LabVIEW在电子线路实验教学中的应用

     摘 要：针对目前电子线路实验教学中存在的问题，结合实例介绍了LabVIEW和虚拟仪器技术在电子线路实验教学中的特点和优势。利用LabVIEW构建虚拟仪器和实验，弥补了传统实验设备的不足，加大了实验室现有资源的利用，达到了改善实验条件、提高教学质量的目的。同时，将虚拟实验与传统实验相结合的教学方法使教学更生动，有利于促进学生自主学习和创新能力的培养。

　　0 引言

　　《电子线路》是高等院校电子类学生必修的一门技术基础课。由于该课程理论性和实践性都很强，学生不易理解和掌握，实验成为必不可少的一个教学环节。

　　传统实验教学需要大量的仪器设备，但由于设备功能单一，可以开设的实验课程有限，学生进行实际电路设计和仪器操作的机会少，动手能力难以提高。利用实验室虚拟仪器工程平台LabVIEW可以开发出形式多样的与实际仪器功能类似的虚拟仪器，满足学生不同层次的实验需要，提高他们的电路设计与应用能力；同时利用LabVIEW还可实现实验室精密仪器的自动控制，减少误操作带来的设备损坏。本文结合LabVIEW开发软件，利用实验室现有的仪器设备，通过构建实例说明LabVIEW在电子线路实验教学中的应用。

　　1 LabVIEW与虚拟仪器技术

　　1.1 LabVIEW简介

　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instruments EngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司于1986年推出的虚拟仪器开发工具，它采用图形化编程方法，为设计者提供了一个轻松、便捷的设计环境。利用LabVIEW，设计者可以轻松组建测量系统并构造自己的仪器界面，无需进行繁琐的计算机代码的编写。

　　LabVIEW程序一般包括两个主要部分：前面板和框图程序。前面板用于设置各类参数、观察输出数据及波形，框图程序是程序的图形化源代码。

　　LabVIEW软件具有以下特点：

　　(1)直观的图形化编程环境。利用图形控件开发系统的用户界面，通过框图模块实现各种函数功能，提高了开发效率。

　　(2)灵活的接口功能。LabVIEW既可以和专用采集设备进行通信，也可以和具有GPIB、PXI、RS-232、VXI等接口的仪器进行通信，广泛应用于实验测量、数据采集及处理等方面。

　　(3)丰富的实时支持库。LabVIEW提供了大量可供用户直接调用的函数库，如数字信号处理函数库、数值分析函数库等，并提供了数据采集、分析、显示及仪器控制等所需要的工具。

　　(4)强大的设备驱动和Internet功能。LabVIEW集成了上千种仪器和测量设备驱动，能够快速配置和使用各种仪器设备；同时LabVIEW支持常用的网络协议。

　　1.2 虚拟仪器技术

　　"虚拟仪器"概念的提出是对传统仪器的重大突破，是计算机软硬件、总线技术和测控技术、仪器仪表技术等密切结合的产物。与传统仪器不同，虚拟仪器的是应用软件。利用LabVIEW直观的图形化开发环境和功能强大的库函数，可以根据实际需要灵活地设计各种虚拟仪器。用户通过修改软件，可以方便地增加和调整虚拟仪器的功能。通过友好的图形界面操作虚拟仪器，如同操作物理仪器一样方便。在硬件设备的支持下，利用虚拟仪器还可以完成数据的采集、分析和处理等功能。

　　计算机和网络技术的日趋成熟为虚拟仪器的发展创造了良好的外部环境。将虚拟仪器技术应用于教学实验中，为传统的实验教学注入了新的活力。采用虚拟仪器技术一方面使仪器操作界面更加友好，显示形象生动，提高了学生的学习兴趣；另一方面它使不具备完善实验条件的院校能够开设一些复杂实验。此外，虚拟仪器不受实验环境及设备的影响，测量数据稳定可靠，既提高了实验效率，又降低了实验成本。利用网络及多媒体技术，还可进行远程实验教学，实现教学手段的现代化。

　　2 LabVIEW在电子线路实验教学中的应用实例

　　基于LabVIEW及虚拟仪器的上述特点，下面结合实验教学需要，通过典型实例介绍LabVIEW在电子线路实验教学中的应用。

　　2.1 一阶反相输入低通滤波器实验

　　集成运放是一种高性能的直接耦合放大电路，广泛应用于模拟信号的处理和发生电路。因其高性能、低价位，在大多数情况下已取代了分立元件放大电路。由集成运放构成的各种电路是电子线路课程的重点讲述内容。如利用集成运放与RC低通电路可以组成有源滤波器。与无源滤波器相比，有源滤波器大大提高了通带电压放大倍数和带负载能力。其中一阶反相输入低通滤波器是典型的有源滤波器。通过相关实验，学生可以了解有源滤波电路的设计方法，掌握有源滤波器幅频特性的测量方法。

　　在传统实验搭建实际电路过程中，由于连线较多，经常出现因电路连接错误而烧坏集成块的情况。实验中为了测量不同低通滤波器的幅频特性，需要经常更换电阻和电容来改变电路参数，操作相对繁琐，并且由于实验环境存在电磁干扰， 难以获得理想的特性曲线。利用LabVIEW构建的虚拟低通滤波器则可以很好地解决这些问题。虚拟低通滤波器由框图程序生成，其前面板如图1所示，图2为对应的框图程序。通过前面板可以方便地调节电阻与电容等元件参数的大小，而低通滤波器的幅频特性曲线则可以通过虚拟显示器直观地显示出来。整个实验过程无需连接任何电子元件或物理仪器，并且可以达到理想的实验效果。

图1 一阶反相输入低通滤波器前面板。

图2 一阶反相输入低通滤波器框图程序。

　　2.2 幅度调制及解调实验

　　随着信息技术的发展，信息的传递方式越来越显示出其重要性，调制解调是信息传输中的重要环节。传统方式的调制解调实验一般需要两台信号发生器、一台示波器，并需搭建复杂的调制解调电路，实验条件不具备的院校无法开设该项实验课程，学生对信号调制与解调原理的认识仅仅局限在理论上。

　　采用LabVIEW编写调制解调实验程序，其前面板如图3所示，图4为对应的框图程序。该实验程序不仅能够实现传统实验的所有要求，而且形式更加灵活，无需拘泥于给定的实验设备对参数调节的限制，如实验室中的信号发生器只能产生几个固定波形和频率的信号， 而在LabVIEW实验程序中，可以根据需要对采样点、采样频率、载波与调制信号的频率及幅值任意设定。通过前面板可以直观地观察到信号调制的结果，还可通过对信号调制度、初始相位等的调整观察其对调制信号波形的影响。

　　解调时可调节低通滤波器的截止频率，解调信号的波形通过前面板可以直接显示出来。

图3 调制解调前面板。

图4 调制解调框图程序。

　　采用该程序进行实验教学，学生不仅能够轻松地掌握调制解调的工作原理，而且能进一步加深对采样定理、调制失真等知识点的理解。在现有实验程序基础上，通过加入调制方式和解调滤波器等的选择可以进一步丰富实验内容。

　　2.3 实验室精密仪器Agilent 4339B的自动控制

　　Agilent 4339B是安捷伦的用于测量高阻的测量仪器，在实验中常用于测量直流电阻、直流电流、表面电阻率以及体电阻率等。由于该仪器功能强大，操作相对复杂，在仪器使用过程中，可能出现操作不当，造成接触不良甚至仪器损坏等人为故障，从而降低仪器的精密程度，缩短其使用寿命。根据具体情况，采用LabVIEW编写具有可视化界面的自动测试系统，降低了仪器的操作难度，既可防止精密仪器的意外损坏，又提高了仪器的使用效率，减轻了数据记录的繁杂性。系统前面板如图5所示，图6为对应的框图程序。具体程控方法：由计算机发出指令，对HP4284A进行初始化；根据所要测量的元件参数设定测量条件，如电压、电流、延迟时间、测量次数等；然后进行测量获取数据，并将数据处理后通过前面板显示，将数据保存到指定文件中。

图5 Agilent 4339B自动测试系统前面板。

图6 Agilent 4339B自动测试系统框图程序。

　　通过上述方法，可以有效简化精密仪器的操作步骤，避免误操作，起到保护仪器的作用。通过计算机程序控制仪器的测量过程，避免了人为操作带来的测量误差，保证测量的及数据的准确性，具有很高的实用价值。

　　3 结束语

　　将基于LabVIEW的现代实验方法引入电子线路实验教学，使理论教学与实践更好地结合，弥补了传统实验室的不足，减少了对实验仪器的依赖，降低了实验设备投资，同时向学生展示更新的实验手段，使实验步骤更简洁、实验教学更生动。此外，还可以让学生利用LabVIEW在现有实验的基础上自行设计新的实验，增强动手能力，培养学生自主学习和创新能力。