基于LabVIEW技术的模拟电路实验的设计.docx

基于LabVIEW技术的模拟电路实验的设计.docx

《基于LabVIEW技术的模拟电路实验的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于LabVIEW技术的模拟电路实验的设计.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于LabVIEW技术的模拟电路实验的设计

摘要

虚拟仪器是当今仪器技术发展的重点，LabVIEW是一种图形化编程语言，作为数据采集和仪器控制软件的标准被广泛性应用于工业界、研究性课题。

论文主要研究基于LabVIEW的模拟电路实验系统的设计，设计过程中的虚拟积分微分器采用图形化编程语言LabVIEW进行设计，通过各种波形信号的输入，对其各种参数进行设置，然后利用信号选择器选择所要输入的信号，然后经过程序的处理之后在前面板上显示积分微分前后的变化，在波形图中显示输入输出信号的波形，观察虚拟积分微分器的结果，得出结果与理论分析的结论是一致的。

设计的积分微分器能对正弦波、方波、三角波等波形进行正确显示和积分微分处理。

关键词：

积分器；微分器；LabVIEW

TheDesignofAnalogCircuitExperimentSystem

BasedonLabVIEW

ABSTRACT

Virtualinstrumentistheinstrumenttechnologydevelopmentfocus,LabVIEWisagraphicalprogramminglanguage,asdataacquisitionandinstrumentcontrolsoftwareiswidelyusedinindustry,academia,researchtopic.

ThepapermainlystudiesthedesignofanalogcircuitbasedonLabVIEW,andthedesignprocessofvirtualdifferentialdeviceusesthegraphicalprogramminglanguageLabVIEW,throughvariouswaveformsignalinput,andsetvariousparameters,useasignalselectortoselecttheinputsignal,throughtheprocessoftreatmentinthefrontpaneldisplayintegralanddifferentialchangeinthewaveformdisplay,anddisplaytheinputandoutputsignalonthewaveformgraph,analyzethevirtualintegraldifferentialactuatorresult,theresultiscommonwiththeconclusionofthetheoreticalanalysis.Inthispaper,thedesignofintegraldifferentialdevicecapableofsinewave,squarewave,trianglewave,waveformdisplaycorrectlyanddifferentialtreatment.

Keywords：

IntegralDevice;DifferentialDevice;LabVIEW

1绪论

1.1课题研究的意义

目前,电路和电子技术实验是电类专业学生必修并且非常重要的专业基础课，实验中常用的传统仪器包括:

数字万用表、函数信号发生器、示波器、直流稳压电源等。

很多专业性实验还需要一些特殊仪器，比如波特仪、直流电桥、逻辑分析仪等。

熟练使用仪器是学生通过实验必须具备的一个基本技能,但实验中往往由于学生紧张,仪器较多，结果学生经常忙于调节仪器而没有太多时间专注于对实验原理的研究和实验结果的分析,导致实验的效果并不理想,也不利于学生更深层次的学习和提高。

虚拟仪器的设计思想是基于计算机的强大功能,采用接口标准化的硬件进行数据采集,而对数据的分析、处理、显示则通过软件编程实现,即采用“软面板”,用户自己定义仪器功能。

我们可以在通过电路实验练习掌握传统仪器,在这种基础之上接触并学习虚拟仪器，并将虚拟仪器运用到电子技术实验中,就可以减少对仪器问题的困惑,而使我们分析及解决问题能力得以提升,并且可以早点通过使用虚拟仪器提前与专业接触,更有利于与后续专业课的学习和提高[1]。

积分微分器的实质是对信号进行处理，传统的积分微分器的设计是用窗口函数将理想积分微分器的脉冲响应截断来实现的，不同的窗口函数以及不同的窗口宽度对设计的积分微分器都有较大的影响。

对于虚拟仪器来说，则具有丰富的函数功能、数值分析、可编程性以及直观等众多优势。

因此，研究虚拟积分微分器具有十分重要的实际意义。

LabVIEW是一种图形化编程语言，作为数据采集和仪器控制软件的标准被广泛应用于工业界、学术界和研究性实验室。

LabVIEW是功能强大、灵活的多平台仪器和分析软件系统。

通过采用虚拟仪器开发语言LabVIEW开发一个积分微分器，阐述基于LabVIEW的虚拟仪器在模拟电路实验中应用的实践性，并完成系统的仿真调试，让学生能够真正地的理解并完全地掌握LabVIEW技术。

1.2本文研究内容

本文要求结合虚拟仪器技术和软件编程技术完成设计并实现一个虚拟积分微分器，完成对系统的检测与调试。

整个系统分两个部分，即硬件部分与软件部分，硬件部分主要由计算机和数据采集模块组成。

数据采集模块可采用模拟仿真信号或者数据采集卡，本文重点放在积分微分器的参数设置和功能设计的实现。

本文首先进行虚拟积分微分器的整体设计，掌握虚拟仪器的软件编程环境LabVIEW的使用。

然后，用LabVIEW编程实现虚拟仪器的采集模块、参数测量模块、积分微分处理模块的设计。

再进行检测仿真。

本文文章的主要安排：

第一章：

绪论部分，综述本文的可以研究意义、内容及其背景。

第二章：

虚拟仪器的发展史和概念，以及图形化编程语言LabVIEW软件的基本介绍。

第三章：

积分微分器的介绍，比如积分微分运算、原理及其应用等。

第四章：

本文的关键部分，即对虚拟仪器VI的设计和积分微分器的设计，主要是前面板和程序框图的设计，将所设计的虚拟积分微分器进行实验，验证所设计的虚拟积分微分器运行可靠。

第五章：

论文总结。

2虚拟仪器简介

虚拟仪器是上世纪90年代初期出现的一种新型仪器，是现代实验室的基础。

虚拟仪器由计算机、软件、模块式硬件组成，这些软硬件组合并它配置后模拟了传统的硬件仪器功能。

虚拟仪器也称为LabVIEW程序。

由于其功能是由用户软件定义的，所以虚拟仪器功能非常灵活、强大而又经济。

因此，虚拟仪器代表了当前测试仪器发张的方向之一，使人类的测试技术进入了一个新时代。

2.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器简称VI，是美国国家仪器公司于1976年最早提出的[2]。

它既具有传统仪器的功能，又区别于其他系统仪器，它能充分发挥利用计算机技术的应用，使仪器的测量和测试以及调试仿真等变得简单。

虚拟仪器是现代实验室的基础，其由计算机、应用软件和模块式硬件组成，也称之为LabVIEW程序。

由于其功能是由用户软件定义的，所以虚拟仪器功能非常灵活、强大而又经济。

虚拟仪器是指通过应用程序把计算机的功能模块和仪器硬件部分结合在一起，用户通过虚拟前面板来操作计算机从而完成对信号的采集、分析、仿真、显示等。

虚拟仪器的实质就是充分利用计算机技术来实现传统仪器的功能。

系统框图如图2-1所示。

图2-1虚拟仪器系统框图

2.2虚拟仪器发展史

虚拟仪器是现代实验的基本组成部分，虚拟仪器的发展主要经历了五个重要的时代，下边将各个时代的主要仪器代表作出简单介绍。

（1）第一模拟时代

以电磁感应基本原理为基础的指针式仪器，如电流电压表，万用表等。

（2）第二代分立元件式仪器

20世纪50年代出现电子管、60年代出现晶体管，从此测试仪器就进入了电子晶体管时代。

（3）第三代数字化仪器

20世纪70年代，随着集成电路的出现，出现了以集成芯片为基础的第三代仪器，代表有数字万用表、数字频率仪等。

（4）第四代智能仪器

微电子技术的微处理器的出现，使虚拟仪器进入了以微处理器为基础的时代。

（5）虚拟仪器

虚拟仪器出现在上世纪90年代，它是一种新型仪器，它具有超越性，它将以前由硬件完成的信号处理工作交由计算机软件进行处理完成，从而使仪器的硬件功能的软件化，给测试带来了巨大的改进，可以说，虚拟仪器的诞生是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域的一次新的改革。

因此，虚拟仪器代表了当前测试仪器发展的方向，使人类的测试技术进入了一个新时代。

我国基本还处于传统仪器跟计算机仪器分离的状态，结合我国的基本情况，我们必须一边引进先进仪器设备，一边自行研究开发，才能使我国在虚拟仪器这块领域站住脚。

发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展以图形化为基础的软件，充分利用我们现有的计算机及测控技术硬件，缩短与国际先进水平的差距。

随着计算机跟测控技术的发展，虚拟仪器的性能、集成、网络等都将有所提升[3]。

虚拟仪器不仅能实现传统仪器的各种功能，而且还具有传统仪器无法比拟的优点。

虚拟仪器与传统仪器的区别如表2-1所示。

表2-1虚拟仪器与传统仪器的区别

虚拟仪器

传统仪器

用户自定义仪器功能

只有厂家才能定义仪器功能

关键是软件，系统性能强

关键是硬件，系统性能一般

可与网络连接

与其他设备连接受限制

技术更新时间短

技术更新时间长

数据可以编程、打印

数据无法进行此操作

维护费用较低

维护费用高

价格低廉

价格昂贵

开放、灵活性强

封闭性、配合差

2.3图形化编程语言LabVIEW

LabVIEW是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench的缩写，它是一个使用图形符号来编写程序的编程环境。

LabVIEW是一个功能强大的仿真工具，常用于从外部数据源获取数据，并拥有众多与这些功能实现相关的VI。

LabVIEW可以通过GPIB总线实现数据的传输[3]。

它它不同于传统的编程语言，如C语言，C++或Java，这些语言使用文本方式编程。

然而，LabVIEW不仅仅是一种编程语言，它还是为科学家和工程师等设计的一种编程开发环境和运行系统，编程知识这些人工作的一部分。

主要以框图形式编写程序，用于数据采集、仪器控制等领域，作为一个比较完整的软件开发环境，它为我们提供了实现仪器编程和数据采集系统的简化方法，可以大大提高工作效率。

一个完整的LabVIEW程序包括三个主要的组成部分，即前面板、框图和图标。

简单的说，前面板就是一个窗口，用户通过它与程序交互。

当运行VI时，必须打开前面板，以便向执行程序输入数据。

前面板主要由控件和指示器组成，控件可以让用户输入数值，向VI的框图提供数据。

指示器显示由程序产生的输出信息。

用户可以使用鼠标和键盘进入输入，然后在屏幕上观察程序产生的结果。

框图保存LabVIEWVI的图形源代码，由LabVIEW的图形化编程语言构成。

框图是实际可以执行的程序，前面板上的对象对应于框图上的终端，这样数据可以从用户传送到程序及再传回用户。

图标是VI的图形表示，用于把LabVIEW程序变成一个子程序，以便在其他程序中调用。

2.4LabVIEW的开发环境

所有的labVIEW应用程序都是由前面板、流程图以及图框三部分组成[4]。

（1）前面板：

是图形用户界面，用户输入控制和输出显示来构成。

控制是用户输入数据到程序的接口，而显示是输出程序产生的数据接口。

控制和显示是用各种图形形式显示在前面板，具体表现为：

旋钮、开关、图形图标以及其他控件和显示的对象等，这使用户界面更加直接观察和理解。

（2）程序框图：

由节点、端点、图框和连接线四种元素构成。

labVIEW有两种节点类型，函数节点和子VI节点。

labVIEW以编译好的机器代码供用户使用，而子VI节点是以图形语言形式提供给用户，用户可访问和修改任一子VI的节点代码，但无法对函数节点进行修改。

（3）图框是labVIEW实现程序结构控制命令的图形表示。

如循环控制和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方式。

代码接口节点是框图程序与用户提供C语言文本程序的接口。

3积分微分器介绍

3.1积分微分运算的原理

（1）积分电路

积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即其输出电压与输入电压成正比。

反向积分电路如图所示，电容C引入交流并联电压负反馈，运放工作在线性区[5]。

由于积分运算是对瞬时值而言的，所以各电流电压均采用瞬时值符号。

积分电路如图3-1所示，若输入电压为阶跃电压，并设定uc=0,则t≥0时，由于u1=E，所以，

（3-1）

图3-1积分电路

（2）微分电路

微分是积分的逆运算，输出电压与输入电压呈微分关系。

微分电路如图3-2所示。

图3-2微分电路

图中R引入并联电压负反馈，运放工作在线性区[5]。

因为i-=0，并且“-”端是虚地，所以

（3-2）

可见u0与输入电压uI成正比。

3.2积分微分器的设计方法

（1）基于DSPbuilder数字积分微分器的设计

首先要利用Matlab对所设计的系统进行理论数值仿真，在此基础上进行数字保密系统的设计。

该设计主要是利用Matlab中的DSPBuilder工具箱。

在该设计过程中，用到加法器、乘法器、减法器、放大器、延时器、数据选择器、积分器、阶跃脉冲信号发生器、微分器等。

该方法设计出的积分微分器主要应用于数字仿真，也可用于线性和非线性微分方程的数字求解[6]。

（2）虚拟积分微分器

主要实现对波形进行积分和微分处理，在信号积分微分器界面中，通过对前面板上控件的设定或者改变信号的类型、频率、相位、幅度和偏移量等，采用LabVIEW中设计的典型信号模块来实现对仿真信号的生成。

将仿真信号生成和函数处理经过必要的连接就构成了积分微分器流程图，同时也可对延时时间进行设置，然后在波形显示控件中会分别显示信号积分微分前后波形的变化。

在信号显示过程中可以通过信号重置按钮来选择更换信号的类型。

3.3积分微分器的应用

（1）微分器在跟踪系统的应用

微分器在迅速精确地获取被跟踪目标的速度和加速度对于一些系统是至关重要的，如防御系统中的导弹拦截系统。

在大多数情况下，采用差分方法来近似的估计信号的导数。

通常情况下，由于噪声存在于几乎所有的信号中，通过这种方法不能正确地估计出信号的导数。

卡尔曼滤波器可以被用来抑制扰动，同时求取信号的导数，然而，需要有对象的模型，这限制了信号的通用性，需要对被跟踪目标进行详细的了解，采用不基于对象模型的信号导数求取方法，设计各种适合于工程实际的微分器就可以解决这种问题[7]。

（2）微分器在汽轮机上的应用

在汽轮机的转速反馈通道上设置微分器，来加快调节系统的反应速度、提高系统的性能是设计中常用的方法。

微分器在汽轮机调节系统中已有多处应用：

目前汽轮发电机组的容量越来越大，转子时间常数相对减小，甩负荷后的最高飞升转速提高，对汽轮发电机组的安全构成严重威胁，为避免甩负荷后的最高飞升转速超过极限值，往往在汽轮机转速反馈通道上设置微分器，来增宽频带，加快调节系统的反应速度在功频电液调节系统中，在转速反馈通道中设置微分器，以获取角加速度信号来克服“反调”现象门；为抑制电力系统的低频振荡，提高电力系统的稳定性，在转速反馈通道上并联二阶超前网络，用来补偿调速器和汽轮机的相角滞后，提供正值阻尼力矩，这一环节亦具有微分器的作用。

微分器能够提高系统的高频增益，虽然在应用中常以实际微分来代管理想微分环节，但对高频信号仍有一定的放大作用。

（3）智能积分器在稳态误差中的应用

在传统控制中，为了消除稳态误差，常常根据参考输入的形式，采用串接适量的积分器的方法。

这种方法由于积分器的相位滞后特性，在暂态过程中积累了大量没用的误差信号，使系统的暂态响应变坏，甚至影响系统的稳定性。

根据要求设计一个智能积分器，既能实现稳态无差，又能将系统中的误差信息丢掉，系统仅仅记忆保留有效的误差信息，从本质上消除了积分作用对暂态响应的不利影响，同时还发挥了积分的积极作用。

当系统处于稳态无干扰时，系统等效于开环系统。

4模拟电路实验系统仿真设计

模拟电路是指处理模拟信号的电子电路，其中模拟信号是指时间跟幅度都连续的信号（连续的含义是在某一取值范围内可以取无穷多个数值）。

模拟信号中当图像信息和声音信息发生改变时，信号的波形也会改变，即模拟信号待传播的信息包含在波形之中（信息变化规律直接反映在模拟信号的幅度、频率、相位的变化上）。

本设计中将通过对信号发生器及积分微分器的设计来实现对模拟电路实验的仿真。

4.1虚拟仪器VI的设计

（1）在虚拟仪器前面板设置窗口控件，并创建“流程图”中的端口。

首先在前面板开发窗口使用工具模块中的相应工具，从控制面板中取出和放置好所需要的软件，进行控件属性参数设置，标贴文字说明标签。

前面板是模仿实际仪器的面板，通过鼠标和键盘为控制对象输入数据，然后在计算机屏幕上显示结果。

（2）编写试验系统的流程图，虚拟仪器从流程图中接受命令。

在流程图编辑窗口，放置节点、图框，并创建前面板控件，在流程图编辑窗口使用工具模板中相应工具，从Functions模板中取用并放置好所需要的图标，它们是流程图中的“节点”、“图框”。

（3）数据流编辑，是使用连接工具按数据流的方向将端口、节点、图框相连，实现数据从源头按规定的运行方式达到目的终点。

（4）运行检验，有两种检验方法，即仿真检验和实测检验。

（5）数据观察。

当检验观察中发现错误时，用鼠标点击“HighlightExecution"按钮，观察数据流中各个节点的数值。

（6）命令存盘，保存设计好的虚拟仪器VI。

4.2信号发生器的实现

信号发生器是指产生所需参数的电测信号的仪器。

按信号波形可分为正弦信号、函数信号、脉冲信号和随机信号等四大类。

信号发生器又称为信号源或者振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

4.2.1基本信号发生器的实现

基本信号发生器是用来产生各种常用的信号波形，包括正弦信号、余弦信号、方波信号、三角波信号、锯齿波信号等。

用到的函数是BasicFunctionGenerator函数，其中用输入控件来控制信号的类型、频率、幅值和相位等参数，用图表显示信号波形。

基本信号发生器的前面板及流程图如图4-1，4-2所示。

图4-1基本信号发生器前面板图

图4-2基本信号发生器流程图

4.2.2模拟信号发生器的实现

模拟信号发生器用函数SimulateSignal来实现，将信号的幅值、频率、相位等参数放在一个簇来完成，模拟信号波形用WaveformGraph来显示，通过改变信号的参数可以得到不同的波形。

模拟信号发生器的前面板和流程图如图4-3，4-4所示。

图4-3模拟信号发生器前面板图

图4-4模拟信号发生器流程图

4.3积分微分器的设计

（1）仪器面板图采用WaveformGraph来显示信号积分微分前后的波形，信号类型可以选择波形的类型（如正弦波、方波、三角波或锯齿波），可以通过前面板上的按钮（幅值、频率、相位和偏移量）来设定仿真信号的一些参数[9]。

（2）仿真信号的生成采用LabVIEW中设计的典型信号生成模块。

将仿真信号生成和函数处理经过必要的连接放入一个Whlie循环结构中就构成了积分微分器流程图。

4.3.1积分微分器流程设计

积分微分器的流程图如图4-5所示。

Y

图4-5积分微分器流程图

程序运行过程如图4-6所示：

图4-6程序运行过程图

参数设置

主要对输入波形的类型还有参数进行设置，如正弦波、方波、三角波、锯齿波等设置，还有进行参数的设置，如频率、振幅、偏移量、延时、相位进行设置。

参数设置如图4-7和表4-1所示。

图4-7参数设置图

表4-1信号参数

参数

说明

信号类型

模拟信号的类型，如正弦波、方波等

相位（Phase）

指定信号的初始相位，单位为度

偏移量（Offset）

信号的直流偏移量

频率（Frequency）

波在单位时间完成周期性变化的次数

幅值（Amplitude）

单位周期出现的最大值，或者叫峰值

重置信号

重新对输入信号进行设置

4.3.2积分微分器前面板的实现

前面板就是用户用来跟程序交互的一个工具。

当运行VI时，打开前面板，然后向执行程序输入数据。

前面板用于设置输入数值和观察输出值，可以通过运用前面板上的按钮等来实现各种所需的操作，利用LabVIEW中的控制模块可以完成对信号的选择和各种参数的设定。

如频率、幅值、相位、偏移量等。

如果经过处理后的信号不与理论效果相符，还可以通过重置按钮重新设定参数等，虚拟积分微分器的前面板如图4-8所示。

图4-8前面板图

由上图可知，前面板由三个波形图构成，上边的是积分微分前的波形图，下边的是经过积分微分的波形图。

左边的是对波形参数设置的按钮。

如果经过积分微分处理后的波形图与理论不符合，可以通过信号重置按钮重新都参数进行设定。

4.3.3积分微分器流程图设计

最后，生成仿真信号、选择和函数处理，再连线后加入一个While循环结构设置一个延时器，就完成了积分微分器的基本流程了。

积分微分器程序框图如图4-9，4-10所示。

图4-9正弦波/方波程序图

当按下布尔，条件变为真时，程序选择输入为三角波、锯齿波，如下图：

图4-10三角波/锯齿波程序图

4.3.4积分微分器的调试过程及其结果

积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。

它是组成模拟计算机的基本单元。

积分电路是控制和测量系统中学用的重要单元，利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。

[10]对于输入信号的不同，积分电路可表现出不同的输出特性：

积分电路能将输入的矩形波电压变换成斜坡电压，具有变换波形的作用，也就是说能把一个方波变成三角波，即若输入为方波信号，则积分电路表现为充电与放电交替进行的状态，对外表现为三角波，积分电路也具有移相的作用，也就是能把正弦波变成余弦波。

若输入为正弦波，则积分电路表现为输出超前输入9O度相位的正弦波。

微分是积分的逆运算，微分电路也具有移相作用，当输入电压为正弦波时，输出波形将滞后90度，成为余弦波。

当输入信号为三角波信号时，输出电压的波形为方波，输出电压与输入电压的相位相反。

当按下信号选择器按钮选择正弦波的布尔按钮选择为假之后，并对输入波形参数进行设置，设置延时为0.5s，幅值为10，频率为50，相位为20，偏移量为0时，然后进行微分流程，波形在前面板显示，结果如下图所示：

（1）正弦波积分微分结果

图4-11正弦波积分微分波形图

（2）方波积分微分结果

变化波形之后，选择方波运行，结果如下图所示：

图4-12方波积分微分波形图

（3）三角波积分微分结果

按下布尔按钮选择为真的一支之后，然后选择输入三角波，结果如下图所示：

图4-13三角波积分微分波形图

（4）锯齿波积分微分结果

当选择输入锯齿波时，输出波形如下图所示：

图4-14锯齿波积分微分图

4.4本章小结

根据前边对输入波形的积分和微分处理之后的波形图可以看出，本设计的虚拟积分微分器确实具有对输入信号积分微分的作用，例如，正弦波微分变