虛擬儀器實驗教案

1、課 程 教 案課程名稱： 虛擬儀器實驗 任課教師： 杜 鳴 笛 所屬院部： 電氣與信息工程學院 教學班級：自動化1201-02、自動化卓越班1301教學時間： 20152016 學年第 1 學期湖 南 工 學 院課程基本信息課程名稱虛擬儀器實驗課程代碼G0291154總計： 16 學時講課： 0 學時實驗： 16 學時上機： 0 學時課程設計： 周學 分1類別必修課（） 選修課（ ） 理論課（ ） 實驗課（）任課教師杜鳴笛職稱專職教師授課對象專業(yè)班級： 自動化1201-02、自動化卓越班1301 共3個班課程簡介（不超過1000字）虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術相結合的產(chǎn)物，是兩門學科的最

2、新技術的結晶，融合了測試理論、儀器原理和技術、計算機接口技術、高速總線技術以及圖形化軟件編程技術于一身，實現(xiàn)了測量儀器的集成化、智能化、多樣化及可編程化，在實驗教學中，虛擬儀器軟件編程環(huán)境給學生提供了一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間，有利于學生能力的培養(yǎng)。本課程的任務是讓學生學習和了解虛擬儀器的原理及開發(fā)技術，掌握虛擬儀器軟件平臺LabVIEW的基本的編程方法及調(diào)試技術，并結合多功能數(shù)據(jù)采集卡來完成一種虛擬儀器的程序設計。本實驗主要有軟件和硬件兩部分組成，通過一系列實驗加深和鞏固學生對所學專業(yè)課的理解和認識，擴展知識面，學會一些實用的技術和實驗技能。基本教材和主要參考資料 1教材：

3、虛擬儀器實驗指導書，自編 2參考資料：1 劉君華編著，虛擬儀器圖形化編程語言, 西安：西安電子科技大學出版社，20012 李剛編著，LabVIEW易學易用的計算機圖形化編程語言, 北京：北京航空航天大學出版社，20013 王磊等編著，精通LabVIEW8.0，北京：電子工業(yè)出版社，20074 National Instruments. LabVIEW Help, 20065 National Instruments, LabVIEW User manual, 2006 湖南工學院教案用紙 p.1 實驗一 LabVIEW軟件基本操作（一）（設計性實驗）一、實驗目的1了解LabVIEW的

4、編程與運行環(huán)境。2掌握LabVIEW的基本操作方法，并編制簡單的程序。3掌握使用調(diào)試工具調(diào)試VI程序。4掌握VI子程序的建立和調(diào)用過程。二、實驗原理與說明LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器集成環(huán)境) 是一個高效的圖形化程序設計環(huán)境，也是一個功能強大而又靈活地儀器和分析軟件應用開發(fā)工具。它結合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強大的G編程語言，提供了一個直覺式的環(huán)境，與測量緊密結合，能讓工程師與科學家們迅速開發(fā)出有關數(shù)據(jù)采集、測量控制、數(shù)據(jù)分析、存儲及顯示的解決方案。現(xiàn)今數(shù)以萬計的工程師、科學家以及

5、技術人員正在使用LabVIEW來構建測量與自動化系統(tǒng)。LabVIEW的基本編程環(huán)境，包括啟動界面，前面板，程序框圖，圖標/連線板、菜單、工具欄、三大操作選板（工具選板，控件選板，函數(shù)選板）等。在編程環(huán)境中可以創(chuàng)建、調(diào)試和調(diào)用VI，完成虛擬儀器的設計。三、實驗內(nèi)容及任務1、創(chuàng)建自己的第一個VI。創(chuàng)建一個VI，該 VI功能：輸入3個參數(shù)后，求其和，再開方。2、子VI的創(chuàng)建與調(diào)用 將上述VI創(chuàng)建成一個子VI，再編一個VI調(diào)用上述子VI。湖南工學院教案用紙 p.2 四、實驗報告要求1調(diào)試編輯以上VI，按順序打印以上VI的前面板與程序框圖后，貼在實驗報告上；實驗報告中要求詳細說明設計步驟要點。2理解基于

6、數(shù)據(jù)流編程的基本編程思路。3總結VI基本編程的快捷操作。4簡述VI程序有什么構成，其各部分的功能是什么。5思考：在前面板和框圖程序中，如何區(qū)分控制器和指示器。6心得體會及其它。五、實驗儀器與器材安裝有LabVIEW 的計算機湖南工學院教案用紙 p.3 實驗二 LabVIEW軟件基本操作（二）（設計性實驗）一、實驗目的1熟悉VI的數(shù)據(jù)類型；2掌握順序結構和循環(huán)結構（For循環(huán)、While循環(huán)）的編程；3學習并掌握如何創(chuàng)建、使用數(shù)組、簇函數(shù)的功能和應用，掌握它們的區(qū)別以及相應操作。二、實驗原理與說明LabVIEW順序結構功能：強制程序按一定的順序執(zhí)行。順序結構包含一個或多個按順序執(zhí)行的子程序框圖或

7、幀。兩種順序結構：平鋪式順序結構和層疊式順序結構。在各個子程序框圖之間傳遞數(shù)據(jù)時，平鋪順序結構可以直接連線，但層疊順序結構要借助于順序局部變量。While 循環(huán)和For循環(huán)在函數(shù)（Function）的結構（Structures）選項板中可以找到。創(chuàng)建循環(huán)的具體方法是，選擇該循環(huán)后，先在欲放入循環(huán)內(nèi)執(zhí)行的對象左上方單擊，然后按下鼠標，拖曳出一個矩形框包圍執(zhí)行對象。釋放鼠標時就創(chuàng)建了一個指定大小和位置的循環(huán)。While 循環(huán)可以反復執(zhí)行循環(huán)體的程序，直至到達某個邊界條件。它類似于普通編程語言中的 Do 循環(huán)和 Repeat-Until 循環(huán)。While 循環(huán)的框圖是一個大小可變的方框，用于執(zhí)行框中

8、的程序，直到條件端子接收到的布爾值為 FALSE。字符串、數(shù)組和簇是LabVIEW中的三種數(shù)據(jù)類型。字符串是可顯示的或不可顯示的ASCII字符序列。字符串有4種顯示類型：正常顯示、”代碼顯示、密碼顯示、十六進制顯示。LabVIEW的字符串子選板中有多個字符串處理函數(shù)。數(shù)組是相同類型數(shù)據(jù)的組合。一個數(shù)組可以是一維、二維或者多維，每一維最多可有231-1個元素?？梢酝ㄟ^數(shù)組索引訪問數(shù)組的每個元素，索引的范圍是0到 n1（其中n是數(shù)組中元素的個數(shù)）。創(chuàng)建數(shù)組有兩種方法：前面板上創(chuàng)建和程序框圖上創(chuàng)建。LabVIEW的數(shù)組函數(shù)子選板中有多個數(shù)組函數(shù)。簇是由不同類型的數(shù)據(jù)元素組成的一種數(shù)據(jù)類型，類似于C語

9、言中的結構體。簇的創(chuàng)建方法與數(shù)組類似。LabVIEW的簇函數(shù)子選板中有多個簇函數(shù)。三、實驗內(nèi)容及任務1、數(shù)據(jù)操作。編寫一個溫度監(jiān)測器，如右圖所示，當溫度超過報警上限，而且開啟報警時，報警燈點亮。溫度值可以由隨即數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。湖南工學院教案用紙 p.4 2、循環(huán)結構。利用順序結構和循環(huán)結構寫一個跑馬燈，如下圖所示，5個燈從左到右不停的輪流點亮，閃爍間隔由滑動條調(diào)節(jié)。3、字符串、數(shù)組、簇和矩陣。利用簇模擬汽車控制，如右圖所示，控制面板可以對顯示面板中的參量進行控制。油門控制轉速，轉速油門*100，檔位控制時速,時速檔位*40，油量隨VI運行時間減少。湖南工學院教案用紙 p.5 四、實驗報告要求1調(diào)

10、試編輯以上VI，按順序打印以上VI的前面板與程序框圖后，貼在實驗報告上；實驗報告中要求詳細說明設計步驟要點。2說明For循環(huán)與While循環(huán)的區(qū)別。3心得體會及其它。五、實驗儀器與器材安裝有LabVIEW 的計算機湖南工學院教案用紙 p.6 實驗三 LabVIEW軟件基本操作（三）（設計性實驗）一、實驗目的1學習并掌握圖表和圖形的使用，理解它們的區(qū)別；2掌握Express技術來快速簡便地搭建專業(yè)的測試系統(tǒng)；3學習并掌握LabVIEW中的文件I/O操作。二、實驗原理與說明LabVIEW圖形顯示控件主要包括：波形圖表、波形圖、XY圖、強度圖/圖表、數(shù)字波形圖、三維圖形等。波形圖和波形圖表顯示采樣率

11、恒定的數(shù)據(jù)。波形圖通常先將數(shù)據(jù)采集到數(shù)組中，再將數(shù)據(jù)繪制到圖形中（逐塊繪制）；波形圖表將新的數(shù)據(jù)點追加到已顯示的數(shù)據(jù)點上以形成歷史記錄（逐點繪制）。XY圖顯示采樣率非均勻的數(shù)據(jù)及多值函數(shù)的數(shù)據(jù)。強度圖/圖表在二維圖上以顏色顯示第三個維度的值，在二維圖上顯示三維數(shù)據(jù)。數(shù)字波形圖以脈沖或成組的數(shù)字線的形式顯示數(shù)據(jù)。三維圖形在前面板ActiveX對象的三維圖上顯示三維數(shù)據(jù)。Express VI面板包含大量的Express VI函數(shù)，主要分為六大類：信號輸入、信號分析、輸出、信號操作、執(zhí)行控制和程序結構體、算數(shù)和比較。通過這六大類函數(shù)基本上就能實現(xiàn)測試系統(tǒng)所需要的各種常用功能。LabVIEW可讀寫的文

12、件格式主要有：文本文件、二進制文件、數(shù)據(jù)記錄文件。LabVIEW中的“文件I/O”子選板有多個文件操作函數(shù)（比如寫入/讀取電子表格文件、寫入/讀取文本文件、寫入/讀取二進制文件、寫入/讀取數(shù)據(jù)記錄文件等），合理選用將可以實現(xiàn)新建、打開、關閉、讀/寫、刪除、復制、移動等各種文件操作。三、實驗內(nèi)容及任務1、圖形化顯示數(shù)據(jù)圖表和圖形。利用隨機數(shù)發(fā)生器仿真一個0到5V的采樣信號，每200ms采一個點，共采集50個點，采集完后一次性顯示在Waveform Graph上。湖南工學院教案用紙 p.7 在上例基礎上再增加1路電壓信號采集，此路電壓信號的范圍為5到10V，采樣間隔是50ms，共采100個點。采樣

13、完成后，將兩路采樣信號顯示在同一個Waveform Graph中。2、Express VI快速搭建專業(yè)測試系統(tǒng)。利用Express VI產(chǎn)生一個帶白噪聲的正弦信號，然后用功率譜分析Express VI對其進行功率譜分析，并將原信號與分析結果寫入測量文件。湖南工學院教案用紙 p.8 3、文件I/O。有一個測量程序，采集兩路信號，每1s采集一次，要求每采集一次，就將采集結果寫入文本文件尾部，即使重新運行程序，仍能保證數(shù)據(jù)添加到文件尾部，而不會覆蓋原有數(shù)據(jù)。格式為a保留4位小數(shù)，b為整數(shù)，如右圖所示。湖南工學院教案用紙 p.9 四、實驗報告要求1調(diào)試編輯以上VI，按順序打印以上VI的前面板與程序框圖

14、后，貼在實驗報告上；實驗報告中要求詳細說明設計步驟要點。2總結Chart和Graph的使用區(qū)別。3心得體會及其它。五、實驗儀器與器材安裝有LabVIEW 的計算機湖南工學院教案用紙 p.10實驗四 NI ELVISII平臺工作環(huán)境（驗證性實驗）一、實驗目的1了解NI ELVISII平臺工作環(huán)境；2熟悉軟前面板（SFP）工具；3熟悉LabVIEW應用程序編程接口（API）；4熟悉Multisim應用程序編程接口（API）；二、實驗原理與說明NI ELVIS II環(huán)境由以下幾部分組成： 硬件工作區(qū)用于創(chuàng)建電路及接口實驗NI ELVIS II軟件(在NI LabVIEW軟件中實現(xiàn))，包括以下： 軟前

15、面板(SFP)工具 LabVIEW 應用程序編程接口(API) Multisim應用程序編程接口(API) 通過API，用戶可使用在Multisim內(nèi)編寫的LabVIEW程序及仿真程序實現(xiàn)NI ELVIS II工作站的自定義控制及訪問。三、實驗內(nèi)容及任務1、量器件值。（1） 使用提供的USB線將NI ELVIS II工作站與計算機連接。USB一端連接于NI ELVIS II 工作站，USB方口端與計算機相連。打開計算機并啟動NI ELVIS II (接通工作站背面的開關)。USB ACTIVE (橘色) LED顯示ON。稍等一會兒后，ACTIVATE LED將顯示OFF，USB READY (

16、橘色)湖南工學院教案用紙 p.11LED顯示ON。（2）在計算機屏幕上點擊NI ELVISmx儀器啟動圖標，或點擊快捷方式。NI ELVIS II 儀器條將在屏幕上顯示?，F(xiàn)在您已經(jīng)完成測量的準備了。圖4-2. NI ELVISmx儀器啟動圖標條（3）用雙頭香蕉型接口連接數(shù)字萬用表(DMM) 輸入及工作站左側的COM端。另一頭連接一個電阻器。 （4）點擊NI ELVISmx儀器啟動中的DMM圖標，選擇數(shù)字萬用表。圖4-3. 數(shù)字萬用表，歐姆計配置您可以使用DMM SFP實現(xiàn)各類操作，如電壓、電流、電阻、電容等的測量。通過DMMX符號來表示X操作。 湖南工學院教案用紙 p.12本次測量的正確連接方

17、法顯示在DMM前面板上。（5）點擊Ohm按鈕 Ù 來使用數(shù)字歐姆表功能，DMMÙ。點擊綠色箭頭Run 來開始測量采集。測量3個電阻R1，R2，及R3。 將數(shù)據(jù)填寫到下表： R1 _ (1.0 kÙ標稱值)R2 _ (2.2 kÙ標稱值) R3 _ (1.0 MÙ標稱值) 如果要停止采集，可點擊紅色方形Stop按鈕。 注釋：通過點擊模式按鈕，可將自動量程改為指定量程，并通過點擊量程按鈕選擇最適當?shù)牧砍獭?、 在 NI ELVIS II 開發(fā)板上創(chuàng)建分壓電路（1）使用R1和R2兩個電阻在NI ELVIS II開發(fā)板上搭建以下電路。圖4-4 分壓電路

18、（2）將輸入電壓Vo連接至+5 V引腳接口。 （3）將共地端連接至GROUND引腳接口。 （4）將外部線一端連至DMM電壓輸入 VÙ及NI ELVIS工作站一側的COM，另一端連接2.2 k電阻。 （5）檢查電路后將上推電源開關至上端使開發(fā)板上電。3個電源LED指示燈，+15 V、15 V及+5 V此時應均呈綠色并點亮。圖4-5. NI ELVIS開發(fā)板上的電源LED指示燈湖南工學院教案用紙 p.12注釋：如果這些LED中的任何一個呈黃色，而其它為綠色，電源的可重置保險絲都將跳斷。此時需要關閉開發(fā)板電源以重置保險絲。檢查電路可能存在的短路情況。重新給開發(fā)板上電。此時LED將均呈綠色。

19、 （6）將DMMV測試端連至Vo，并通過DMMV功能測量輸入電壓。按下點擊Run來采集電壓數(shù)據(jù)。 V0 (測量值) _ 根據(jù)電路原理，R2上的輸出電壓V2應由以下公式得到：（7）使用上面的測量值R1，R2及Vo來計算V2。接下來，使用DMMV來測量電壓V2的真實值。 V2 (計算值) _ V2 (測量值) _ （8）測量值與計算值是否匹配？3、使用 DMM 測量電流根據(jù)歐姆定律，以上電路的電流(I)等于V2/R2。 （1）使用V2及R2的測量值計算電流。 （2）將連接至V的外部連線連至電流輸入端(A)，進行電流的直接測量。將另一端連至電路，如下所示。圖4-6. 測量電流的修改電路 （3）選擇功

20、能DMMA，并測量電流。 I (計算值) _ I (測量值) _ （4）測量值與計算值是否匹配？湖南工學院教案用紙 p.124、觀察 RC 瞬態(tài)電路的電壓變化采用DMM功能來測量1µF的電容。（1）將電容的導線連接到阻抗分析儀的輸入端DUT+和DUT上。你可以在NI ELVIS II原型板的左下方接線塊上找到這兩個端口。（2）要測量電容和電感，必須為原型板供電，需將原型板的電源切換為ON狀態(tài)。（3）單擊電容按鈕 ，使用DMM 功能來測量電容C。按下Run按鈕獲取電容值。（4）建立一個如下圖所示的RC瞬態(tài)電路。該電路中采用了分壓電路，其中R1由R3(1M電阻)取代，而R2則由1

21、1;F的電容C取代。將DMM的導線移至輸入插孔V 和COM。其它兩端則分別接到電容上。圖4-7 RC瞬態(tài)電路（5）選擇DMMV并單擊RUN。（6）給電路上電后電容兩端的電壓指數(shù)將上升。將DMM的電壓范圍設置為指定范圍 10 V。打開原型板的電源，觀察數(shù)字顯示器和%FS線性范圍上的電壓變化。（7）大概幾秒鐘之后才能獲得Vo的穩(wěn)態(tài)值。切斷電路電源后，電容兩端電壓指數(shù)將下降到0V 。試試看吧！注意 該練習只是描述了NI ELVIS II數(shù)字萬用表的一種特殊功能。即使當原型板的電源斷開時，它甚至還可以工作。5、可視化 RC 瞬態(tài)電路的電壓（1）移除+5 V電源引線，并采用一根連接到可變電源插口SUPP

22、LY+的導線來取代。將輸出電壓VC連接到模擬輸入插口AI 0+和AI 0，如下圖所示。湖南工學院教案用紙 p.12圖4-8. NI ELVIS II原型板上的RC瞬態(tài)電路關閉NI ELVIS II并啟動LabVIEW。 在NI ELVIS II的程序庫文件夾中，選擇RC Transient.vi。該程序采用LabVIEW API，將可變電源的電壓調(diào)為+5V并持續(xù)5s，接著將VPS電壓重新設置為0V并持續(xù)5s；與此同時，測量電容兩端的電壓，并在LabVIEW圖表中實時顯示該電壓。圖4-9. RC瞬態(tài)電路的充電和放電波形這種方波激勵可以非常明顯地顯示簡單RC電路的充電和放電特性。 （2）看看Lab

23、VIEW方框圖，來了解該程序是如何工作的。湖南工學院教案用紙 p.12圖4-10. RC Transient.vi程序的LabVIEW方框圖在該四幀序列的第一幀中，NI ELVISmx可變電源虛擬儀器(VI)向NI ELVIS II原型板上的RC電路輸出+5.00V電壓。第二幀以1/10秒為間隔、順序讀取50次電容兩端的電壓值。在for循環(huán)中，DAQ助手以1000 S/s的速率讀取100個數(shù)據(jù)，并將這些值傳送至一個簇陣列中(粗的藍/白線)。從該簇中將數(shù)據(jù)陣列(粗的橘色線)傳送至Mean VI中，返回這100個讀數(shù)的平均值。然后，將該平均值通過一個本地的變量終端<< RC Charg

24、ing and Discharging >>，傳送至LabVIEW圖表中。下一幀將VPS+電壓設置為0V。最后一幀則測量放電循環(huán)中的另外50個平均采樣值。該程序記錄了RC電路的一個完整的充電和放電周期。如果要重復該周期，可以將上述程序放入一個while循環(huán)中。四、實驗報告要求1按上述實驗內(nèi)容的指導進行操作，將結果貼在實驗報告上。2NI ELVISII平臺工作環(huán)境由哪幾部分組成的。3如何使用NI ELVIS II工作站進行電器元件特性測量。4心得體會及其它。五、實驗儀器與器材安裝有LabVIEW 的計算機所需軟面板(SFPs)：數(shù)字歐姆計 數(shù)字電容計數(shù)字電壓計V所需器件：kÙ

25、;電阻，R1，(棕，黑，紅)2.2 kÙ電阻，R2，(紅，紅，紅)1.0 MÙ電阻，R3，(棕，黑，綠)1 F 電容C需用電阻 7.5 k, 1 k, 2 k, 4 k, 及8 k標稱值湖南工學院教案用紙 p.12實驗五 電子溫度計實驗（設計性實驗）一、實驗目的1熟悉NI ELVISII可變電源（VPS）的使用；2掌握虛擬控件的使用；3掌握使用LabVIEW的輸入和顯示控件，結合NI ELVIS II API構建數(shù)字溫度計。二、實驗原理與說明熱敏電阻是用半導體材料制造的二線元件。它具有非線性響應曲線和負溫度系數(shù)。熱敏電阻為在寬動態(tài)范圍內(nèi)測量溫度提供了理想的傳感器，在溫度報警

26、電路中特別有用。本實驗介紹NI ELVIS II 可變電源（VPS）。您可以使用工作臺上的面板控件或計算機屏幕上的虛擬控件進行使用，您還可以將它嵌入到 LabVIEW 程序中。VPS 激勵在分壓電路中的 10k熱敏電阻。熱敏電阻兩端測量到的電壓與其電阻值相關，從而也就與溫度相關。本實驗演示了您如何使用 LabVIEW 的輸入和顯示控件，結合 NI ELVIS API 構建數(shù)字溫度計。三、實驗內(nèi)容及任務1、測量電阻元件阻值（1）啟動 NI ELVIS II。 （2）從儀器軟件前面板列表中選擇數(shù)字萬用表（DMM）。 （3）點擊歐姆按鈕。 （4）將測試接頭分別連接到 DMM的【V】和【COM】端。

27、（5）測量 10 k 電阻和熱敏電阻。 （6）填寫下表：10 k電阻_歐姆 熱敏電阻_歐姆（7）保持連接熱敏電阻的狀態(tài)下，將熱敏電阻拿在指尖處，使它升溫，觀察電阻變化。 電阻阻值隨著溫度的升高將會降低（負溫度系數(shù)），這是熱敏電阻的重要特性。熱敏電阻使用半導體材料制造的，其電阻特性關于環(huán)境溫度呈指數(shù)關系，因此會得到非線性響應。熱敏電阻響應與 RTD（100 鉑電阻溫度設備）比較，如下圖所示。圖 5-1：熱敏電阻與RTD的電阻-溫度曲線湖南工學院教案用紙 p.122、操作可變電源完成以下步驟，設置一個或兩個可變電源的電壓等級。 （1）從軟件前面板菜單中，選擇【VPS】圖標。NI ELVIS II

28、共有兩個可控電源，0 至-12 V以及0至+12 V，每個最大都可以輸出 500 mA 電流。在默認模式下，您可以使用上述虛擬面板控制 VPS。在虛擬旋鈕上設置輸出電壓，點擊【運行】對話框。輸出電壓顯示在您所選擇的電源的上方顯示區(qū)域（以藍色顯示）。在點擊停止按鈕之后，原型板的輸出電壓被重置為零。 說明：要將輸出電壓在一定的電壓范圍內(nèi)掃描，先確保您按下了【停止】按鈕。選擇電源（或）、開始電壓、停止電壓、階躍大小、階躍間隔，點擊【掃描】。要進行手動操作，點擊手動欄，使用 NI ELVIS II 工作站右側的旋鈕，設定輸出電壓。要查看顯示區(qū)域的輸出電壓，請點擊在 LabVIEW 標簽旁邊所出現(xiàn)的白框

29、。圖 5-2：可變電源的虛擬軟件前面板（2）將接頭從標有可變電源【電源】和【地】的原型板接頭連接到 DMM 電壓輸入上。（3）選擇 DMM【V】點擊運行選VPS前面板，點擊運行。（4）旋轉虛擬 VPS 的電源控件，觀察在 DMM 【V】顯示上出現(xiàn)的電壓變化。說明：您可以使用【重置】按鈕快速將電壓重置為零。（5）點擊手動欄，激活工作站右側的真實控件。虛擬控件被灰色顯示。觀察站的綠色手動湖南工學院教案用紙 p.12模式 LED 已經(jīng)點亮。（6）旋轉電源旋鈕，觀察 DMM 上的變化。 說明：VPS的工作方式完全相同，只是輸出電壓是負的。3、 熱敏電阻電路完成以下步驟，構建并測試熱敏電阻電路。 （1）

30、在工作站原型板上，使用10k電阻和熱敏電阻建立分壓器電路。輸入電壓被連接到【電源】和【地】接頭上。熱敏電阻兩端的電壓輸出到 DMM 【V】接頭上。圖 5-3：使用熱敏電阻的溫度測量電路圖 5-4：NI ELVIS原型板上的實際熱敏電阻電路湖南工學院教案用紙 p.12（2）確?？勺冸娫措妷罕辉O置為零。為原型板加電，觀察 DMM 上電壓的顯示值。將電壓從 0增加到5 V。熱敏電阻兩端的被測電壓 VT將大約增加到 2.5 V。（3）將電源電壓減小為3 V。這樣確保了熱敏電阻中自己產(chǎn)生的熱量（焦耳熱）不會影響外部溫度讀數(shù)。（4）用您的指尖加熱熱敏電阻，觀察電壓降低。您可以重新安排分壓方程，按如下方法計

31、算熱敏電阻阻抗：RT=R1*VT/(3-VT)在環(huán)境溫度為 25度的情況下，熱敏電阻阻抗大約為 10 k 。 這個方程稱為比例函數(shù)，您可以將被測電壓轉換為熱敏電阻阻抗。您可以方便地使用NI ELVIS II DMM 或在 LabVIEW 程序（VI）中測量 VT。 在 LabVIEW中，以上比例方程被編寫為子VI，如下圖中的程序框圖所示。圖 5-5 比例函數(shù)的程序框圖熱敏電阻響應曲線展示了設備阻抗和溫度之間的關系。很明顯，在這個曲線中熱敏電阻具有以下三個特性： 溫度系數(shù) R/T 是負數(shù)。 響應曲線是非線性的（指數(shù)關系）。 阻抗在多個十倍程范圍內(nèi)變化（參閱圖 2-2）。 您可以通過用數(shù)學函數(shù)擬合

32、響應曲線，得到標定曲線（參閱本章最后的附錄）。LabVIEW 包含了許多數(shù)學工具可以擬合這種關系。在找到正確的方程之后，您可以為標定區(qū)域內(nèi)使用任何電阻計算溫度。以下標定 VI 是熱敏電阻常用的，它展示了您可以如何使用 LabVIEW 公式節(jié)點計算數(shù)學方程。湖南工學院教案用紙 p.12圖 5-6 對于這個熱敏電阻，標定方程為 R=29.95798exp(-0.04452T)4、 構建 NI ELVIS 虛擬數(shù)字溫度計數(shù)字溫度計程序 Digital Thermometer.vi 激活 VPS，為熱敏電阻電路加電。之后它讀取熱敏電阻兩端的電壓，將它轉化為溫度，并以多種格式將數(shù)值顯示在前面板上。 測量

33、、比例變化、標定以及顯示是在 while 循環(huán)中順序完成的。VoltsIn.vi 測量熱敏電阻電壓。Scaling.vi 將測量得到的電壓根據(jù)上述的比例方程轉化為電阻。Convert R-T.vi 使用已知的標定曲線將電阻轉化為溫度。最后，溫度以數(shù)字、儀表讀數(shù)以及溫度計的形式顯示在 LabVIEW 的前面板上。等待函數(shù)設定為 100 ms 確保每十分之一秒進行一次電壓采樣。 所有這些過程都在 while 循環(huán)中執(zhí)行，直至點擊前面板上的【停止】按鈕。圖 5-7：數(shù)字溫度計程序的程序框圖熱敏電阻和電阻一樣，在有電流通過的時候會產(chǎn)生熱量（焦耳熱）。對于一個設法測量外界溫度的熱敏電阻而言，這樣自發(fā)產(chǎn)生

34、的熱量可能是一個問題。我們使用的方法是盡可能減小通過其中的電流，這樣外界的溫度效應將遠遠大于電流所產(chǎn)生的熱效應。對于10k熱敏電阻，驅動電流為+3V可以滿足這個要求。使用 LabVIEW Express VI，您可以在NI ELVIS II 工作站上對可變電源進行編程。在橙色框中的數(shù)值 3 將 VPS+輸出設置為+3.0V。另一個綠色電線連接到停止按鈕，可以確保在程序結束的時候 VPS 被重置為零。 完成以下步驟打開并查看數(shù)字溫度計 VI 中的組件和代碼：（1）在動手 NI ELVIS II 庫文件夾中，打開 Digital Thermometer.vi。（2）打開程序框圖（窗口顯示程序框圖）

35、以及子VI（雙擊圖標）查看程序流程，觀察子 VI以及讀函數(shù)與轉換函數(shù)是如何編寫的。湖南工學院教案用紙 p.12有了熱敏電阻的標定曲線，您可以使用合適的方式更新子VI（Convert R-T），用來得到可以正常工作的數(shù)字溫度計。 如果您希望編寫自己的程序，可以在函數(shù)選板中找到VPS API 函數(shù)（函數(shù)測量 I/ONI ELVISmxNI ElVISmx 可變電源）。圖5-8 函數(shù)選板五、實驗儀器與器材安裝有LabVIEW 的計算機所需軟面板(SFPs)：數(shù)字歐姆計 DMM 【】數(shù)字電壓計 DMM 【V】可變電源（VPS）所需器件：10 k 電阻 R1（紅色、黑色、橙色） 10 k 熱敏電阻 RT

36、湖南工學院教案用紙 p.12實驗六 AC電路工具實驗（設計性實驗）一、實驗目的1熟悉針對AC電路的NI ELVIS II工具使用；2學習并掌握如何使用數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器、阻抗分析儀和波特分析儀。二、實驗原理與說明許多電路都包含交流（AC）部分。要設計好的電路需要有測量元件和阻抗值的工具，以及用于顯示電路屬性的工具。利用良好的 AC 工具和一些基本的電路知識，您可以修改任何電路以實現(xiàn)最優(yōu)的響應。該實驗介紹了針對 AC 電路的NI ELVIS II工具：一個數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器、阻抗分析儀和波特分析儀。三、實驗內(nèi)容及任務1、電路元件值的測量請完成下列步驟以獲取電路元件的值：（

37、1）啟動 NI ELVIS II工具條。（2）選擇數(shù)字萬用表。（3）將測試導線與 DMMV和COM相連接。（4）利用 DMM測量電阻R。（5）利用 DMM測量電容C。（6）填寫下表：電阻R _ k（1 k標稱） 電容C _µF（1µF 標稱） （7）關閉該DMM。2、元件與電路阻抗 Z 的測量對于一只電阻，阻抗與DC電阻完全相同。您可以用一個兩維圖中的一條沿X-軸的直線表示該阻抗，這常常被稱為實數(shù)部分。對于一只電容，阻抗（或者更具體地，容抗），Xc是虛數(shù)，取決于頻率，用兩維圖中的一條沿Y-軸的直線表示。它被稱為虛數(shù)部分。在數(shù)學上，一只電容的容抗表示為：Xc=1/jC其中，

38、是角頻率（以弧度/秒為單位），而 j 是一個用于表示一個虛數(shù)的符號。一個串聯(lián)的RC 電路的阻抗是這兩個元件的阻抗之和，其中，R 是電阻性（實數(shù)）元件，而 Xc 是電抗性（虛數(shù)）元件。Z=R+Xc=R+1/ jC阻抗也可以利用極坐標圖中的一個相位向量表示，其中：幅值=（R2 +Xc2 ）且相位 =tan-1（Xc/R）湖南工學院教案用紙 p.12一個電阻具有一個沿著實數(shù)（X）軸的相位相量。一個電容具有一個沿著負虛數(shù)（Y）軸的相位相量。根據(jù)復數(shù)代數(shù)有：1/j=-j完成下列步驟以實時地觀察該相位相量：（1） 從 NI ELVISmx 儀器啟動程序中選擇阻抗分析儀（Imped）。圖 6-1 一個RC電

39、路在頻率為1000Hz時的相位向量（2）將您的元件置于 NI ELVIS II面包板之上。（3）將來自阻抗分析儀的 DUT+和DUT-端的跳線與標稱為1 k的電阻相連接。（4）為 NI ELVIS II面包板上電，并點擊運行。（5）驗證該電阻的相位向量沿實數(shù)軸，并且其相位為 0。（6）將該阻抗分析儀的跳線與電容相連接。（7）驗證該電容的相位向量沿負虛數(shù)軸，并且其相位為 270 或-90 度。 （8）默認測量頻率為1000Hz。調(diào)整頻率值，并觀測到該容抗（該相位向量的長度）在您提高該頻率時變小，在您降低該頻率時變大。因為：|Xc|=1/C。（9）將該阻抗分析儀的跳線與串聯(lián)的電阻電容相連接。該相位

40、向量現(xiàn)在同時具有一個實數(shù)部分和虛數(shù)部分。（10）將該測量頻率按從100Hz到500Hz、1000Hz和1500Hz改變，并觀察該相位向量的移動。（11）調(diào)整該頻率，直至該容抗|Xc|的幅值等于該電阻 R 的幅值。在此特定頻率下，該相位向量的相位讀數(shù)為 315 或-45 度。（12）該相位向量的幅值為多少_？（13）答案：|R|2（14）關閉該阻抗分析儀的窗口。湖南工學院教案用紙 p.123、利用函數(shù)發(fā)生器和示波器測量一個 RC 電路完成下列步驟以構建和測試 RC 電路：（1）在工作站面包板上，利用一個1µF電容和一個1.0k電阻構建一個分壓電路。（2）將該 RC 電路的輸入與該面包板

41、上的函數(shù)發(fā)生器FGEN與接地的引腳插座相連接。 圖 6-2 與該FGEN相連接的實際RC元件通常用一個函數(shù)發(fā)生器來提供AC電路的電源。利用它測試您的RC電路。（3）從 NI ELVISmx 儀器啟動程序中選擇 FGEN 圖標.湖南工學院教案用紙 p.12圖6-3 FGEN前面板該 FGEN SFP 具有可以完成下列操作的控制功能： 選擇波形類型（正弦波、三角波或方波） 通過旋轉頻率刻度盤或在文本框單位：Hz中輸入頻率，設置該頻率 利用幅值和 DC 偏移控件，選擇波形幅值與任何偏移 函數(shù)發(fā)生器的實時控制（頻率與幅值）也可使用右側的 NI ELVIS工作站。正如可變電源供應一樣，您可以通過點擊手動

42、模式框啟用手動控制。該工作站右部的一個綠色 LED 變亮，表示手動控制。這時，該 NI ELVISmx 函數(shù)發(fā)生器窗口中，頻率與幅值的旋鈕已被激活，而虛擬控制則變灰（被禁用）。 注意：該函數(shù)發(fā)生器還提供了一些特定的操作，如信號調(diào)制（AM 或 FM）或頻率掃描。您將在后續(xù)的一個實驗中使用這些特性。（4）設置該函數(shù)發(fā)生器為正弦波、2000Hz、2 Vpk-pk。點擊運行。您可以利用該示波器軟面板軟面板可視化顯示和分析該RC電路的電壓信號。（5）從 NI ELVISmx 儀器啟動程序中，選擇該示波器圖標。湖南工學院教案用紙 p.12圖 6-4 顯示于該示波器前面板的正弦波該示波器軟面板與絕大多數(shù)的示

43、波器相似，但該 NI ELVIS可以自動實現(xiàn)輸入與各種信號源的連接，具有內(nèi)置AC測量和波形光標，并可以方便地記錄波形模式。（6）通過您的RC電路中的1k電阻連接該 NI ELVIS II工作站的左側的 CH0 BNC連接端子的測試導聯(lián)線。對該面板加電，并點擊該示波器的運行按鈕。（7）您可以在該示波器上看到一個正弦波波形。進行如下設置： 刻度 CH0 500 mV/div 耦合 CH0 AC 時基 500 µs/div 觸發(fā)信號（邊緣）、信號源（通道 0 信號源）、電壓水平（V）（0.1） 在波形屏幕的底部檢查通道 0 的測量結果：RMS、頻率和 Vpk-pk。您可以激活光標以測量時間

44、相關的參數(shù)，如周期、占空比和時間間隔。（8）調(diào)節(jié) FGEN 的控件（虛擬或真實），并觀察該示波器窗口的變化。（9）將從該示波器的 CH1 引出的另一組測試導聯(lián)線與該面板上的函數(shù)發(fā)生器 SYNC 引腳和地線相連接。該 SYNC 是一個TTL 5V信號，常用作觸發(fā)信號。（10）點擊該示波器的 CH1 啟用框 。您將看到一只 TTL 電壓的新信號（藍色）?？蓞㈤單挥谠搶嶒炇议_始部分的示波器圖像（11）該RC電路是一個無源高通濾波器，其低頻截止頻率約為160Hz。您可以利用該FGEN的頻率掃描特性可視化顯示該濾波器的參數(shù)。按照上述配置設置該濾波器。設置該FGEN的控制變量如下：湖南工學院教案用紙 p.

45、12-起始頻率 5Hz -停止頻率 5 kHz -步進頻率 50 Hz 點擊該函數(shù)發(fā)生器的停止按鈕，然后點擊掃描按鈕。（12）觀測在頻率掃描過程中，經(jīng)濾波處理的CH0信號如何隨該 SYNC CH1信號的幅值和相位而改變。當頻率較低時，該CH0信號的幅值較小，而且并不與該 SYNC 信號同相位。當頻率較高時，其幅值與該函數(shù)發(fā)生器的幅值接近，并且這兩個信號相位同步關閉該函數(shù)發(fā)生器和示波器窗口。4、電路的增益/相位波特圖波特圖以非常真實的圖形化格式描述了一個 AC 電路的頻率特性。幅值響應被繪制為對數(shù)頻率的一個函數(shù)電路增益（以分貝為測量單位）。相位響應被繪制為對數(shù)頻率的一個函數(shù)在線性標度上的輸入信號

46、與輸出信號之間的相位差。完成下列步驟以構建一個RC電路，并測量該電路的增益波特圖與相位波特圖。（1）從NI ELVISmx儀器啟動程序中選擇“ 波特”圖標。利用該波特分析儀，您可以對某一頻率范圍進行掃描從一個起始頻率到一個停止頻率，步進頻率為f。您還可以設置該測試正弦波的幅值。該波特分析儀利用該函數(shù)發(fā)生器軟面板生成該測試波形。您必須將 FGEN 的輸出插座與您的測試電路，以及AI 1+和接地AI 1-相連接。該被測電路的輸出與AI 0+和接地相連接。您可以通過點擊位于該波特分析儀窗口的右下角的“幫助”按鈕，獲取更多信息。（2）面板中重新搭建該 RC 電路（與下面電路相似），并完成如上所述的連接

47、。圖 6-5 RC 元件波特測量的連接湖南工學院教案用紙 p.12（3）檢查您的電路是否按上述方式連接。打開面板的電源，并點擊運行按鈕。圖6-6一個 RC 電路的波特分析儀的前面板測量結果（4）點擊 光標啟用選擇框。您可以步進通過您所測量的數(shù)據(jù)點，并察看對應每個所測量的頻率的幅值與相位。（5）注意信號幅值下降-3dB 所對應的頻率。此頻率點的相位應當顯示為約45度。該頻率被稱為低通截止頻率。（6）該示波器和該波特分析儀都具有一個記錄記錄按鈕。當被激活時，圖形中所展現(xiàn)的數(shù)據(jù)被寫入到您硬盤驅動器上的一個電子表格文件?，F(xiàn)在，您可以利用 Excel、LabVIEW、NI DIAdem 或一些其它分析或

48、繪圖程序，讀取該數(shù)據(jù)以供進一步分析。（7）點擊記錄按鈕，并保存您的數(shù)據(jù)集。四、實驗報告要求1按上述實驗內(nèi)容的指導進行操作，將結果貼在實驗報告上。2心得體會及其它。五、實驗儀器與器材安裝有LabVIEW 的計算機所需軟面板(SFPs)：使用歐姆計/電容（DMM/）的數(shù)字萬用表函數(shù)發(fā)生器（FGEN）示波器（示波器）阻抗分析儀（Imped）波特分析儀（波特）湖南工學院教案用紙 p.12所需器件：1 k 電阻，R，（褐色、黑色、紅色） 1µF 電容，C湖南工學院教案用紙 p.12實驗七 運放濾波器實驗（綜合性實驗）一、實驗目的1了解在基本運算放大器中添加一些電容與電阻，可以組成有源濾波器；2

49、掌握利用Multisim實現(xiàn)濾波器的仿真；并設計一個二階有源濾波器；二、實驗原理與說明在基本運算放大器（op amp）中添加一些電容和電阻，會得到許多有趣的模擬電路，如有源濾波器、積分器和微分器。濾波器用于通過特定的頻帶，積分器用于比例控制，而微分器則用于噪聲抑制和波形發(fā)生電路。該實驗室采用 NI ELVIS II儀器套件，以測量低通、高通和帶通濾波器的特性。利用 Multisim以及所測得的元件規(guī)格，實現(xiàn)這些濾波器的仿真。在位于本章結束部分的實驗室挑戰(zhàn)中，Multisim 被用于設計一個二階有源濾波器。三、實驗內(nèi)容及任務1、測量電路元件的規(guī)格賦值完成下列步驟，以測量各個元件的規(guī)格賦值：（1）

50、啟動 NI ELVIS II。（2）從儀器測量欄中選中 DMM 圖標。（3）選擇 DMM以測量電阻。（4）選擇 DMM以測量電容。（5）填寫下列信息。 R1 _ （10 k標稱） Rf _ （100 k標稱） C1 _µF（1µF 標稱） Cf _µF（0.01µF 標稱）（6）關閉該DMM。2、基本運放電路的頻率響應完成下列步驟，以搭建一個運放并對其進行測量。（1）在工作站面板上，搭建一個簡單的741反向運放電路，其增益為10，如圖 7-1 所示。圖 7-1 一只增益為10的741反向運放電路的原理框圖湖南工學院教案用紙 p.12該NI ELVIS I

51、I面板上的電路與圖 7-2 相似。圖 7-2 在NI ELVIS II面板上的741反向運放電路注意：該運放采用+15 VDC 和-15 VDC 的電源供應。它們可以在該面板上標記為“DC 電源供應+15V、-15V 與接地”的引腳插座上找到。（2）將該函數(shù)發(fā)生器FGEN的引腳插座與該運放的輸入 V1 相連接。（3）將接地引腳插座與該運放的引腳 3 相連接。（4）將該運放的輸出電壓 Vout 與該示波器的 BNC 輸入連接端子CH1 與接地相連接。（5）從 NI ELVISmx 儀器啟動程序中，選擇函數(shù)發(fā)生器（FGEN）圖標和示波器（示波器）圖標。注意：在默認情況下，該示波器的通道 0 信號源

52、配置被設置為示波器通道 0，通道1信號源配置被設置為示波器通道1。這些分別是您的運放的輸入信號與輸出信號。（6）如欲察看該些信號，請點擊該些啟用選擇框。（7）在函數(shù)發(fā)生器的面板上，設置下列參數(shù)： 波形：正弦波 波峰幅值：0.2 pp 頻率：1000 Hz DC 偏置：0.0V（8）檢查您的電路，然后給該 NI ELVIS II面板加電。（9）點擊該 FGEN 與示波器軟面板的運行按鈕。（10）設置觸發(fā)信號為邊緣觸發(fā)、CH0、電壓水平為0.0和時間標度為 1ms。湖南工學院教案用紙 p.12（11）在該示波器窗口測量該運放的輸入（CH0）和輸出（CH1）的幅值。圖 7-3 反向運放的輸入與輸出信

53、號注意：該輸出信號如預期相對該輸入信號反轉。（12）計算電壓增益（幅值之比，CH1/CH0）。（13）嘗試從 100Hz 到 10 kHz 的頻段。 您的測量結果在多大程度上與理論增益（Rf/R1）相一致？ 該比值是否仍與 100 kHz 時的比值相同？（14）關閉該 FGEN 和示波器窗口。3、測量該運放的頻率特性研究一個運放的 AC 特性響應曲線的最佳方法便是測量其波特圖。該波特圖基本上是對數(shù)頻率的一個函數(shù)增益（dB）與相位（度）的圖形。一個反向運放電路的傳輸函數(shù)有如下表述：Vout=-( Rf/R1)V1其中，Vout 為該運放的輸出，V1 為該運放的輸入（您的電路中的 FGEN 的幅值）。該增益是量值（Rf/R1）。該