LABVIEW觀測(cè)RLC電路

1、LABVIEW觀測(cè)RLC電路李首卿 201311141049一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉使用Labview編程；2. 感受使用Labview編程的優(yōu)點(diǎn)和好處；3. 觀察并記錄RLC串聯(lián)電路幅頻特性和相頻特性。二、 實(shí)驗(yàn)器材電阻、電感、電容、電腦、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字示波器和導(dǎo)線若干。三、 實(shí)驗(yàn)電路圖本實(shí)驗(yàn)電路圖非常簡(jiǎn)單。最下面的一對(duì)紅黑插頭是來(lái)自信號(hào)發(fā)生器的，其作用是生成電壓；中間的一對(duì)紅黑插頭接到數(shù)字示波器信號(hào)源一，對(duì)總電路電壓進(jìn)行即Ui進(jìn)行測(cè)量；最上邊的一對(duì)紅黑插頭接到數(shù)字示波器信號(hào)源二，調(diào)整R、L、C三者順序分別對(duì)R、L、C的電壓進(jìn)行測(cè)量，即U0。四、 Labview程序介紹此實(shí)驗(yàn)中Labvie

2、w程序框圖的主干部分是對(duì)于信號(hào)發(fā)生器（DG）和數(shù)字示波器（MSO）的控制。我們使用錯(cuò)誤輸入和錯(cuò)誤輸出將事件按照先后順序連接。主干程序如下圖所示：我們以黃色的線條（錯(cuò)誤簇）的先后連接順序介紹程序。第一步是一個(gè)VISA打開函數(shù)，我們將信號(hào)發(fā)生器打開；第二步是一個(gè)VISA寫入函數(shù)，寫入“OUTP ON”使信號(hào)發(fā)生器向外輸出信號(hào)；第三步VISA寫入“FUNC SIN”命令信號(hào)發(fā)生器輸出正弦函數(shù)波形；第四步連入打開數(shù)字示波器的VISA寫入函數(shù)；第五步VISA寫入“FREQ ”改變控制輸出正弦波的頻率，在這一步我們運(yùn)用對(duì)數(shù)掃頻：使信號(hào)發(fā)生器輸出頻率以等比級(jí)數(shù)（公比為1.1）從50Hz增加到100000Hz

3、。在程序框圖中的表現(xiàn)便是一個(gè)while循環(huán)，防止生成改變信號(hào)速度過(guò)快影響測(cè)量其后面跟了一個(gè)時(shí)間延遲函數(shù)延遲時(shí)間1s；第六步讀取get waves函數(shù)，將數(shù)字示波器的信號(hào)讀取至電腦上并將其表現(xiàn)在前面板；第七步是VISA關(guān)閉函數(shù)關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字示波器。至此便是此實(shí)驗(yàn)主干程序的詳細(xì)解釋。下面介紹一下用于測(cè)量和計(jì)算RLC電路的功能程序部分。從程序框圖中可以看到：首先將主干程序中g(shù)et waves中得到的兩組數(shù)據(jù)分開，并分別對(duì)其進(jìn)行單頻測(cè)量，得到兩組幅值、頻率和相位；接著對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理：相位進(jìn)行相減得到相位差；幅值進(jìn)行相比。下方的條件結(jié)構(gòu)是用于分析相位差并將其控制在-180°至18

4、0°之間；然后將數(shù)據(jù)以頻率f為橫坐標(biāo)，分別以幅值比U0/Ui、相位差為縱坐標(biāo)作圖顯示在前面板；最后將頻率f、幅值比U0/Ui、相位差的數(shù)據(jù)輸出保存。五、 實(shí)驗(yàn)原理RLC串聯(lián)穩(wěn)態(tài)電路的電流值、電壓值和相位差下方公式給出：I=UR2+(L-1C)2UR=URR2+(L-1C)2Uc=UCR2+(L-1C)2UL=ULR2+(L-1C)2=tan-1L-1CR由以上公式得出RLC串聯(lián)電路的相頻特性結(jié)論如下：1) 諧振頻率：當(dāng)L-1C=0時(shí)，=0，并且UR=U為極大值。此時(shí)的頻率記為諧振頻率f0，電路的這一特殊狀態(tài)稱為諧振態(tài)，f0=02=12LC。2) 當(dāng)L-1C>0時(shí)，即>0，

5、>0。電流的相位落后于電源電壓，整個(gè)電路呈電感性。隨著的減小，趨于2；3) 當(dāng)L-1C<0時(shí)，即<0，<0。電流的相位超前于電源電壓，整個(gè)電路呈電容性。隨著的減小，趨于-2。六、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不再錄入實(shí)驗(yàn)報(bào)告，僅僅將根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所畫的數(shù)據(jù)圖放上：1) 電阻與下圖相比可以看到在諧振頻率處相位差為0，小于諧振頻率時(shí)逐漸接近-90°，大于諧振頻率的時(shí)候逐漸接近90°。在峰值處代表達(dá)到諧振頻率，此時(shí)幅值比基本是1。2) 電容當(dāng)處于低頻的時(shí)候，與總電壓相位保持一致，相位差接近0；處于諧振頻率的時(shí)候相位差迅速擴(kuò)大至180°；頻率大于諧振頻率后相位差

6、基本保持不變。電容“通低頻阻高頻”的性質(zhì)很容易讀出：在低頻時(shí)幅值比接近于1，但是當(dāng)高頻的時(shí)候其幅值比接近于零，當(dāng)處于諧振頻率的時(shí)候幅值比迅速攀升至最大值。3) 電感當(dāng)處于諧振頻率的時(shí)候相位差接近于-180°，高于諧振頻率后，相位差迅速增大至0°并基本保持不再改變。電感“通高頻阻低頻”的性質(zhì)可以較明顯看出：當(dāng)處于低頻的時(shí)候，幅值比接近于0；當(dāng)處于高頻的時(shí)候，幅值比接近于1；處于諧振頻率的時(shí)候幅值比達(dá)到最大值。七、 Labview優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用Labview的優(yōu)點(diǎn)1. 測(cè)試測(cè)量：LABVIEW最初就是為測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，因而測(cè)試測(cè)量也就是現(xiàn)在Labview最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多

7、年的發(fā)展，Labview在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認(rèn)。至今，大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的Labview驅(qū)動(dòng)程序，使用Labview可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時(shí)，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的Labview工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開發(fā)程序就容易多了。有時(shí)甚至于只需簡(jiǎn)單地調(diào)用幾個(gè)工具包中的函數(shù)，就可以組成一個(gè)完整的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用程序。2. 控制：控制與測(cè)試是兩個(gè)相關(guān)度非常高的領(lǐng)域，從測(cè)試領(lǐng)域起家的Labview自然而然地首先拓展至控制領(lǐng)域。Labview擁有專門用于控制領(lǐng)域的模塊-Labview DSC。

8、除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應(yīng)的Labview驅(qū)動(dòng)程序。使用Labview可以非常方便的編制各種控制程序。3. 仿真：Labview包含了多種多樣的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，特別適合進(jìn)行模擬、仿真、原型設(shè)計(jì)等工作。在設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備之前，可以先在計(jì)算機(jī)上用Labview搭建仿真原型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，找到潛在的問(wèn)題。在高等教育領(lǐng)域，有時(shí)如果使用Labview進(jìn)行軟件模擬，就可以達(dá)到同樣的效果，使學(xué)生不致失去實(shí)踐的機(jī)會(huì)。4. 兒童教育：由于圖形外觀漂亮且容易吸引兒童的注意力，同時(shí)圖形比文本更容易被兒童接受和理解，所以Labview非常受少年兒童的歡迎。對(duì)于沒(méi)有任何計(jì)算機(jī)知識(shí)的兒童而言

9、，可以把Labview理解成是一種特殊的“積木”：把不同的原件搭在一起，就可以實(shí)現(xiàn)自己所需的功能。著名的可編程玩具“樂(lè)高積木”使用的就是Labview編程語(yǔ)言。兒童經(jīng)過(guò)短暫的指導(dǎo)就可以利用樂(lè)高積木提供的積木搭建成各種車輛模型、機(jī)器人等，再使用Labview編寫控制其運(yùn)動(dòng)和行為的程序。除了應(yīng)用于玩具，Labview還有專門用于中小學(xué)生教學(xué)使用的版本。5. 快速開發(fā)：根據(jù)筆者參與的一些項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，完成一個(gè)功能類似的大型應(yīng)用軟件，熟練的Labview程序員所需的開發(fā)時(shí)間，大概只是熟練的C程序員所需時(shí)間的1/5左右。所以，如果項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間緊張，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用Labview，以縮短開發(fā)時(shí)間。6. 跨平臺(tái)

10、：如果同一個(gè)程序需要運(yùn)行于多個(gè)硬件設(shè)備之上，也可以優(yōu)先考慮使用Labview。Labview具有良好的平臺(tái)一致性。Labview的代碼不需任何修改就可以運(yùn)行在常見的三大臺(tái)式機(jī)操作系統(tǒng)上：Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外，Labview還支持各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，比如常見的PDA、FPGA以及運(yùn)行VxWorks和PharLap系統(tǒng)的RT設(shè)備。Labview的應(yīng)用Labview廣泛應(yīng)用于包括自動(dòng)化、通信、半導(dǎo)體、電路設(shè)計(jì)、航空和生產(chǎn)、過(guò)程控制及生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的各種工業(yè)領(lǐng)域中，用來(lái)提高應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率。這些應(yīng)用涵蓋了產(chǎn)品的研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)到后期服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)

11、中協(xié)調(diào)使用Labview，共享軟件及信息資源，可以節(jié)約大量的時(shí)間和金錢。Labview的應(yīng)用大致可分為以下幾個(gè)主要方面： 1、應(yīng)用于生產(chǎn)檢測(cè): Labview己經(jīng)成為用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)工具。Labview結(jié)合NI Test Stand測(cè)試執(zhí)行環(huán)境和該領(lǐng)域中最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，為整個(gè)系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測(cè)管理平臺(tái)。2、應(yīng)用于研究與分析:運(yùn)用Labview，可在汽車、能源研究和其它眾多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和處理、對(duì)于圖像處理、時(shí)頻分析、小波和數(shù)字濾波的應(yīng)用系統(tǒng)，Labview特別提供各種附加工具包以加速系統(tǒng)的開發(fā)。3、應(yīng)用于過(guò)程控制和工廠自動(dòng)化:可利用Labvie

12、w來(lái)建立過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)。在Labview平臺(tái)下，可以實(shí)現(xiàn)多通道的高速測(cè)量和控制。對(duì)于大型復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)，有專門的Labview數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控多通道I/O、與工業(yè)控制器和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，以及提供基于PC機(jī)的控制。4、應(yīng)用于機(jī)器監(jiān)控:對(duì)于要求有實(shí)時(shí)控制、視覺(jué)和圖像分析或運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)器監(jiān)視和預(yù)先維護(hù)的應(yīng)用系統(tǒng)，Labview是理想的選擇。Labview系列產(chǎn)品，包括用于可靠、確定性控制的實(shí)時(shí) Labview (Labview RT)軟件，能夠快速、準(zhǔn)確的建立起功能強(qiáng)大的機(jī)器監(jiān)視和自動(dòng)控制應(yīng)用程序。5、應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng):Labview有著強(qiáng)大的功能和廣闊的應(yīng)用前景，

13、但就目前國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀來(lái)看，大多數(shù)的用戶還是把Labview作為虛擬儀器，僅僅利用它來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析和顯示，忽略了Labview強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和控制功能，特別是基于PC機(jī)的實(shí)時(shí)控制，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。LABVIEW使用實(shí)例：通信仿真信號(hào)源產(chǎn)生的是模擬信號(hào)，必須首先對(duì)它進(jìn)行數(shù)字處理。在仿真過(guò)程中，用100Hz的正弦信號(hào)作為 信號(hào)源。按照一般語(yǔ)音通信的要求，這里采用8kHz速率對(duì)100Hz的正弦號(hào)進(jìn)行抽樣，得到的是間隔為125s的離散抽樣值。信號(hào)的幅度為歸一化幅度，最小幅度為-1，最大幅度為1，再進(jìn)行32級(jí)(4bit)PCM量化編碼。再將每一個(gè)樣值轉(zhuǎn)化成4bit的二進(jìn)制的PCM代碼流，其速率為32kbps。對(duì)PCM編碼的數(shù)據(jù)流進(jìn)行漢明編碼，得到的是56kbps的糾錯(cuò)編碼后的數(shù)據(jù)流。隨后進(jìn)行調(diào)制，在發(fā)送端對(duì)碼流進(jìn)行4PSK數(shù)字編碼調(diào)制，采用的載波是400kHz的正弦波，然后送上信道進(jìn)行傳輸。信道是最常見的高斯加性白噪聲信道，信號(hào)傳輸過(guò)程中受到高斯噪聲的干擾。在接收端對(duì)接受到的碼流進(jìn)行數(shù)字解調(diào)、漢明碼解碼，最后PCM信號(hào)恢復(fù)所發(fā)送的信號(hào)。這里所使用的仿真環(huán)境為L(zhǎng)abview軟件。下文中主要針對(duì)4PSK的仿真進(jìn)行敘述。抽樣、量化和編碼-在發(fā)送端，源(Source)子VI產(chǎn)生一個(gè)100Hz的正弦信號(hào)作為信號(hào)源，通過(guò)量化(Qu