基于LabVIEW的电工电子虚拟实验平台的设计_马玉丽

图 3 基于计算机的虚拟仪器
图 3 中所述的数据采集硬件有多种形式，本 文采用典型 的 插 卡 形 式 的 数 据 采 集 硬 件，拟 用 低 价位多功能输入输出卡 PCI － 6035E 构建系统； 硬 件驱动程 序 是 应 用 软 件 对 硬 件 的 编 程 接 口，LabVIEW 开发环境安装时，会自动安装 NI － DAQ 软 件，它包含 NI 公 司 各 种 数 据 采 集 硬 件 的 驱 动 程 序。 在 驱 动 程 序 的 用 户 接 口 Measurement
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＆Autonation Explorer 中可以对硬件进行各种必要 的设置和测试。
在实验过 程 中，把 实 验 设 备 与 该 虚 拟 仪 器 正 确地连 接 在 一 起 就 可 以 实 现 实 验 的 全 部 操 作 过 程，最终 得 出 实 验 结 果。 这 样 即 简 单 又 直 观。 这 类实验包括 二 极 管 伏 安 特 性 曲 线 实 验、共 射 级 单 管放大实验、低 频 功 率 放 大 实 验 以 及 三 端 稳 压 器 稳压性能实 验、交 流 负 反 馈 对 放 大 倍 数 稳 定 性 实 验、静态工作点稳定电路频率响应实验等，只要实 验中需要使 用 到 相 关 的 测 量 仪 器，基 本 上 都 可 以 采用虚拟仪器技术来完成。
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文章编号： 2095 － 3747（ 2013） 04 － 0036 － 03
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基于 LabVIEW 的电工电子 虚拟实验平台的设计
马玉丽1 杨 华2
（ 1． 青岛远洋船员职业学院机电系，2． 青岛远洋船员职业学院航海系，山东 青岛 266071）
图 1 虚拟实验教学平台体系框图
演示型实验是以 LabVIEW 软件作为开发环 境，开发出信号发生器、数字滤波器、频率分析仪， 虚拟万用表等。将多个演示实验整合构成一个开 放性的虚拟实验室，作为辅助教学工具。
实操型实验是利用由计算机，数据采集卡，LabVIEW 组成的实验教学系统开发设计的一系列实际 操作型实验，通过虚拟仪器面板显示测试结果。
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） ，女，讲师
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实现数据转 换 以 及 存 储，并 能 将 数 据 结 果 通 过 显 示模块显示给用户观察。
LabVIEW 为用户提供简明、直观、易用的图形 化编程方式，能 够 将 繁 琐 复 杂 的 编 程 语 言 简 化 成 以菜单方式 选 择 的 功 能，并 且 用 线 条 将 各 种 功 能 模块连接起来，十分节省时间而且简便，与传统的 编程语言相比，LabVIEW 图像编程方式节省程序 的开发时间，体现了极高的效率。
参考文献： ［1］李君． 基于 LabVIEW 的高职高专电子信息专
业虚拟实验平台构建［D］． 南京： 南京理工大 学 2009，12． ［2］杨鸿波，侯霞． 电工电子网络实验教学系统的 探索与 实 践［J］． 实 验 技 术 与 管 理 2010，27 （ 6） ： 160 － 163． ［3］姜俐侠，宋运伟． 基于 LabVIEW 的电工虚拟 仪器 实 验 平 台［J］． 计 算 机 与 网 络 2007，37 （ 5） ： 496 － 497． ［4］李林，丁轶成等． 虚拟仪器在电子专业创新能 力培 养 中 的 应 用［J］． 自 动 化 技 术 与 应 用 2006，25（ 12） ： 94 － 97． ［5］石博强，赵德永等． LabVIEW6． 1 编程技术实 用教程 ［M］． 北 京： 中 国 铁 道 出 版 社，2002： 174．
3． 1 演示型实验 在电子实 验 领 域，示 波 器、频 谱 仪、信 号 发 生 器、逻辑分析仪、电压表、电流表是科研机关、企业 研发实验 室、大 专 院 校 的 必 备 实 验 设 备。 使 用 一 套虚拟仪器系统就可以实现多种普通仪器的全部 功能。通过模拟的仪器学生可以很好地理解仪器 的功能和使用，可以在上课的过程中给学生演示， 也可以开放实验室让学生自己来操作练习。 如下图 2 所示是虚拟函数信号发生器的前面 板，通过面板 进 行 设 置 可 以 产 生 正 弦 波、方 波、三 角波和锯齿波。通过设置幅值、频率、相位和方波 的占空比可以产生不同参数的波形。
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下面以二 极 管 特 性 曲 线 测 量 实 验 为 例，演 示 此类实验的实验过程。本实验目的是建立一条通 过二极管的电流随二极管两端电压变化的关系曲 线，它需要综合使用和协调好信号发生器、示波器 和数字万用 表 的 能 力，这 是 电 工 电 子 实 验 的 基 本 项目。首先在 电 路 板 上 构 造 电 路 图，用 导 线 将 二 极管 D、电阻 Ｒ 连接起来，然后和虚拟信号发生 器、虚拟数 字 示 波 器 的 引 线 连 接 起 来，如 图 4 所 示。通过计算机屏幕上的虚拟仪器面板对虚拟仪 器调整。首先调整虚拟信号发生器的波形、频率、 幅值等，使之输出合适的低频正弦信号，然后调整 虚拟示波器的测量通道、标尺、比例、衰减等，使之 显示稳定的波形。
此类实验系统，由负责实验部分的电路板、负 责测量部分的数据采集器和计算机组成。其中实 验电路板主 要 是 一 个 类 似 于 面 包 板 的 板 子，上 面 有针对不同实验的多个不同接口。
在具体的 实 验 中，首 先 把 数 据 采 集 卡 和 该 软 件的计算机相连，检查无误后，按照具体要求在工 作台的电路 板 上 构 建 出 所 需 的 电 路 图，需 要 测 量 的信号通过 采 集 卡 传 送 到 计 算 机 里，而 信 号 的 处 理、计算和显 示 等 任 务 均 由 计 算 机 中 的 程 序 来 完 成，最后在计算机屏幕上观察实验结果。
4 结论 本文基于 虚 拟 仪 器 技 术 的 探 讨，对 电 工 电 子 虚拟实验平 台 进 行 了 相 关 的 研 究，与 传 统 的 实 验 室相比，该实验平台具有以下特点： 虚拟仪器技术 应用到实验 教 学 中，在 能 够 完 成 实 验 教 学 任 务 的 前提下，进一步减少了实验成本，有利于解决实验 教学设备紧缺的问题； 学生能够自己选择实验时 间和内容，有 利 于 提 高 实 验 教 学 的 开 放 性 和 灵 活 性； 能够激发学生的实验兴趣，培养学生学习的自 觉性、主动性和创新性； 基于软件的实验平台更新 更容易，可以 随 时 运 用 最 新 的 科 技 成 果 到 实 验 平 台中去，从而使虚拟实验平台的功能不断的发展。 本平台的实现对改善院校的教学与实习课程的质 量是有益的。 今后，随着计算机技术、虚拟仪器功能的飞速 发展，电工电子实验平台的功能将会不断完善，并 具有很好的应用前景。
图 4 二极管伏安特性曲线电路图
通过电压 扫 描 法，用 虚 拟 信 号 发 生 器 提 供 回 路电源，用虚拟示波器测量二极管两端电压，用虚 拟数字万用表测量回路中相应的电流。先确定伏 安特性曲线 上 要 显 示 的 点 数，这 样 就 可 以 确 定 扫 描起始电压、扫描步长、实时的二极管两端的电压 和流过二极管的电流，经过时间延迟，把采集到的 相同时刻的 电 压 和 电 流 整 合 到 一 起，便 可 以 得 到 二极管的伏安特性曲线。
虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪 器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。 粗略的说这 种 结 合 有 两 种 方 式，一 种 是 将 计 算 机 装入仪器，其典型例子就是所谓的智能仪器； 另一 种就是将仪 器 装 入 计 算 机，以 通 用 计 算 机 为 依 托 配合相应 的 硬 件，实 现 各 种 仪 器 功 能。 虚 拟 仪 器 就是这种方式。
所谓虚拟 仪 器 就 是 用 户 在 计 算 机 上，根 据 需 求设计仪器 的 测 试 功 能，使 得 使 用 者 在 操 作 这 台 计算机时，就 像 是 在 操 作 一 台 他 自 己 设 计 的 仪 器 一样。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单， 也是最本质的表述。虚拟仪器概念最早是由美国 国家仪器公司（ NI） 在 1986 年提出的。现在在国 外很多 高 校 都 已 经 建 立 了 比 较 成 形 的 虚 拟 实 验 室，国内高校 开 发 的 虚 拟 实 验 室 也 取 得 了 一 定 的 成绩，但是职 业 院 校 在 这 一 方 面 的 研 究 还 比 较 薄 弱。
虚拟仪器技术的最关键部分是软件的开发。 LabVIEW 是当前虚拟仪器开发的热门软件，该软 件不仅对各 种 软 硬 件 的 兼 容 性 非 常 好，能 很 好 地 扩展外围线路，而且具备了强大的数据处理能力， 能对数据进 行 复 杂 的 运 算，还1 － 18 第一作者简介： 马玉丽（ 1978 －
图 2 虚拟函数信号发生器前面板
3． 2 实操型实验 这类实验是通过软件界面操作实际实验设备 的虚拟实 验。 它 的 界 面 是 虚 拟 的，但 底 层 操 作 的 是实实在在的实验设备。这类实验室会有硬件的 投资，因此整体投资比纯软件的实验室要多，但得 到的数据是真实的。图 3 所示是虚拟实验平台的 构成图。
中图分类号： U665
文献标识码： A
0 引言 电工电子实验是理工科专业教学的一个重要 内容，是培养学生电子技术应用和后续工程设计、 维修不可 缺 少 的 教 学 环 节。 通 过 实 验 教 学，可 以 帮助学生更 好 地 理 解 专 业 理 论 知 识，培 养 学 生 解 决实际问题的能力。当前高等院校和职业院校面 临的一个问题就是实验设施很难满足实际教学的 需要，学生往 往 几 人 一 组，而 且 实 验 课 时 间 短，不 能达到预期的教学效果。基于传统的实验课程方 法，改造实验室，购买更多的实验仪器也是不现实 的，设备投入资金大，设备利用率低，淘汰快，而且 还需要专人来维护保养。随着电子技术的飞速发 展，新器件和新的实验方法层出不穷，传统的实验 教学方法 已 经 落 后 于 时 代 的 发 展。 为 此，各 大 院 校相继建立起计算机模拟仿真的实验教学方式， 利用现代科技条件充分发掘仪器设备的潜力。本 文运用虚拟 仪 器 技 术，以 微 机 为 基 础 构 建 集 成 化 测试平台，代替常规仪器仪表，不仅满足电工电子 实验教学的 需 要，而 且 可 以 根 据 课 程 的 发 展 更 新 实验平台，实 现 可 持 续 发 展，并 且 设 备 投 入 资 金 少，利用率高。 1 虚拟仪器技术简介