2019年10月16日 | 基于LabVIEW的虚拟电路实验的设计

摘要：文中应用LabVIEW设计了电路课程中常见的实验模块，每个模块都给出了具体的程序设计方案，并最终成功进行了运行调试。基于虚拟仪器的引入，不但可以节约成本，而且更新和调整的实验方法和手段使得实验室的教学设备保持其先进性，提高了实验教学和科研的质量与效率，是实验教学的一个新的发展方向，促进了实验室技术的进步。

传统的实验教学设备陈旧、落后，已经跟不上教育发展的需要，在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高，此外普通实验室涉及仪器调试、管理、易损坏等问题。LabVIEW编程语言灵活、开放、用软件代替了仪器功能，具有良好的用户界面、操作简单等优点，拥有一台虚拟仪器系统，就相当于拥有一个个人实验室。电路课程是电类相关专业学生学习的一个重要环节，课程理论性较强，在计算机上建立虚拟实验室，应用LabVIEW开发平台设计的虚拟实验仪器可以实现该课程中常见的实验，包括支路电流法、一阶动态电路分析、二阶动态电路分析等模块的设计，以此可提高学生学习兴趣，弥补硬件环境下实验教学的不足，改进电路课程实验教学的教学质量，提高教学效果，可以扩展学生的实践平台，为电类基础课程的实验教学提供一种新的辅助手段，即以虚拟仪器为核心，实际操作与计算机模拟仿真相结合的实验教学方式。

1 虚拟仪器程序设计平台

虚拟仪器是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其它技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果，据《世界仪表与自动化》杂志报道，本世纪虚拟式仪器将成为电测仪器的发展方向。

LabVIEW是实验室虚拟仪器工程平台，其全称为Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbeneh(实验室虚拟仪器集成环境)，是美国NI公司开发的基于G语言(Graphies Language)的虚拟仪器开发工具，它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。

LabVIEW创建虚拟仪器的核心是VI，包括程序前面板(Front Panel)、框图程序(Diagram)和图标/连接器。

2 支路电流法实验设计

2.1 前面板设计

通过自定义控件，建立该电路的前面板，如图1所示。其中5个电阻和3个电源元件都是数值型的输入控件，数值均可调;5个数值型显示控件，用来表示5条支路电流。

2.2 程序框图设计

对电路应用基尔霍夫定律列写方程组后再整理成矩阵形式的线性方程组，即

使用单位转换节点实现有单位数据和无单位数据之间的转换，使用MathScript节点生成线性方程组的系数矩阵和已知向量，利用求解线性方程VI即Solve Linear Equations.vi求解。

根据矩阵方程组编写支路电流法分析电路的程序框图如图2所示。

运行程序，结果如图1前面板所示。

3 一阶动态电路设计

动态电路换路时从电路的一个稳态过渡到另一个稳态时出现了动态电路的过渡过程，动态电路分析的目的就是分析过渡过程的电路运行规律。使用LabVIEW对电路的动态过程仿真，可以显示参数的变化曲线，有助于加深对过渡过程规律的理解。

3.1 前面板的设计

搭建电路图，电流IL、I1和I2用XY图显示，前面板如图3所示。

3.2 程序框图

根据三要素法写出各电流的表达式：

根据上式，使用公式节点分别计算IL、I1和I2，程序框图如图4所示。

运行结果如图3所示，公式节点中变量为R2，改变R2值也可重新观察程序运行结果。

4 二阶动态电路设计

以RLC串联电路的零输入响应为例来讨论二阶电路的暂态过程。

已知L=0.4 H，C=0.1 F，uC(0-)=1 V，iL(0-)=0，t=0时刻开关闭合，讨论uC在不同电阻值时的零输入相应，绘出波形图加以比较。

4.1 前面板的设计

创建电路图，结果送至波形图显示。RLC二阶动态电路的前面板如图5所示。

4.2 程序框图

开关闭合后，写出关于电容电压uC的二阶微分方程。

对二阶微分方程式(5)进行拉普拉斯变换，并考虑初始条件，求解差分方程。

如果分母多项式有两个不等的根p1和p2，可得

调用函数选板“数学-多项式”中的部分分式展开式VI即PaaiM Fraction Expansion.vi，可以求解根P和系数A。

程序编写首先需要先判断根的重数，根的重数可以从部分分式展开式VI的输出参数中得到，“残数”数组是一个二维数组，再有两个不等根时，得到的系数数组是两行一列的数组，第一行和第二行的元素分别是两个根对应的系数A1和A2;在有两个重根时，得到的系数数组是一行两列的数组，第一列和第二列的元素分别是该根的一阶和二阶系数A1和A2。

根据式(7)、(9)编写不等根和二重根时的程序框图。

取不同R值，分别运行程序，可观察到各种阻尼情况下的相应波形图，如图5所示。可看出，当R>4 Ω时为震荡波形，当R4 Ω时为单调衰减波形，当R=4 Ω时为二者的临界情况，与理论相符。

5 结束语

文中结合现有条件，采用虚拟仪器技术，实现了基于LabVIEW的电路实验的设计，为高校实验教学设备的不足提供的新的解决方案，使实验教学手段更加先进，实验结果更加直观，并且随着软件的不断更新，能使实验系统的性能和功能更加完善，在将来的实验室的发展中具有广阔的应用前景。