界面的XY图形属性-游标中点击“显示游标”。在程序面板中，“创建XY图Express Ⅵ”输出端相连的“XY图Ⅵ”，创建其属性节点，调用对应XY图的游标位置，通过右击游标位置来创建属性节点值，将对应的位置坐标显示在用户显示界面。

2.5 导出数据、保存数据、生成图像的设计

应用事件条件结构，设置“导出数据”，“保存数据”，“生成图像”三个布尔型按钮，设置三个条件结构，对应每个布尔值发生改变，则运行对应的事件条件的内容。导出数据的布尔按钮值发生变化，则会将仿真数值生成到表格中，保存数据的布尔按钮数值发生变化，则会把仿真数据以文本的形式导出到桌面，但需要事先设定好导出位置。生成图像的布尔按钮值发生变化，则会运行生成图像的程序，该程序会读取仿真数据的对应文件，以及实验数据，以读取的第一列数据为X轴，第二列数据为Y轴，并将X、Y的数据通过“捆绑(函数)”、“创建数组(函数)”来输入到“XY图Ⅵ”中，这样就可以在用户使用界面的对应XY图形总显示图像，但需要事先设定好读取文件的位置。在程序运行过程中，可以重复点击。

2.6 对于生成数据的清除与再显示

在事件结构中，设置“清除仿真数据”，“显示仿真数据”两个布尔型按钮，当其中一个发生变化时，就会执行其对应事件结构中的程序。“清除仿真数据”的布尔值发生改变，就会将原本程序运行保存的数据替换为空，就把原本的数据清空，若“显示仿真数据”的布尔值发生变化，则会将已经清空的空数据区替换为原本的仿真数据，则显示仿真数据。数据处理模块使学生摆脱繁琐的计算，集中精力于实验本身，学习者通过该模块对实验数据进行处理和分析[7]。

3 虚拟RLC电路稳态实验的使用方法

首先点击程序左上方的白色箭头来运行此Ⅵ。输入相应的参数分别有：电阻R的值、电感L的值、电容C的值、频率f的值、输入电压U的值。每次改变频率值之后，对应的电阻电压UR、电感电压UL、电容电压UC、以及相位差φ会发生相应的变化，其次，每次改变频率的对应波形图也会发生变化。

每次改变一个频率值，点击“导出数据”按钮，便会将对应频率下的电阻电压UR、电感电压UL、电容电压UC、以及相位差φ导入到数据表格中，以此类推，直至此次实验所需频率输入完毕，即可点击“保存数据”按钮，从而将此次实验生成的所有数据保存到桌面的TXT文本中。接下来生成图像，点击“生成图像”按钮，即可在界面的图像显示去看到本次仿真的数据所绘制图像以及实验数据所绘制的图像，实验图像与仿真图像都在同一个图中，可以便于对照，观察仿真数据与实验数据之间的差异。

4 结论与总结

基于LABVIEW的RLC电路稳态系列仿真实验基本达到了设计要求并通过了严格的测试实验，仿真操作能够满足实验要求，在仿真操作中可直观地观察实验现象，并通过改变实验参数观察RLC电路系列实验相频特性和谐振时电流与电压的幅值、相位的变化情况。仿真实验过程中,可以实时监测实验参数与数据,即时保存数据，采集数据，生成幅频和相频等一系列实验图像并完成数据处理，仿真数据和实验数据完全吻合。在实际教学应用中，仿真实验以其时空的灵活性，充分发挥了计算机技术和网络技术的优势，打破时间、空间和仪器数量的限制，可服务于学生实验预习和复习需求，让学生能够在任何时间、任何地点进行实验，极大地提高了实验教学的灵活性[8]。极大地降低了实验和维护的成本[9]。为实验室建设提供了宝贵的经验。是混合式课程改革的一部分[10]。