摘 要：利用LabVIEW提供的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)集成環(huán)境，將智能儀器同電工實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，成功地實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)的濾波器部分，該項(xiàng)應(yīng)用發(fā)揮了虛擬儀器在分析、測(cè)量等方面的優(yōu)勢(shì)。在大學(xué)教學(xué)中通過引入基于LabVIEW虛擬儀器的教學(xué)，可以充分利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，促進(jìn)虛擬儀器在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和工程領(lǐng)域的推廣。

　　1  引 言

　　在電子類課程中，實(shí)驗(yàn)是重要的教學(xué)手段之一，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，可以加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。

　　但是，由于近年來學(xué)生人數(shù)在不斷增加，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和規(guī)模都難以滿足需要，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)反復(fù)熟悉常用儀表的使用，更不能為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供條件，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，加強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力都十分不利，而且學(xué)校的財(cái)力也難以支付大量實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備的更新。虛擬儀器的出現(xiàn)很好的解決了這個(gè)問題。所謂虛擬儀器技術(shù)，就是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需要，來定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能。"軟件就是儀器"反映了虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征。LabVIEW（Laboratory Vir2tual Inst rument Engineering Workbench ,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)） 是美國(guó)NI 公司） 推出的一種基于G語言（ Graphics Language ,圖形化編程語言） 的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，帶有大量的內(nèi)置功能，能夠完成仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示等任務(wù)，是目前應(yīng)用廣、發(fā)展快、功能強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。通過優(yōu)化代碼，可將程序的執(zhí)行速度提高到與編譯C 語言程序相當(dāng)?shù)某潭?。一個(gè)LabVIEW 程序分為3 部分：前面板、框圖程序、圖標(biāo)/ 接線端口。前面板用于模擬真實(shí)儀器的前面板；框圖程序則是利用圖形語言對(duì)前面板上的控件對(duì)象（分為控制量和指示量?jī)煞N） 進(jìn)行控制；圖標(biāo)/ 接線端口用于把LabVIEW 程序定義成一個(gè)子程序，從而實(shí)現(xiàn)模塊化編程。

　　2  電工實(shí)驗(yàn)中的濾波器實(shí)驗(yàn)

　　2.1  實(shí)驗(yàn)原理

　?。?） 圖1 電路是利用電感L 對(duì)高頻信號(hào)阻抗大、電容C 對(duì)高頻信號(hào)阻抗小的特點(diǎn)，可濾去非正弦輸入電壓v1 中的高次諧波使電阻R 上的輸出電壓v2 接近于基波的低通濾波器。

圖1  低通濾波器電路

　　其輸入輸出函數(shù)為：

　　也可表示為： U2 = U1 ×D ∠θ，其中：

　　這個(gè)函數(shù)被做成公式節(jié)點(diǎn)作為子VI 嵌入到程序之中， 文件名為：formula. vi , 它位于安裝目錄下的function 目錄中，它的圖標(biāo)如圖2 所示，框圖程序如圖3 所示。

圖2  低通濾波器圖標(biāo)

圖3  低通濾波器框圖程序。

　?。?） 圖4 所示為利用L 和C 并聯(lián)諧振電路，在理想條件下，對(duì)諧振頻率下的信號(hào)阻抗無限大的特點(diǎn)，濾去頻率為諧振頻率的諧波信號(hào)的諧振濾波器。

圖4  諧振濾波器電路

　　諧振濾波器輸入輸出函數(shù)為：

　　也可表示為： U2 = U1 + D ∠θ：

　　其中：

　　當(dāng)1/ ωL = ωC 時(shí)，電路阻抗無窮大，對(duì)指定頻率波諧振。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中的自制電感L = 157mH ,C = 39μF 時(shí)對(duì)ω = 400Hz 諧振；當(dāng)C = 4. 423μF時(shí)對(duì)ω = 1200Hz 諧振。

　　這個(gè)函數(shù)被做成公式節(jié)點(diǎn)作為子VI 嵌入到程序之中，文件名為：formulaParallel. vi ,它位于安裝目錄下的function 目錄中，它的圖標(biāo)如圖5 所示，框圖程序如圖6 所示。

圖5  諧振濾波器圖標(biāo)。

圖6  諧振濾波器框圖程序

　?。?） 圖7 電路是由一個(gè)運(yùn)算放大器、兩個(gè)電容和三個(gè)電阻構(gòu)成的有源濾波器，它不用電感元件，并且一般情況下濾波效果好。

圖7  有源濾波器電路。

　　有源濾波器的傳遞函數(shù)為：

　　衡量濾波器好壞常用幅頻特性。濾波器的幅頻特性是輸出電壓和輸入電壓值之比與其頻率關(guān)系的特性，如圖8 所示， f 0 稱為中心頻率，該幅頻特性可以用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，即在有源濾波器的輸入端加一定幅度的電壓信號(hào)，改變其頻率，測(cè)得在不同頻率下的輸出電壓值，就能繪出此有源濾波器的幅頻特性曲線。

圖8  有源帶通濾波器幅頻特性曲線。

　　2.2  實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

　　（1） 在無濾波器的情況下，如圖9 所示。系統(tǒng)產(chǎn)生400Hz 和1200Hz 的兩個(gè)正弦波的疊加波形。

　　由于頻率很高，Sine WaveForm. vi 的采樣點(diǎn)數(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，本系統(tǒng)采用106 .電阻和電容均乘以相應(yīng)的倍率再進(jìn)入運(yùn)算，在"無源濾波器"和"有源濾波器"狀態(tài)下，阻容值不連入輸入端。而幅值和電阻電容值通過選擇，存入"實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)"簇中。

圖9  濾波器實(shí)驗(yàn)框圖程序

　　（2） 在選擇"低通濾波器"或者"諧振濾波器"時(shí)電阻值和電容值都會(huì)連接到相應(yīng)的公式節(jié)點(diǎn)輸入端上。經(jīng)過節(jié)點(diǎn)運(yùn)算，或者說經(jīng)過模擬的濾波器，濾出波形的情況將顯示在示波器中。選"低通濾波器"時(shí)框圖程序如圖10 所示，選"諧振濾波器"時(shí)框圖程序與圖10 類似，只是其中的formula. vi 換成了formulaParallel. vi .

圖10  低通濾波器實(shí)驗(yàn)框圖程序

　?。?） 選擇"有源濾波器"的情況略有不同。由于輸入波形為400Hz 方波，為很多不同頻率的正弦波疊加而成，不能像前兩個(gè)濾波器那樣由公式節(jié)點(diǎn)計(jì)算，需要引入LabVIEW 提供的數(shù)字濾波器。該實(shí)驗(yàn)的框圖程序如圖11 所示。

圖11  有源濾波器實(shí)驗(yàn)框圖程序

　　如果濾波器的輸入輸出都是離散的時(shí)間信號(hào)，那么該濾波器的沖擊響應(yīng)也必然是離散的，稱這樣的濾波器為數(shù)字濾波器。它的功能是把輸入序列通過一定的運(yùn)算編程輸出序列， 同時(shí)起到濾波的作用。設(shè)h （ n） , n = 0 ,1 ,2 ??是濾波器的沖擊響應(yīng)，一個(gè)線性時(shí)不變因果（所謂因果性是指系統(tǒng)的輸出僅取決于過去和現(xiàn)在的輸入） 濾波器若對(duì)所有的n ≥N （ N 為有限正整數(shù)） ,有h （ n） = 0 ,則稱其為有限沖擊響應(yīng)濾波器（ FIR） ,否則稱之為無限沖擊響應(yīng)濾波器（ I IR） .LabVIEW 提供的數(shù)字濾波器使用方便，只需根據(jù)需要設(shè)定各參數(shù)即可。本系統(tǒng)中使用FIR 濾波器。在對(duì)相位信息有要求時(shí)，通常使用FIR 濾波器。因?yàn)镕IR 濾波器的相頻相應(yīng)總是線性的，可以防止時(shí)域數(shù)據(jù)發(fā)生畸變。

　　系統(tǒng)中使用的Digital FIR Filter. vi 在進(jìn)行濾波的同時(shí)還可以輸出幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。將該濾波器設(shè)定為中心頻率為400Hz 的帶通濾波器， 當(dāng)400Hz 方波通過該濾波器時(shí)， 可以得到較好的400Hz 正弦波，并且輸出幅頻特性曲線。由于與前面的實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)象不同， 示波器控件的Xscale.

　　Maximum 屬性需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

　　2.3  數(shù)據(jù)的保存

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后為了使學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拷貝帶出實(shí)驗(yàn)室，數(shù)據(jù)的保存就成了客戶端不可缺少的程序。該框圖程序如圖12 所示。

圖12  數(shù)據(jù)保存的框圖程序

　　首先，把客戶端發(fā)給服務(wù)器的數(shù)據(jù)流分解，再重新組合成存入文件的數(shù)據(jù)格式。該功能由Fil2terCreateRxSt ring. vi 完成，它位于安裝目錄下的function 目錄中，它的圖標(biāo)如圖13 所示。

圖13  FilterCreateRxString. vi 圖標(biāo)

　　該子VI 的功能與服務(wù)器數(shù)據(jù)流處理的程序大致相同，只是組成存入文件字符串時(shí)有所不同。

　　它把數(shù)據(jù)分為兩行，行為姓名、學(xué)號(hào)，第二行為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)之間加入tab 空格，數(shù)據(jù)的控制為3 位浮點(diǎn)型，每行結(jié)束添加回車換行符。這樣規(guī)定數(shù)據(jù)格式的好處是生成的。 txt文件可以被Excel 以電子表格的形式打開，便于分類管理。生成文件字符串后，通過Write Charac2ters To File. vi 寫入文件：濾波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 txt .為使該文件的所在目錄不隨著客戶端程序所在位置的改變而無法找到，在保存之前，先指定客戶端運(yùn)行所在的當(dāng)前目錄，也就是說該文件的目錄必須是相對(duì)目錄。取得當(dāng)前目錄功能由GetCurrentDi2rectory. vi 實(shí)現(xiàn)，它的框圖程序如圖14 所示。

圖14  取得當(dāng)前目錄的框圖程序。

　　在這個(gè)框圖程序中使用了LabVIEW 提供的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)（Call Library Function Node. vi） ,利用這個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以在LabVIEW 中實(shí)現(xiàn)DLL 和API 函數(shù)的調(diào)用。

　　實(shí)現(xiàn)取得當(dāng)前目錄調(diào)用的是kernel32. dll 中的long GetCurrentDirectoryA（） ;函數(shù)，需要在框圖程序中創(chuàng)建調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)，添加length 和buffer 兩個(gè)參數(shù)，使該函數(shù)變?yōu)閘ong GetCurrentDirectoryA（long length ,CStr buffer） ;.該函數(shù)返回值為當(dāng)前目錄的字符串，在其后添加濾波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 txt ,并把這個(gè)字符串轉(zhuǎn)化為文件路徑，這樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的文件的所在目錄就變?yōu)橄鄬?duì)路徑了。指定了文件路徑和文件內(nèi)容，把存儲(chǔ)類型設(shè)為"append",通過Write Characters To File. vi將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)寫入到文件中。

　　3  結(jié)束語

　　在虛擬儀器的基礎(chǔ)上開發(fā)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室可以大大減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備資金的投入。并且在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)諸如示波器、函數(shù)發(fā)生器、電壓表、頻譜分析儀等儀器的功能，節(jié)約了儀器成本，虛擬儀器基于軟件的體系結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)的費(fèi)用。在大學(xué)教學(xué)中通過引入基于LabVIEW 虛擬儀器的教學(xué)，便于開放式管理，擴(kuò)大教學(xué)規(guī)模，也可以促進(jìn)虛擬儀器在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和工程領(lǐng)域的推廣。