趙江萍

1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 浙江杭州 310058

2.浙江大學(xué)電工電子國家級實驗教學(xué)示范中心 浙江杭州 310058

在“新工科建設(shè)”背景下，電工電子學(xué)實驗作為工科學(xué)生實驗課程的重要組成部分，課程的優(yōu)化和改進(jìn)變得尤為重要[1-4]。通過電工電子學(xué)實驗，學(xué)生不僅可以對電學(xué)理論知識加以驗證，而且能夠進(jìn)行應(yīng)用電路的研究和開發(fā)[5]。然而，傳統(tǒng)的電工電子學(xué)實驗更多關(guān)注學(xué)生對儀器設(shè)備的使用，使得一些實驗中存在大量簡單重復(fù)的測量工作[6-8]。例如，三極管輸出特性測量實驗就需要耗費2～3個學(xué)時，使得學(xué)生在實驗課程中忙著操作儀器和記錄實驗數(shù)據(jù)，很少去關(guān)注實驗原理和實驗方法。如何減少實驗中的簡單重復(fù)操作，讓實驗效果最大化，是亟須思考和解決的問題。

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制的程序開發(fā)環(huán)境，對于測量和控制系統(tǒng)具有較高的開發(fā)效率[9,10]。為此，本文以可編程線性直流電源、數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器和數(shù)字示波器等4臺儀器作為被控對象，基于LabVIEW軟件開發(fā)儀器控制程序，構(gòu)建電工電子學(xué)實驗系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)實驗中存在的大量簡單重復(fù)操作，提高實驗效率和質(zhì)量。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計思路

電工電子學(xué)實驗既需要學(xué)生掌握電學(xué)實驗知識，又需要鍛煉學(xué)生動手操作能力[11,12]。該實驗系統(tǒng)的設(shè)計以此為出發(fā)點，將實驗過程中的儀器設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取進(jìn)行自動化處理，實驗電路的搭建以及儀器設(shè)備非控制線路的連線依舊由學(xué)生完成。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電工電子學(xué)實驗系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分由計算機、路由器、可編程線性直流電源、數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字示波器和實驗箱等構(gòu)成，本次設(shè)計所選用的儀器為北京普源精電科技有限公司(RIGOL)的產(chǎn)品，其中可編程線性直流電源型號為DP832A、數(shù)字萬用表型號為DM3058、函數(shù)信號發(fā)生器型號為DG4202、數(shù)字示波器型號為MSO4034，這些儀器均帶有LAN控制接口。

計算機和儀器采用星型方式進(jìn)行連接，如圖1所示。星型連接以路由器為中心，將計算機和儀器通過網(wǎng)絡(luò)雙絞線與路由器LAN口相連。儀器連接完成后，需要對儀器的IP地址進(jìn)行調(diào)整，使其和計算機的IP處于同一局域網(wǎng)，保證計算機和儀器之間的數(shù)據(jù)鏈路通暢。儀器的IP既可以設(shè)定為固定IP，也可以動態(tài)獲取IP。儀器和實驗箱之間，則根據(jù)具體實驗進(jìn)行相關(guān)測試線纜連接。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

實驗系統(tǒng)的軟件部分由LabVIEW編程實現(xiàn)，主要實現(xiàn)儀器控制、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理等功能。軟件采用模塊化的編程思路進(jìn)行設(shè)計，如圖2所示。在軟件中，首先對儀器的不同操作進(jìn)行模塊化處理，然后每臺儀器調(diào)用其功能控制模塊實現(xiàn)儀器控制。在具體實驗中，根據(jù)實驗內(nèi)容調(diào)用相應(yīng)的儀器模塊完成實驗。程序的模塊化設(shè)計，不僅有利于儀器的互換，而且有利于實驗的擴展。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 軟件架構(gòu)

本電工電子學(xué)實驗系統(tǒng)采用生產(chǎn)者/消費者結(jié)構(gòu)作為主程序架構(gòu)，主程序的前面板和程序框圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 主程序的前面板

生產(chǎn)者/消費者結(jié)構(gòu)由兩個模塊構(gòu)成，其中生產(chǎn)者模塊主要負(fù)責(zé)接收用戶的操作信息，如點擊按鈕或者輸入數(shù)據(jù)，而消費者模塊則是對用戶的操作進(jìn)行響應(yīng)，并做出相關(guān)處理[13]。生產(chǎn)者和消費者的數(shù)據(jù)通過隊列進(jìn)行傳遞，可以有效避免程序中出現(xiàn)競爭和誤操作。此外，該結(jié)構(gòu)具有很好的擴展性，通過編程可以快速添加實驗?zāi)K。

2.2 儀器控制

儀器控制是電工電子學(xué)實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，通過儀器程控可以將手動操作轉(zhuǎn)化為計算機控制下的自動操作、將人工讀取實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為自動獲取。儀器控制通過調(diào)用具體的儀器控制模塊實現(xiàn)，常用的儀器控制模塊有初始化模塊、參數(shù)配置模塊、操作控制模塊、儀器終止模塊和錯誤處理模塊。如圖5所示，是一個函數(shù)信號發(fā)生器的控制程序。

圖5 函數(shù)信號發(fā)生器程序

從圖中程序可以看到，函數(shù)信號發(fā)生器的控制共由5部分組成。在初始化模塊中，LabVIEW根據(jù)函數(shù)信號發(fā)生器的VISA資源名，調(diào)用VISA庫函數(shù)中的I/O接口函數(shù)，實現(xiàn)計算機和儀器的通信，同時下發(fā)指令，完成儀器的初始化操作[14,15]。配置模塊則完成輸出信號的配置，以正弦信號為例，可以對信號頻率、峰峰值和直流偏置等信息進(jìn)行設(shè)置。完成配置后，在控制模塊實現(xiàn)信號的輸出，并可以指定信號的輸出通道。在完成信號輸出后，則可以利用終止模塊結(jié)束對儀器的控制。此外，通常會在最后添加錯誤處理模塊，對當(dāng)前的儀器控制質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)視，一旦發(fā)生錯誤，可以及時糾正。

不同的儀器，操作控制模塊會存在一些差異，函數(shù)信號發(fā)生器和直流電源的操作控制模塊用于控制信號輸出，而萬用表和示波器則用于讀取測量數(shù)據(jù)。每個模塊中封裝的是儀器控制SCPI指令。儀器控制模塊可以根據(jù)儀器生產(chǎn)商提供的編程指令進(jìn)行編寫，也可以到NI官網(wǎng)下載相關(guān)驅(qū)動程序。

3 實例說明

本文的設(shè)計實例為電路頻率特性測量實驗。

3.1 實驗原理

以RC一階低通電路的頻率特性測量為例，其頻率特性測量電路如圖6所示。

圖6 RC一階低通電路

RC一階低通電路由電阻和電容串聯(lián)組成，其中u1為輸入信號，電容兩端電壓u2為輸出信號，即為激勵向量，為響應(yīng)向量，則該電路的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)為：

式中，

電路的頻率特性主要反映輸入信號與輸出信號的電壓幅值與相位之間的關(guān)系。實驗中，通過測量輸入輸出信號就可以得到電路的頻率特性。

在本次實驗中，RC一階低通電路選用的電阻為1 kΩ，電容為0.01 μF，通過計算，可以得到低通電路的截止頻率為15.9 kHz。

3.2 實驗效果

按圖6完成實驗電路連接，同時接入該實驗用到的函數(shù)信號發(fā)生器和數(shù)字示波器。其中，函數(shù)信號發(fā)生器為電路提供一系列幅值不變、頻率逐漸遞增的輸入信號，這里選用函數(shù)信號發(fā)生器通道1作為信號輸出通道；示波器用于測量每個頻率下輸入信號和輸出信號的幅值和相位差，選用示波器通道1測量輸入信號，示波器通道2測量輸出信號。

電路頻率特性測量實驗的界面如圖7所示，為了使實驗過程能覆蓋截止點，故設(shè)置輸入信號的起始頻率為100 Hz，終止頻率為50 kHz，頻率以2 kHz的步長進(jìn)行遞增，共有25個測量點。輸入信號的峰峰值設(shè)置為1 V。

圖7 電路頻率特性測量實驗界面

完成電路連接和軟件參數(shù)設(shè)置后，即可通過軟件程控儀器完成實驗過程，所得的實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 RC一階低通電路頻率特性

實驗得到一條幅頻特性曲線和一條相頻特性曲線。從幅頻特性曲線可以看到，當(dāng)輸出信號幅值下降—3 dB時，所對應(yīng)的頻率大致為16 kHz；從相頻特性曲線可以看到，當(dāng)輸出信號相位偏移—45°時，所對應(yīng)的頻率大致為16 kHz。由此可見，實驗所得的截止頻率與理論計算所得的截止頻率相一致。

在該實驗中，完成單個頻率點的測量時間為2 s，25個頻率測量點共耗時50 s，即在1 min內(nèi)完成RC一階低通電路的頻率特性測量。而傳統(tǒng)的手動測量和數(shù)據(jù)記錄，完成時間大概在20 min。自動測量不僅提高了實驗效率，而且在測試過程中，更容易發(fā)現(xiàn)錯誤，避免錯誤實驗的進(jìn)行。

4 結(jié)語

本文基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境，利用實驗室常用儀器，開發(fā)了電工電子學(xué)實驗系統(tǒng)。本系統(tǒng)操作簡單，易于擴展，儀器互換性高。設(shè)計實例的應(yīng)用，說明通過計算機程控儀器進(jìn)行工作，代替人工測量操作，大大提高了實驗效率和質(zhì)量，使學(xué)生能更加關(guān)注實驗原理和方法。此外，在本實驗系統(tǒng)中，學(xué)生可以自主進(jìn)行程控實驗的開發(fā)，以適應(yīng)新工科對學(xué)生的新要求。該實驗系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用是對電工電子學(xué)實驗的一種探索。