基于NI ELVIS平台和数据采集技术的滤波器设计实验教学方法研究与实践

郭志恒，施惠元，刘玉玲

（辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院，辽宁 抚顺 110031）

1 问题的提出

随着我国经济高速发展，工程专业教育理念发生了重大变化，从注重学生理论知识掌握，转为注重培养学生对现代工程概念的全面理解和动手实践能力[1-2]。随着互联网技术、信息数字技术的快速发展，如何利用这些新技术助力工程专业实践教育质量提升是一项重要课题[3-5]。

电路基础课程是目前国内多数工科专业的必修课程，是自动化、测控技术、信息处理和通信类专业的基础课程。课程通常会安排设计与综合类实验学习环节，提升学生的工程实践知识和实操能力[6-7]。在实验教学中，学生使用电子元器件搭建硬件电路时，需要一整套适用的仪器来实现测试数据的采集、记录和分析，需要进行复杂的硬件电路设计和调试。由于传统的实验教学是采用多种分立仪器，通过线缆与实验箱电路连接，学生大量精力用在仪器调试、线缆正确连接和实验数据记录上，实验结果分析通常要在课后完成，而不能根据现场测试数据和波形准确调试电路参数和分析设计偏差，实验效果得不到保证。如果运用虚拟仪器技术，以计算机为基础构建集成化测试平台，代替原来的常规仪器、仪表，利用与平台集成的具有强大功能的测量采集和仿真分析软件，则可有效地改善实验教学效果[8-9]。

NI ELVIS实验教学平台由LabVIEW图形化系统设计工具、USB M 系列数据采集卡和原型工作台组成，集成了实验室类似台式仪器的功能，通过连接器显示在ELVIS软面板上，包括多用表、示波器、波形发生器、可变电源等。在原型面包板两边分列出ELVIS所有的信号终端，再通过电缆连接至 USB数据采集卡，采用NI ELVIS虚拟仪器实验教学平台，实现电路综合实验教学的创新改革。

RC滤波器具有电路简单、抗干扰性强、低频性能好等优点，是前述各专业都涉及的内容。本文以RC滤波器为例，介绍在智能仪器设计课程实践教学中，通过设计性综合实验项目，使学生掌握 NI ELVIS实验教学平台数据采集与电路参数设计、测量方法，以及常规电路设计与调试技能。

2 RC滤波器综合设计

2.1 实验环境与项目设计

依托我校“国家级测控技术虚拟仿真教学中心”平台，针对实践教学课程开设的综合实验项目，采用ELVIS系统和LabVIEW、Multisim软件工具开展教学，系统集电路设计调试、原型实验测量、电路参数分析及电路调整于一体。

在Multisim环境中进行虚拟ELVIS原理图搭建，并可利用一组与真实ELVIS完全一致的虚拟3D电子元器件接口进行连接，以得到正确的仿真结果。因为电路理论仿真可在虚拟的3D ELVIS环境下完成，因此由学生在课前自行完成，并做好仿真结果记录，以便与原型电路进行对比分析。

2.2 RC滤波器设计相关理论

RC滤波电路是常用的基础模拟电路。由于电路形式以及信号源及 R、C元件参数不同，可构成 RC电路的各种应用形式，包括微分电路、积分电路、耦合电路、滤波电路等[10-11]。这里以 RC滤波电路实验项目设计为例，加以分析说明。

如图1所示，图1（a）为低通滤波电路，通过选择适当的参数，使简单的一阶RC低通滤波器用来抑制输入信号中高于截止频率（Cutoff frequency）的频率成分。其传递函数表示为式（1）、式（2）。图1（b）为高通滤波电路，当信号频率超过截止频率时，频率越高衰减越小，传递函数为式（3）、式（4）。高、低通滤波器截止频率为式（5）。

图1 一阶RC滤波电路

式（1）—式（5）中，ω、R、C、φ分别为频率、电阻、电容和相位角，ωc为滤波器截止频率，K(jω)为滤波幅频特性幅值，φ(ω)为滤波器相频特性值。

3 滤波器原型设计及性能参数测试

在ELVIS原型面包板上进行连线，并在输入端连接函数波形发生器，输出端连接虚拟示波器。利用与ELVIS平台硬件具有接口的图形化开发软件LabVIEW进行程序设计，主要实现滤波电路输出电压的采集、记录和波形显示。

3.1 滤波器原型电路设计

利用虚拟仪器ELVIS平台实现滤波电路设计及电路参数测试及采集，设计流程图如图2所示。

图2 滤波器实验项目设计流程图

综合实验采用 NI ELVIS系统平台，在原型板上可以方便地完成滤波器电路设计和器件连接。ELVIS平台集成 USB接口连接多功能数据采集设备,利用ELVIS提供的常用虚拟仪器，如可变电源、波形发生器、多用表和示波器等，可以非常方便地进行电路基础参数测试和信号波形观测。同时，集成16位高精度DAQ数据采集设备和软件接口,相比采用分立仪器和测试电路构成的测试与采集系统，减少了连接线缆，有效地降低了外界环境的噪声干扰和仪器测量误差对电路设计、测试的影响。

这里以高通滤波器为例进行说明。高通滤波器原型板连线如图3所示。

对高通滤波器进行数据采集时，首先要使用函数发生器产生10 Hz的方波，然后将所产生的信号FGEN引出，接入到原型板上搭建的一阶RC高通滤波电路的输入端（SUPPLY+），再把电阻两端分别接入AI 0+与AI 0-，运行用LabVIEW搭建好的数据采集程序，然后在面板上显示采集到的数据波形。

图3 高通滤波器ELVIS硬件连线

在高通滤波器的输出端连接虚拟示波器，观测、对比输入/输出波形，通过调整电容或电阻值，改变截止频率。观测到的输出波形如图4所示。当截止频率较高，即电路时常数τ（RC）较小，且远小于输入方波宽度时可观察到滤波输出信号对应输入方波的上升沿和下降沿为正负脉冲，相应电路为微分电路。图4(a)对应的截止频率为400 Hz。

如果降低截止频率，即电路时常数τ较大，且远大于方波宽度时经过多个方波的充电与放电，达到稳定状态后，信号中低频可以通过，起到传输信号交流成分的功能，此时的电路为耦合电路。图4(b)对应的截止频率为15 Hz。

图4 RC高通滤波器输出波形

经过测试和调整，设计采用电阻阻值为1 kΩ、电容为1 μF所构成RC高通滤波器，由式（5）可知该滤波器的截止频率f=1/(2πRC)=159.2 Hz。

3.2 原型电路数据采集程序设计

3.2.1 DAQmx数据采集程序基本架构

NI DAQmx是NI公司为采集设备应用开发而专门设计的高效应用程序的编程接口（API），在各种设备功能和设备系列中具有相同的函数形式，极大地简化了采集应用程序的开发。其 LabVIEW 程序基本构架如图5所示，主要由物理通道和采集信号、采集方式配置和数据读取等组成[12]。

图5 数据采集程序基本构架

3.2.2 DAQmx数据采集程序设计

所设计的 LabVIEW 程序主要用作对滤波电路的输出电压进行数据采集。首先需要创建配置任务的物理通道节点和定时节点，对物理通道节点属性和定时节点属性进行设置；数据采集由读取节点完成，读取节点连接一个波形图表用来显示采集电压的波形。DAQmx开始任务节点的主要功能是开始测量或生成、增加用户控制，并在需要时进行启动。任务结束时，DAQmx在清除任务节点停止任务，释放任务占用的资源（见图6）。

3.3 幅频特性测试

为了验证滤波器理论设计结果，采用点频法测试滤波器幅频特性。选取一定数量的频率点，改变信号源的频率（输入电压保持恒定），在各频率点处测量输出电压，通过编程存入 EXCEL模板文件中，测量数据见表 1。程序可根据测量数据，自动绘出幅频特性曲线（见图7）。

图6 滤波电路输出电压采集程序

表1 高通滤波器幅频特性幅值K的测量值理论值与误差

图7 RC高通滤波器幅频特性

4 设计测试分析

通过对图7 RC高通滤波器幅频特性的测试和误差计算，得到实测截止频率为 172.9 Hz，与理论值159.2 Hz（见本文3.1）的误差为8.6%，实测数据与仿真理论数据误差在允许范围之内。关于不同频段对幅频特性误差的影响，当频率小于截止频率时（20～100 Hz），滤波器输出信号小，外部噪声干扰相对较强，幅频特性误差较大，平均为7.0%；当频率为200～2000 Hz时，高通滤波器输出信号强，实测幅频特性平均误差小于1.2%。

在滤波器综合实验中，学生通过设计、观测和调整设计过程，巩固和加深了对滤波电路的理论学习和掌握，提升了自身的动手实操能力，通过对理论仿真分析与电路实测结果的误差对比，建立起对滤波电路工程应用的测量调试和综合分析能力。