原安娟,崔 敏,吴 龙,何 伟,欧阳丽婷,刘立英,万 欣,张 兵
(北京工业大学 理学部,北京 100124)
虚拟仪器(VI:Virtual Instrument)技术是基于计算机平台,在数据采集硬件的支持下,根据测试任务的需要,通过软件设计来实现和扩展传统实验仪器功能的技术,它可以完成测试数据的采集、运算与处理、显示、数据存储、输出等任务[1-3]。
大学物理实验教学中运用VI技术,可以用同一套硬件系统完成多项实验内容,拓展传统实验项目,解决实验设备在项目和数量上不足的问题。我校的虚拟实验服务于物理专业学生,主要用来扩充实验项目和完成实验竞赛等方面。RLC电路常用于放大、滤波等电路中,是我校工科和物理专业学生必修实验。
本文将虚拟仪器技术用于RLC电路的测量,研究RLC电路幅频特性和谐振现象。
图1为RLC串联电路原理图,回路中的电流为:
(1)
本实验中研究的幅频特性方法与传统方法相同,保持信号源输出U不变,测试回路中电流I随f的变化情况,频率从1 400 Hz开始,间隔100 Hz增加,直到3 400 Hz停止,谐振频率附近缩小测量间隔。改进之处在于用USB-6009采集卡替代电压表对电阻上电压进行采集并通过LabVIEW软件测量和记录。然后改变阻值分别为500 Ω和1 000 Ω,重复上述实验步骤,记录数据。做出I-f图,探究其幅频特性。
图2中电路中并联RLC的阻抗为:
(2)
图2 RLC并联电路原理图(某时刻)
实验时电路中I保持恒定,即R1上的电压U1保持不变,而并联部分的RLC电路的阻抗与频率有关,其大小为ZP=U/I,故只要测出阻抗两端的电压U,就可以得到ZP,谐振时ZP为极大,U也为极大。频率从1 400 Hz开始,间隔100 Hz增加,直到3 400 Hz停止,谐振频率附近缩小测量间隔。用USB-6009采集卡对电阻上电压进行采集并通过LabVIEW软件测量和记录。作U-f图,探究其幅频特性。
如图3、图4所示,NI公司的USB-6009多功能数据采集卡具有基本的数据采集功能,用导线把USB-6009的AI 1+和AI 1-两个接口与电阻两端相连,按说明配置USB-6009采集卡并与计算机连接。
图3 USB-6009采集卡外观图
图4 USB-6009采集卡虚拟端子说明
USB-6009采集电阻两端的电压信号并传输给电脑,电脑通过labVIEW软件处理、分析并显示信号。
实验时连续采样,用while循环。while循环有两个固定的接线端。“循环计数”输出接线端,它输出当前执行次数。“循环条件”是一个布尔量输入接线端,程序在每次循环结束时检查条件接线端,当布尔量为“真”时退出循环。
从USB-6009采集到的电压信号传入DAQ,通过设置DAQ的接收通道、采样频率、待读采样数和采样方法、换算及数据存储文件夹等,实现对信号的采集并将采集到的信号输出到下一元件——振幅和电平测量元件。振幅和电平测量元件进行分析和处理接收来的信号,并以均方根的形式显示在可视化面板上,此即电阻两端的电压有效值,如图5。
图5 LabVIEW软件的可视化面板
电路连接如图6所示,电阻上的电压测量用USB-6009采集卡,测量数据和幅频曲线如表1和图7所示:
图6 RLC串联电路接线图
表1 电阻不同时频率和电流的对应数据
从图7可以看出,不同电阻的谐振频率均在2 250 Hz。理论谐振频率2 250 Hz,实验结果和理论值吻合较好。品质因数分别为:
Q1=11.17Q2=2.62Q3=1.40.
图7 R=100、500和1 000 ΩI-f曲线图
此实验目的让学生对R和Q的关系有直观的认识:R值越小,Q值越大,带宽越窄,峰越尖锐,选频性也会越好。
并联电路的数据表格及电压随频率变化的曲线如表2和图8所示:
表2 R=5 000 Ω的频率电压关系表
图8 R=5 000 Ω的U-f曲线图
图8中,电阻5 000 Ω时并联电路谐振频率为2 300 Hz,品质因数Q=0.28,这说明,R值大,Q值小,电路的选择性不理想。
实际电路中,Q远大于1,即R很小,本实验只是为了给学生一个直观的R大Q小无实际应用价值的反面例子。使学生设计电路时,确定好设计目标,以目标为导向不至于走弯路。
本实验使用USB-6009采集卡采集电阻两端的电压并将采集到的电压信号输送到电脑里,通过软件LabVIEW对数据进行处理,再作图分析。通过搭建虚拟仪器的RLC电路特性测试平台,将数据的精确度提高,测试时间减少,使学生能在有限的时间内完成串联和并联电路的全部数据测试。从数据结果可得,R值越小,Q值越大,带宽越窄,峰越尖锐,频率选择性也会越好。R很大时,无论是串联还是并联电路,Q值都很小,频率的选择性差,无实际应用价值。
本文将VI技术运用于RLC电路实验中,通过虚拟仪器技术提升了传统仪器的功能,实现了电阻上电压的实时采集和LabVIEW软件对数据的即时处理及直观快捷的数据显示。对比传统实验方法,学生用VI技术节约了采集数据和处理数据的时间,提高了实验效率,学生有更多的时间和精力用于实验拓展和实验目标的精准设计。实验的设计也拓宽了学生的思维模式和习惯,培养了学生多维度思考问题的能力。