基于虚拟仪器仿真RLC串联电路谐振的实验演示

刘梓禄　柳钰琪

(华南师范大学物理与电信工程学院　广东 广州　510006)

在教育教学中，实验是非常重要的环节．实验教学始终是高校教学的一个重要组成部分，然而许多院校实验室和实验教学存在诸多不足：一是仪器设备更新太慢，仪器老化严重；二是仪器设备由于数量不够，功能落后；三是缺乏维护仪器设备[1]．虚拟仪器技术作为未来仪器发展的一个重要方向，综合运用了计算机技术、数字信号处理技术和软件过程技术，克服了传统仪器无法灵活配置的缺点，为大学物理实验仪器建设提供了一条可行的途径[2]．

本文拟讨论一种利用虚拟仪器LabVIEW仿真RLC串联电路谐振的仿真实验，该方法相比其他方法具有数据误差小、操作简便、灵活快捷的优点，在本文中我们利用LabVIEW对RLC串联电路的幅频特性曲线测量进行了实验演示.

1　理论介绍

1.1　RLC串联电路谐振原理

谐振电路在无线电电子技术中获得广泛的应用，在大学普通物理实验中RLC串联电路谐振特性研究是学生必做的实验[3]，图1为电路原理图.

图1　RLC串联电路

当电源输出的正弦交流电压的有效值保持不变时，电流的有效值I随频率变化的特性曲线，称为RLC串联电路的幅频特性曲线.

2　实验系统

2.1　系统前面板设计

图2和图3为系统的前面板，系统的前面板设计主要结合系统实现的功能要求来进行，在满足实现系统功能要求的基础上注重前面板界面的简洁、美观和操作方便[4]，主要由以下3部分组成：信号发生源，由NI 9263输出，可调节其输出波形、幅度、频率等参数；信号采集，由NI 9205采集输出[5，6]，在前面板上以李萨如图和波形图显示，使得采集到的信号清晰明了；信号处理，获取采集信号的基本参数．

图2　仿真实验系统前面板

图3　仿真实验系统前面版

2.2　系统程序设计

根据实验原理中各相应量的理论关系以及系统实现的功能，系统的程序设计框图如图4所示.

图4　仿真实验系统程序框图

3　结果与分析

在实验测量中，选取C=0.1 μF，L=0.1 H，Rd=37 Ω，RL=13 Ω，其中Rd为电阻箱的阻值，RL为标准电感的电阻．根据计算的谐振频率，选择1 000 Hz到2 000 Hz的频率范围，从低到高调节信号源的频率，每间隔50 Hz测量电阻两端的电压值，测得一系列不同频率下的电压值，如图5所示.

由图5可知，运用虚拟仪器，模拟RLC串联电路的谐振特性曲线尖锐，通频带更窄，得出的数据误差更小，快捷地实现了RLC串联电路的幅频特性曲线的测量．故采用虚拟仪器技术构建实验仪器测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分保证．

图5　RLC串联电路的幅频特性曲线

4　结束语

利用虚拟仪器工作平台LabVIEW,演示RLC串联电路谐振原理，并利用数据采集卡NI cDAQ-9217，用NI 9263进行模拟输出，NI 9205进行模拟输入，结合虚拟仪器技术进行RLC串联电路的幅频特性曲线测量，调试此测量制成一个RLC串联电路的相关特性测量的小仪器．模拟RLC串联电路的谐振特性比传统仪器得出的数据误差更小，操作简便，可快捷地实现了RLC串联电路的幅频特性曲线的测量．

但基于虚拟仪器的仿真实验更偏向于理想化，从而无法完全代替真实实验，故以采集卡为支撑，基于虚拟仪器的仿真实验，可用作课堂演示和学生实验前的预演，使学生更容易掌握物理实验知识，为实验教学演示和预习提供了一种可借鉴的模式，也为实验在教学中的实用性做出了有益的探索．