LabVIEW在智能虚拟仪器仿真中的应用

1 引 言

在电子类课程中，实验是重要的教学手段之一，学生通过实验，可以加深对所学知识的理解。

但是，由于近年来学生人数在不断增加，实验室设备和规模都难以满足需要，学生很少有机会反复熟悉常用仪表的使用，更不能为设计性实验提供条件，这对培养学生的创新精神，加强实践动手能力都十分不利，而且学校的财力也难以支付大量实验室常规设备的更新。虚拟仪器的出现很好的解决了这个问题。所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据测试任务的需要，来定义和设计仪器的测试功能。"软件就是仪器"反映了虚拟仪器技术的本质特征。LabVIEW（Laboratory Vir2tual Inst rumentEngineeringWorkbench ,实验室虚拟仪器工程平台） 是美国NI 公司） 推出的一种基于G语言（ Graphics Language ,图形化编程语言） 的虚拟仪器软件开发工具，带有大量的内置功能，能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。通过优化代码，可将程序的执行速度提高到与编译C 语言程序相当的程度。一个LabVIEW 程序分为3 部分：前面板、框图程序、图标/ 接线端口。前面板用于模拟真实仪器的前面板；框图程序则是利用图形语言对前面板上的控件对象（分为控制量和指示量两种） 进行控制；图标/ 接线端口用于把LabVIEW 程序定义成一个子程序，从而实现模块化编程。

2 电工实验中的滤波器实验

2.1 实验原理

（1） 图1 电路是利用电感L 对高频信号阻抗大、电容C 对高频信号阻抗小的特点，可滤去非正弦输入电压v1 中的高次谐波使电阻R 上的输出电压v2 接近于基波的低通滤波器。

图1 低通滤波器电路

其输入输出函数为：

也可表示为： U2 = U1 ×D ∠θ，其中：

这个函数被做成公式节点作为子VI 嵌入到程序之中， 文件名为：formula. vi , 它位于安装目录下的function 目录中，它的图标如图2 所示，框图程序如图3 所示。

图2 低通滤波器图标

图3 低通滤波器框图程序。

　　（2） 图4 所示为利用L 和C 并联谐振电路，在理想条件下，对谐振频率下的信号阻抗无限大的特点，滤去频率为谐振频率的谐波信号的谐振滤波器。

图4 谐振滤波器电路

谐振滤波器输入输出函数为：

也可表示为： U2 = U1 + D ∠θ：

其中：

当1/ ωL = ωC 时，电路阻抗无穷大，对指定频率波谐振。对于实验室中的自制电感L = 157mH ,C = 39μF 时对ω = 400Hz 谐振；当C = 4. 423μF时对ω = 1200Hz 谐振。

这个函数被做成公式节点作为子VI 嵌入到程序之中，文件名为：formulaParallel. vi ,它位于安装目录下的function 目录中，它的图标如图5 所示，框图程序如图6 所示。

图5 谐振滤波器图标。

图6 谐振滤波器框图程序

（3） 图7 电路是由一个运算放大器、两个电容和三个电阻构成的有源滤波器，它不用电感元件，并且一般情况下滤波效果好。

图7 有源滤波器电路。

有源滤波器的传递函数为：

衡量滤波器好坏常用幅频特性。滤波器的幅频特性是输出电压和输入电压最大值之比与其频率关系的特性，如图8 所示， f 0 称为中心频率，该幅频特性可以用实验方法测定，即在有源滤波器的输入端加一定幅度的电压信号，改变其频率，测得在不同频率下的输出电压值，就能绘出此有源滤波器的幅频特性曲线。

图8 有源带通滤波器幅频特性曲线。

　　2.2 实验的实现

（1） 在无滤波器的情况下，如图9 所示。系统产生400Hz 和1200Hz 的两个正弦波的叠加波形。

由于频率很高，Sine WaveForm. vi 的采样点数需要进行相应的设置，本系统采用106 .电阻和电容均乘以相应的倍率再进入运算，在"无源滤波器"和"有源滤波器"状态下，阻容值不连入输入端。而幅值和电阻电容值通过选择，存入"实验数据"簇中。

图9 滤波器实验框图程序

（2） 在选择"低通滤波器"或者"谐振滤波器"时电阻值和电容值都会连接到相应的公式节点输入端上。经过节点运算，或者说经过模拟的滤波器，滤出波形的情况将显示在示波器中。选"低通滤波器"时框图程序如图10 所示，选"谐振滤波器"时框图程序与图10 类似，只是其中的formula. vi 换成了formulaParallel. vi .

图10 低通滤波器实验框图程序

（3） 选择"有源滤波器"的情况略有不同。由于输入波形为400Hz 方波，为很多不同频率的正弦波叠加而成，不能像前两个滤波器那样由公式节点计算，需要引入LabVIEW 提供的数字滤波器。该实验的框图程序如图11 所示。

图11 有源滤波器实验框图程序

如果滤波器的输入输出都是离散的时间信号，那