虚拟仪器技术在电子实验中的应用

第１期（总第１４６期）　机械工程与自动化　Ｎｏ．１　２００８年２月　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　Ｆｅｂ．　文章编号：１６７２—６４１３（２ＯＯ８）Ｏ１—０１７１—０２　虚拟仪器技术在电子实验中的应用　朱建平，杨光永　（云南民族大学物电学院，云南　昆明　６５００３１）　摘要：介绍了虚拟仪器技术的概念，结合ＬａｂＶＩＥＷ的特点，选择ＬａｂＶＩＥＷ作为开发平台，将虚拟仪器技术　应用于实验室科研教学中，构建了实验室虚拟仪器系统。　关键词：虚拟仪器；ＬａｂＶＩＥＷ电子实验　中图分类号；ＴＰ２７４　．２　文献标识码：Ａ　０引言　采集系统，其研究中涉及的基础理论主要是数据采集　实验是教学中尤其是电子技术这类理论与实践相　和数字信号处理，目前在这一领域内使用较为广泛的　结合的课程教学中非常重要的环节。但是，由于此类　计算机语言和开发环境是美国ＮＩ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　实验只局限于在实验室中进行，而且实验仪器设备多、　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）公司的ＬａｂＶＩＥＷ。　功能单一、难于管理，所以开放性实验很难真正向学　ＬａｂＶＩＥＷ是一种图形化的编程语言（Ｇ语言）和　生完全开放，无法调动学生在学习中的主观能动性；另　开发环境，其界面直观、友好，基本不需要编写程序　外，仪器的维护也需要投入人力、物力，这些都严重　代码，而是“绘制”程序流程图，在编程过程中使用　影响着实验教学。　的是大家较为熟悉的开关、波形等图形，是一种直觉　随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展，我们　式的图形程序语言。与传统编程语言不同，Ｉ　ａｂＶＩＥｗ　提出了将实验虚拟化的概念，即在计算机的基础上编　是以数据流方式执行程序，将虚拟仪器分解成若干基　写相关程序，模拟出与实验相关的设备以取代相关仪　本功能模块，模块的引脚代表Ｉ／０接口，采用图形化　器，将此虚拟仪器应用到实验中去，从而大大提高了　框图设计方法完成虚拟仪器的逻辑和测量分析功能的　实验的效率及多样性，弥补了传统实验室的不足，减　设计。因此Ｉ　ａｂＶＩＥｗ作为一种面向最终用户的开发　少对硬件仪器的依赖。　工具，可以增强工程人员构建自己学科和工程系统的　１虚拟仪器特点及开发环境　能力，可为实现仪器编程和数据采集系统提供更为便　１．１虚拟仪器特点　捷的途径。　计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个　Ｉ　ａｂＶＩＥＷ与虚拟仪器有着密切的联系，在　重要方向，与传统仪器技术不同，虚拟仪器技术指在　Ｉ　ａｂＶＩＥｗ中开发的程序称为“虚拟仪器程序”，即ＶＩ，　包含数据采集设备的通用计算机平台上根据需求构建　程序包括前面板、程序框图、图标和连接器窗格三部　起的测量系统。其具有如下几个特点：　分。其中前面板作为真实仪器的虚拟面板具有交互式　（１）虚拟仪器采用通用的硬件，系统的功能模块　的Ｉ／０功能，使程序运行更为直观；程序框图定义了　均由用户根据自己的需要通过软件编写，使得组建系　ｖＩ功能的图形化源代码，对前面板上的控件进行控　统变得简单、灵活。　制；图标和连接器窗格用来定义ＶＩ，使之既可作为主　（２）充分利用计算机强大的数据处理能力，替代　程序，也可作为被其它程序调用的子程序，从而实现　原有仪器的信号分析和处理功能，大大提高了测量精　模块化编程。这样我们就可以利用计算机强大的图形　度和测量速度。　环境，建立起界面友好的虚拟仪器面板，通过图形化　（３）提高了资源的重复利用率，便于维护、升级。　的编程语言控制仪器的运行，完成对被测对象的分析　１．２基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟仪器开发环境　及测试，从而开发出一套完整的虚拟仪器系统。　虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据　２虚拟仪器在电子实验中应用的具体实例　收稿日期：２００７—０５—２８；修回日期：２００７—１０—１１　作者简介：朱建平（１９７８一），女，湖北黄冈人，讲师，硕士研究生。　维普资讯 http://www.cqvip.com ・１７２・　机械工程与自动化　２００８年第ｌ期　由同相并联差动运算电路构成的通用测量放大器　电路见图１。　输入对应的参数，如输入信号的频率、幅值、电阻值　就可得到精确的输出结果，大大提高了实验的效率。　电路中Ａ１、Ａ２两端输入的正弦和方波信号由程　序框图中Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ里的Ｗａｖｅｆｏｒｍ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ分别产生。通用测量放大器的波形与前面　板见图２。图２中左边的旋钮分别控制信号的频率及　幅值，并可根据需要产生各种波形。阻值的输入可根　据实际电路中的电阻输入，计算过程由程序框图完成。　实验的结果可从图２中右边的波形输出得到。　图１通用测量放大器电路　欲建立完整的虚拟仪器程序ＶＩ，应先仔细分析电　路工作原理：信号从Ａ１和Ａ２同相端输入，输入信号　分别为方波信号　和正弦波信号　。，由于电路的平　衡对称结构，使得Ａ１和Ａ２的共模增益、失调及漂移　所产生的误差电压具有相互抵消作用，实现差动输出，　再加上由Ａ３组成的第二级放大去除了输出电压　。　中较大的共模信号。具体分析过程如下：　（１）对于第一级运算放大器Ａ１有　加在同相　端，　通过ＪＲ　加在反相端。利用同相和反相放大器　的计算公式，加上叠加原理直接写出Ａ１放大器Ａ端　的输出电压　ｏ　：　Ｄ　Ｄ　图２通用测量放大器的波形与前面板　ＬａｂＶＩＥＷ良好的图形界面为电子实验的模拟提　ｏ　一（１＋　）　一　。………………（１）　同理对于Ａ２的Ｂ端输出电压　。　有：　Ｄ　Ｄ　供了强有力的支持。通过对通用测量放大器实验的模　拟可以看出，ＬａｂＶＩＥＷ是电子实验辅助教学的一种　很好的工具。　３结束语　ｏ２一（１＋　）　ｓ　一　。　………………（２）　（２）对于Ａ３总的输出　。则可通过叠加原理直接　得出表达式：　ｒ＇Ｄ　Ｄ　将虚拟仪器应用到具体的电子实验中去，可以在　计算机上虚拟出各种功能的实验仪器。与传统的电子　实验相比，省去了大量的检查与准备阶段，减少了对　硬件仪器的依赖，将其运用至实际的实验教学中大大　提高了实验的效率和水平，较好地弥补了传统实验中　存在的不足，为学生展示了一个全新的虚拟仪器世界。　参考文献；　。一（１＋　）　（　２一　）。……………（３）　利用以上的计算公式，我们可以绘制出大致的输　出结果。在具体的实验过程中我们采用传统的信号发　生器和示波器来产生输入信号和测量响应信号，由于　所需的仪器多、步骤繁琐、误差大，加之学生在实验　过程中的一些误操作很难得到精确的输出结果，无法　观测到精确的输出波形，从而无法正确理解本电路的　含义。　通过ＬａｂＶＩＥＷ开发平台将本实验虚拟化，只需　［１］侯国屏，王砷，叶齐鑫．ＬａｂＶＩＥＷ７．１编程与虚拟仪器设　计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．　［２］杨乐平，李海涛，肖凯，等．虚拟仪器技术概论［Ｍ］．北京：　电子工业出版社，２００３．　［３］　杨乐平，李海涛，肖相生．ＬａｂＶＩＥＷ程序设计与应用　［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００１．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ＺＨＵ　Ｊｉａｎ—ｐｉｎｇ，ＹＡＮＧ　Ｇｕａｎｇ－ｙｏｎｇ　（Ｐｈｙｓｉｃ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙｕｎｎａｎ　Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ＬａｂＶＩＥＷ，ｉｔ　ｉｓ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，Ｓｏ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｈａｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ａ　ｌａｂ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｙｓｔｅｎ￣ｈｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕ￣ｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌａｂ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｅａｃｈｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ＬａｂＶＩＥＷ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ