基于NI ELVIS II+的波形变换电路实验设计*

凌震乾，德炜佳

(赣南师范大学 物理与电子信息学院，江西 赣州 341000)

1 引言

方波-三角波-正弦波变换电路的实验教学通常在实验箱上操作测试完成，或者在指定技术参数指标后通过课程设计方式完成.在实验箱上操作测试，学生无法自主创建实物电路，缺乏自由发挥空间，理论与实践容易脱节[1].课程设计方式受实验元器件、时间、设备和场地所限，有的仍停留在对理论的验证上，有的实验结果误差较大，有的因元器件损坏导致设计失败，学生的创新精神和科研动力得不到激发[2].将The National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite(美国国家仪器教育实验室虚拟仪器套件，简称为NI ELVIS)引入实验室，可以完成电路分析、模拟电路、数字电路、信号与系统等电子信息专业绝大部分课程的实验教学[3-5]，甚至可以建成远程虚拟实验室[6-7].文献[3]针对的教学对象是研一学生，学生具有一定的理论基础和实验能力；文献[4]依然采用了固定的传感器实验板卡，重点在于培养学生应用LabVIEW软件设计程序的能力；文献[5]深入分析了精密整流电路实验项目的综合设计过程，设计内容仅限于整流器的实现；文献[6]和文献[7]分别实现了选频电路、四人抢答器和功率放大器的设计及其远程操作平台的构建.以模拟电路课程的实验教学为例，其主要实验内容为晶体管放大电路、集成运算放大电路以及信号的运算和处理等，这些实验具有分立元件多、实验接线复杂、工程应用范围广等特点，是实验教学的重难点内容[8].本文介绍的波形变换电路涉及到了模拟电路运算放大器的比较器、积分器的实验和一阶有源滤波器的设计过程，是模拟电路课程的综合实验，首先在Multisim软件上对原理图进行了模拟仿真，然后在NI ELVIS II+上用数字万用表对分立元件进行了参数测试，用可调电源和示波器对方波-三角波-正弦波波形转换进行了虚实对比测试，用波特分析仪对三角波-正弦波变换的一阶有源滤波器幅频特性和相频特性曲线进行了虚实对比测试，并分析了实验结果，指出了实际电子线路设计过程中应注意的具体问题.

2 NI ELVIS II+简介

NI ELVIS II+是一个完整的软硬件教学实验平台[9]，软件方面包括Multisim原理图设计、Ultiboard印制电路板设计和图形化的编程软件LabVIEW，硬件方面包括一个custom-designed workstation(可定制设计的工作站)和prototyping board(原型板).要正常使用NI ELVIS II系列硬件，必须安装NI ELVISmx软件驱动，以提供一套电子设计实验室仪器的功能.NI ELVISmx提供的LabVIEW soft front panels(软前面板，简称SFP)，共包括常用的12种仪器，如表1所示.

表1 LabVIEW 软前面板所支持的仪器列表

图1显示了在NI ELVIS II+上进行实验的整个流程.与一般的电子设计系统不同的是，基于NI ELVIS II+的电子系统设计增加了虚实对比测试功能.

图1 ELVIS II+的实验流程图

3 实验原理

波形变换电路的实现方式有很多，图2是由滞回比较器、积分器和滤波器电路组成的方波、三角波和正弦波发生器之一.其中滞回比较器起开关作用，积分电路起延迟作用，滤波器提取基波[10].图3、图4分别为方波、三角波、正弦波变换原理框图.

图2 波形变换框图

图3 方波-三角波电路变换原理图

图4 三角波-正弦波电路变换原理图

3.1 方波和三角波波形的主要参数[11]

由图3可见，方波和三角波发生器由运放A1、A2和R1、R2、R4、RP1、RP2和C1组成.假设运放的正负电源分别为Vcc和VEE时，则方波正电压为：

+U1o=Vcc

(1)

方波负电压为：

-U1o=VEE

(2)

其输入信号为方波U1o，则积分器的输出U2o为：

(3)

故三角波输出的幅度为：

(4)

方波和三角波的频率为：

(5)

3.2 正弦波的主要参数[12]

由图4可见，正弦波发生器由一阶有源滤波器组成，其中R、C组成一阶无源低通滤波器，运放和R1、RF组成同相比例放大电路.根据运放“虚短”和“虚断”的特点，可求得该电路的电压放大倍数为

(6)

其中Aup(通带内增益)为：

(7)

电路的角频率为：

(8)

故其特征频率，即该低通滤波器的上限截止频率为

(9)

根据上述理论分析，即可布置设计任务，选择符合技术指标的元器件参数.

4 实验操作

4.1 在支持ELVIS II+的Multisim上绘制原理图

本设计要实现的方波-三角波-正弦波频率范围约200～1 kHz，波形输出幅度峰峰值在1 V以上.根据上一节分析，在支持NI ELVIS II+的Multisim上绘制的方波-三角波-正弦波波形变换原理图如图5所示.Rp1主要用来调节幅度便于起振(也会影响信号频率)，改变C1容量用来频率粗调，调节Rp2用来频率细调.

图5 方波-三角波-正弦波波形变换电路原理图

4.2 在支持NI ELVIS II+的Multisim上进行模拟仿真

运行Multisim，双击绘图工作空间上方的SCOPE虚拟示波器，在示波器的Instrument Control DEVICE(设备控制)上选择Simulate NI ELVIS II+(虚拟ELVIS II+)，勾选示波器的2个通道，将Channel 0(通道0)和Channel 1(通道1)的幅度衰减分别选为5 V和2 V，并将通道0垂直方向的位置升高2 V，通道1垂直方向的位置降低2.5 V，并将通道0、通道1分别接到方波和三角波的输出上，接着点击软件菜单的Simulate-Run进行仿真，即可观察到波形起振状态和稳定状态波形分别如图6、图7所示.

图6 方波和三角波起振状态下的仿真波形 图7 方波和三角波仿真波形

由图可见，电路由零状态起振至稳定状态时C1充放电过程与理论分析完全一致[12].调节RP1和RP2的数值，观察波形的动态范围，将结果填入表4.将三角波输出接到正弦波电路的R6输入端，通道0接到正弦波输出V3上，点击软件的运行按钮，记录下如图8所示不失真正弦波的动态范围，将结果填入表4仿真栏内.

图8 正弦波仿真波形

运行软件菜单Reports-Bill of Material，生成电路的元件清单，如表2所示.

表2 方波-三角波-正弦波波形变换电路材料清单

4.3 在ELVIS II+的原型板上搭建电路

4.3.1 用DMM测量分立元件参数

首先将ELVIS II+与计算机通过USB连接好并接上电源.接着运行NI ELVISmx Instrument Launcher软件，点击Digital Multimeter图标,对本实验中各元件进行测试，测试结果见表3所示.

表3 方波-三角波-正弦波波形变换电路元件标称值与实测值

4.3.2 关闭原型板电源

用实测出来的元器件取代图5中的仿真用元器件，搭建好的实物电路如图9所示.图中的开关在原型板上直接用跳线代替.

图9 NI ELVIS II+平台上搭建的实物电路 图10 可调电源前面板

4.4 在ELVIS II+原型板上进行电路的虚实对比测试

在电路调试过程中调整三角波的输出幅度与振荡周期时，应该先选择R1和调整电阻RP1使输出幅度达到规定值，然后再调整RP2和C1使振荡周期满足要求.调试主要分为以下3个步骤:

4.4.1 设置±12 V可调电源

将Multisim原理图中所用的虚拟电源VCC、VEE改为ELVIS II+平台提供的±12 V可调电源，运行NI ELVISmx Instrument Launcher软件，打开可调电源,如图10所示为该电源的软前面板和前面板.在软前面板中同时勾选“Manual(手动模式)”和“Measure Supply Outputs(测量输出)”，则设备前面板上相应的“MANUAL MODE”指示灯将会发亮，旋转设备旋钮使Supply-为-12 V、Supply+为12 V，取消“测量输出”的勾选.

4.4.2 方波、三角波的虚实对比测试

在原型板上将方波输出V1连接至示波器通道0，将三角波输出V2连接至示波器通道1，打开Multisim软件中的示波器，在示波器的设备控制中选择物理设备Dev1(NI ELVIS II+)，设置其时基为5 ms，同时选中2个通道，并把通道0的采集信号源设置为AI0，幅度衰减为5 V，垂直位移为2 V，把通道1的采集信号源设置为AI1，幅度衰减为2 V，垂直位移为-2 V同时勾选Simulated Data(仿真数据)和Real Data(实时数据)，点击运行示波器，观察方波和三角波虚实对比波形，如图11所示.其虚线为仿真波形，实线为电路实测波形.调节原型板上的RP1和RP2，测试电路不失真波形的频率和幅值的动态范围，并将其值填入表4.

图11 方波、三角波虚实对比波形

接着测试正弦波.将V2连接至R6，在原型板上将V1方波输出连线拆除，接上正弦波V3的输出至示波器Channel 0，其它设置保持不变，点击示波器运行Run，观察正弦波和三角波波形，如图12所示.

图12 三角波、正弦波的实测波形

调节原型板上的RP1和RP2，测试电路不失真波形的频率和幅值的动态范围，并将其值填入表4.当RP2≥19.6 kΩ时，正弦波出现削顶失真.

调试中发现，方波、三角波在RP2分别为最小阻值和最大阻值时，波形基本不失真，而正弦波频率较小时容易出现削顶失真现象，频率较高时波形不失真，但幅度较小.

4.4.3 对一阶有源低通滤波电路的虚实对比测试[13]

为了解正弦波失真问题的原因，观察一阶有源低通滤波电路的幅频特性，需要使用ELVIS II+的波特分析仪.其具体操作过程如下：

①将原型板上的FGEN连接到到R6输入端，将电路地连接到原型板上的GROUND.

②将原型板上的FGEN信号连接到AI0+，将AIGND连接到原型板上的GROUND.

③将原型板上的正弦波输出接入AI1.

④打开原型板电源.

⑤按(1)步骤设置好可调电源输出±12 V直流电压.

⑥连接原理图中的CH0和FGEN，连接CH1和正弦波的输出V3.

⑦双击打开原理图中的FGEN,扫频区间设置为10 Hz至10 KHz，步长设置为100 Hz，幅度为1 Vp-p,波形选择为三角波，保持显示面板为OFF(关机状态)，由波特分析仪自动调用该FGEN.

⑧双击打开原理图中的波特分析仪.设备选择为Dev1 NI ELVIS II+，扫描间隔设置为10 Hz至10 KHz，步长设置为100左右,其余设置不变.

⑨点击波特分析仪的运行按键，同时勾选下方Real Data(实测数据)和Simulated Data(仿真数据)可以同时显示虚实对比幅频特性和相频特性曲线，仿真结果如图13所示.

图13 滤波电路的波特分析仪虚实对比测试

5 实验结果分析

将RP1、RP2和电路中各参数值代入式(4)(5)，可求得方波、三角波的频率范围为42.89 Hz～3.2 kHz，三角波的幅值范围约为3.52 V至12 V之间.由式(7)可知，通带内正弦波的幅值约为三角波的2倍，即在7 V至24 V之间，通带外的信号衰减很大，可以不必计算.由式(9)可知其通带截止频率为1.6 kHz.将上述数据填入表4计算栏内.

表4 波形变换电路理论值与实测值对照表

由表3可见，即使电路采用了精密度高误差小的精密电阻元件，实测值与理想值之间仍然存在一定差异，特别是微型精密电位器不适合用于经常调节使用的场合，它的最小值和最大值边界很难确定.实测发现瓷片电容的温度特性很差，只能用于滤除一些高频信号，不适合用在函数信号发生器中作为标准电容使用.在低频电路中，性能最为稳定的是独石电容，它的温度特性稳定，频率漂移现象小.上述元件的测试结果与元器件使用常识完全一致.

由表4可见，以UA741为核心的简单波形变换电路中，各项指标满足技术参数要求，波段内各指标相对误差不大于12%，误差较大的地方出现在可调电位器的边缘地带，即频段的最小值或最大值附近，实际电路设计中完全可以通过增加电容数量，分频段解决误差问题，但该电路仅适合用于实验演示或精度要求不高的设备使用.

由图11可见，实测波形和仿真波形具有一定的相位差，这是由电路元件仿真模型与实际元件的物理参数不完全一致所造成的.另外，仿真图中三角波的输出幅度小于实测幅度，其原因在于实测与仿真对比测试的过程中，实测时断开了三角波与R6的连线，而仿真图中并没有断开与R6的连线，导致三角波实测与仿真时的负载不同所致.

由图12(a)和图13可见，采用精密金属膜电阻和独石电容的波形转换电路，其低通特性良好，在其频率低端，由于三角波输入信号太强，远远超出了运放的线性范围导致运放工作于非线性状态，从而出现了波形的顶、底失真现象.当输入信号频率超过了滤波器截止频率时，正弦信号的衰减巨大，呈现了良好的低通特性.为了解决方波输出信号太强的问题，实际设计中普遍给出了在方波输出处接入反向串接双稳压二极管的方案[10-11].

6 结束语

在电子线路的设计过程中，不仅要通过软件模拟实现技术参数，也要通过实际电路的搭建进行理论和实际的对比分析.如果能根据芯片测试原理图，搭建测试芯片主要技术参数的功能电路，并以此为依据，重新设计仿真模型，必将对仿真结果的真实性有所加强.在ELVIS II+平台实验过程中，当所有元器件测试完成后，必须修改原来的原理图，对原理图中的元器件的数值用实测值替换，对芯片模型进行修改，以便在原型机上进行更进一步的虚实对比测试，而这一步在实验箱的操作中几乎是无法实现的，也是在课程设计等实际工作中极为容易被忽视的地方.当产品样机制作完成后，应当再重新用NI ELVIS+和其它技术手段对产品特性进行综合测试.基于NI ELVIS II+平台的实验教学具有完整的软硬件集成，可以完成从元件模型构建、元器件参数测试、电路原理分析与仿真和原型验证的完整工程设计流程，不但具有灵活的硬件搭接方式，也便于对电路的及时修改和更新，为电子产品的设计提供了便利，从而实现了教学与科研、理论与实践的无缝衔接.