基于虚拟仪器技术的RLC电路特性研究

原安娟，崔 敏，吴 龙，何 伟，欧阳丽婷，刘立英，万 欣，张 兵

(北京工业大学 理学部，北京 100124)

虚拟仪器(VI：Virtual Instrument)技术是基于计算机平台，在数据采集硬件的支持下，根据测试任务的需要，通过软件设计来实现和扩展传统实验仪器功能的技术，它可以完成测试数据的采集、运算与处理、显示、数据存储、输出等任务[1-3]。

大学物理实验教学中运用VI技术，可以用同一套硬件系统完成多项实验内容，拓展传统实验项目，解决实验设备在项目和数量上不足的问题。我校的虚拟实验服务于物理专业学生，主要用来扩充实验项目和完成实验竞赛等方面。RLC电路常用于放大、滤波等电路中，是我校工科和物理专业学生必修实验。

本文将虚拟仪器技术用于RLC电路的测量，研究RLC电路幅频特性和谐振现象。

1 原理及所用仪器

1.1 RLC串联电路原理图

图1为RLC串联电路原理图，回路中的电流为：

(1)

本实验中研究的幅频特性方法与传统方法相同，保持信号源输出U不变，测试回路中电流I随f的变化情况，频率从1 400 Hz开始，间隔100 Hz增加，直到3 400 Hz停止，谐振频率附近缩小测量间隔。改进之处在于用USB-6009采集卡替代电压表对电阻上电压进行采集并通过LabVIEW软件测量和记录。然后改变阻值分别为500 Ω和1 000 Ω，重复上述实验步骤，记录数据。做出I-f图，探究其幅频特性。

1.2 RLC并联电路测量方法

图2中电路中并联RLC的阻抗为：

(2)

图2 RLC并联电路原理图(某时刻)

实验时电路中I保持恒定，即R1上的电压U1保持不变，而并联部分的RLC电路的阻抗与频率有关，其大小为ZP=U/I，故只要测出阻抗两端的电压U,就可以得到ZP，谐振时ZP为极大，U也为极大。频率从1 400 Hz开始，间隔100 Hz增加，直到3 400 Hz停止，谐振频率附近缩小测量间隔。用USB-6009采集卡对电阻上电压进行采集并通过LabVIEW软件测量和记录。作U-f图，探究其幅频特性。

1.3 USB-6009采集卡[6]

如图3、图4所示，NI公司的USB-6009多功能数据采集卡具有基本的数据采集功能,用导线把USB-6009的AI 1+和AI 1-两个接口与电阻两端相连，按说明配置USB-6009采集卡并与计算机连接。

图3 USB-6009采集卡外观图

图4 USB-6009采集卡虚拟端子说明

1.4 LabVIEW软件[7-9]

USB-6009采集电阻两端的电压信号并传输给电脑，电脑通过labVIEW软件处理、分析并显示信号。

实验时连续采样，用while循环。while循环有两个固定的接线端。“循环计数”输出接线端，它输出当前执行次数。“循环条件”是一个布尔量输入接线端，程序在每次循环结束时检查条件接线端，当布尔量为“真”时退出循环。

从USB-6009采集到的电压信号传入DAQ，通过设置DAQ的接收通道、采样频率、待读采样数和采样方法、换算及数据存储文件夹等，实现对信号的采集并将采集到的信号输出到下一元件——振幅和电平测量元件。振幅和电平测量元件进行分析和处理接收来的信号，并以均方根的形式显示在可视化面板上，此即电阻两端的电压有效值，如图5。

图5 LabVIEW软件的可视化面板

2 测 试

2.1 串联电路及幅频曲线

电路连接如图6所示，电阻上的电压测量用USB-6009采集卡，测量数据和幅频曲线如表1和图7所示：

图6 RLC串联电路接线图

表1 电阻不同时频率和电流的对应数据

从图7可以看出，不同电阻的谐振频率均在2 250 Hz。理论谐振频率2 250 Hz，实验结果和理论值吻合较好。品质因数分别为：

Q1=11.17Q2=2.62Q3=1.40.

图7 R=100、500和1 000 ΩI-f曲线图

此实验目的让学生对R和Q的关系有直观的认识：R值越小，Q值越大，带宽越窄，峰越尖锐，选频性也会越好。

2.2 RLC并联电路数据及幅频曲线

并联电路的数据表格及电压随频率变化的曲线如表2和图8所示：

表2 R=5 000 Ω的频率电压关系表

图8 R=5 000 Ω的U-f曲线图

图8中，电阻5 000 Ω时并联电路谐振频率为2 300 Hz，品质因数Q=0.28，这说明，R值大，Q值小，电路的选择性不理想。

实际电路中，Q远大于1，即R很小，本实验只是为了给学生一个直观的R大Q小无实际应用价值的反面例子。使学生设计电路时，确定好设计目标，以目标为导向不至于走弯路。

2.3 实验结果分析

本实验使用USB-6009采集卡采集电阻两端的电压并将采集到的电压信号输送到电脑里，通过软件LabVIEW对数据进行处理，再作图分析。通过搭建虚拟仪器的RLC电路特性测试平台，将数据的精确度提高，测试时间减少，使学生能在有限的时间内完成串联和并联电路的全部数据测试。从数据结果可得，R值越小，Q值越大，带宽越窄，峰越尖锐，频率选择性也会越好。R很大时，无论是串联还是并联电路，Q值都很小，频率的选择性差，无实际应用价值。

3 结 语

本文将VI技术运用于RLC电路实验中，通过虚拟仪器技术提升了传统仪器的功能，实现了电阻上电压的实时采集和LabVIEW软件对数据的即时处理及直观快捷的数据显示。对比传统实验方法，学生用VI技术节约了采集数据和处理数据的时间，提高了实验效率，学生有更多的时间和精力用于实验拓展和实验目标的精准设计。实验的设计也拓宽了学生的思维模式和习惯，培养了学生多维度思考问题的能力。