（电力系统及其自动化专业论文）虚拟实验技术的应用研究.pdf

a b s t r a c t e x p e r i m e n t sa r en e c e s s a r yp a r t si n t h ee d u c a t i o no ff u n d a m e n t a lc o u r s e si ne l e c t r i c t h e o r ya n dt e c h n o l o g y n o t i c i n gt h ep r o b l e m st h a tt r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t sa n d m e t h o d sa r eo u to fd a t ea n dt h a ts t u d e n t sl a c ki nc r e a t i v i t ya n di n i t i a t i v e u n f o r t u n a t e l y , e x p e r i m e n t a lc l a s s e sa r ep r o b a b l yt h em o s te x p e n s i v et e a c h i n ga c t i v i t i e s ，t h e yr e q u i r el a r g e e c o n o m i c a li n v e s t m e n t sf o ra c q u i r i n ga n de f f e c t i v ew a y m o r e o v e r , r e m o t ee d u c a t i o ni sk o w n a san e wm o d e lo fm o d e r nt e a c h i n g , b u tr e m o t el a b o r a t o r yi sa l s oa p r o b l e mt ob cr e s o l v e d f a c i n gt h o s ep r o b l e m s ，an e wa p p r o a c ho fe x p e r i m e n ti sd e s c r i b e di n t h i sp a p e r o nt h e b a s i so ft h i sm o d e ，t h en e t w o r kv i r t u a le x p e r i m e n t a ls y s t e mi sc a r r i e do u t ，c o m b i n e dw i t ht h e v i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n ts o f t w a r eo fl a b v i e w7 1 ，m u l t i f u n c t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o n d e v i c eo fp c i 一6 2 2 0a n dp h y s i c a le x p e r i m e n t a lc i r c u i t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dd e s i g nf i l e s c a nb er e l e a s e do nt h ei n t e r n e t i m p l e m e n t a t i o nd e t a i l si n c l u dc o n t e n t s ，d e s i g np r i n c i p l e so f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m t h i s p a p e rd i s c u s s e s t h er e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ev i r t u a l e x p e r i m e n t a ls y s t e mo nt h ei n t e r n e tf r o mt h r e ea s p e c t s ，i n c l u d e st h ei n t r o d u c t i o no fh a r d w a r e c i r c u i t ，t h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dt h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e m i nt h ef i r s ts e c t i o n ，i t d i s c u s s e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，h a n d w a r ec o m p o s i t i o na n dm a i n l yd e s c r i b e st h eo r i g i n a l i t y a n dt h ef e a t u r eo fp c bd e s i g n ；i nt h es e c o n ds e c t i o n ，i tm a i n l ye x p l a i n sh o wt ou s et h e l a b v i e ws o f t w a r e ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，p r o g r a m m i n gw a y s ，t h e f o l l o w i n gc h a r ta n dr e m o t ep a n e lt e c h n o l o g y ；i nt h et h r i ds e c t i o n ，i tm a i n l yd i s c u s s e st h e s t r u c t u r eo fp r o g r a m ，t h er e s u l to fs i n g l es t a g ea m p l i f i e sc i r c u i ta n dn e g a t i v ef e e d b a c k a m p l i f i e sc i r c u i t a tp r e s e n t ，s o m eo ft h ea n a l o g yc i r c u i te x p e r i m e n t sh a v e b e e nc r e a t e di nt h i ss y s t e ma n d t h et e s t i n gr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h ea p p r o a c hi sa v a i l a b l e v i r t u a le x p e r i m e n t sc o m b i n e p h y s i c a lh a r d w a r ec i r c u i ta n ds i m u l a t i o nd e s i g n ，v i r t u a li n s t r u m e n ta n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , a l l o wt h es t u d e n t st oa c c e s sr e a li n s t r u m e n t sf r o ma n ys i t ec o n n e c t e dt oi n t e r n e t b yi m p r o v i n g t h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d sa n dt e c h n i q u e s , t h es y s t e mw i l lb em o r es u i t a b l ef o rr e a l i z i n g d i s t a n c ec o n t r o l l i n go nt h ew e b k e yw o r d s ：n e t w o r ke d u c a t i o n ，v i r t u a le x p e r i m e n t ，l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，m u l t i f u n c t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，r e m o t ep a n e l ，s i n g l es t a g e a m p l i f i e sc i r c u i t ，n e g a t i v ef e e d b a c ka m p l i f i e sc i r c u i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗墨墨盘望或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嚷小东 签字日期：瑚付年 f 月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨兰盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权叁盗墨墨盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：唼小东 导师签名： 冯彩杰 签字日期：时年1 月r 日签字日期：抽辱年1 月3 - 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 实验教学是工科教学中一个必不可少的组成部分，是提高学生创造力的有效手段之 一n 1 。为了增强学生的实践能力，要求工科院校必需进行实验教学口1 。而在科研中，实 验更为重要，所有的理论推导，最终都要经过实践的检验。可以说缺少了实验的支持， 工科领域的科研活动就无法进行口1 。 然而实验系统是一个资源高度密集的系统，主要包含下几个方面： 1 实验室需要一次性投入大量的资金来购置仪器设备。 2 实验室的建立和维护，需要大量的人力、物力投入。 3 实验教学需要大量的教师资源。 在国内，随着高等教育的不断普及，学生规模不断地扩大，进一步加剧了实验资源 短缺的现状。随着科学技术的发展，原有的实验设备由于陈旧老化等原因难以满足实验 教学的要求，符合要求的实验系统变得更加昂贵稀少h ，。此外，由于继续教育、远程教 育等多种教育模式的出现，与通常教学模式相比，在该模式下，学生与教师的互动通常 不是直接完成的，而是一种异步教学隅1 。这对实验教学提出了更高的要求，要求实验教 学可以在任意地点，任意时间完成。 7 在国外，以上种种问题也或多或少地难以避免。因此长期以来，国内外学者对实验 教学进行了广泛的研究与探索。虚拟实验室就是在这种状况下应运而生。 1 2 虚拟实验室的概念和分类 虚拟实验室的研究是随着p c 机和网络的发展而随之出现和发展的。在9 0 年代初，提 出了虚拟实验室的最初概念，在9 0 年代末和2 l 世纪初，国内外开始大量出现虚拟实验系 统的介绍。 一 1 2 1 虚拟实验室的概念 虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 亦称为“合作实验室( c o ll a b o r a t o r y ) ，最早 是在1 9 8 9 年由美国弗吉尼亚大学( u n i v e r s i t yo fv i r g i n i a ) 的威廉沃尔夫( 1 | i l l i a m w u l f ) 教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。虚拟实验室的最初概 念在文 6 8 中得到了阐述，文中指出了虚拟实验室的发展是一个从控制虚拟设备至物 理设备的过程。美国国家研究委员会把虚拟实验室形容成为“一个无墙的中心w 。文 1 0 中把虚拟实验室看成是除理论与实物试验之外的第三种研究设计手段和形式。 第一章绪论 1 9 9 9 年5 月中旬，联合国教科文组织( u n e s c o ) 将“虚拟实验室 定义为：以利用分 散的信息和通信技术来创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离 合作和实验的一种电子协作组3 。 1 2 2 虚拟实验室的分类 虚拟实验室及虚拟实验技术，是近年来信息技术迅速发展的产物。虚拟实验室综合 运用了虚拟仪器、虚拟现实、数据库、网络和计算机实时控制等多种技术，为实验者营 造虚拟的实验环境。实验者的指令通过网络发送给服务器端的实际设备或者仿真对象， 实验的结果以图表、动画等形式反馈给用户，以达到与在普通实验室中相同的实验效果。 实验者可以在计算机终端自由地浏览、学习有关实验内容并进行实验。通过虚拟实验系 统可以解除传统实验所无法克服的地点和时间的限制，同时大大地提高设备的利用率， 有效地降低实验成本，在相同经费的情况下，提供更加丰富的实验内容，更加先进的实 验设施n 羽。 1 按照客户端软件可以大致分为4 类： ( 1 ) 利用j a v aa p p l e t 构造的系统 由于j a v a 的面向对象、面向网络、跨平台等优点，使得该方案成为目前各个虚拟 实验室的首选，j a v aa p p l e t 不仅提供了强大的设计用户界面的图形功能，而且具有较 强的逻辑处理能力。文 1 3 一1 8 都采用j a v aa p p l e t 作为客户端的实现手段，其中文 1 3 是法国b o r d e a u x 大学、德国m u n s t e r 大学、西班牙m a d r i d 大学联合构建的远程实验室， 用户通过浏览器下载a p p l e t ，每个a p p l e t 都可以显示虚拟仪器的前面板，用户可以通 过该面板完成远程控制，且此系统在m o s 晶体管特性的测量上已经得到应用。 ( 2 ) 利用组件( c o m p o n e n t ) 技术构造的系统 组件技术将单个的应用程序分隔成多个独立的模块，开发者可以随着技术的发展用 新的组件取代己有的组件，使系统不断趋于完善。目前最为常用的组件技术规范有c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 和c o m ( t h ec o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 两类。该方案提供了良好的代码重用性和平台无关性，适合开发复杂的系统，文 8 1 9 - 2 2 都是基于组件开发的虚拟实验室，文 1 9 是基于c o r b a 组件技术开发的机器 人控制系统，文 2 1 介绍了武汉大学利用d c o m 技术开发的电子线路虚拟实验室，较好 的解决了理论与实际相结合的问题。文 2 2 j 提出了一种利用a c t i v e x 控件创建网络虚拟 仪器实验室的通用方法。 ( 3 ) 利用简单的h t t p 页面 利用各种w e b 技术创建h t m l 页面，例如a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) ，j s p ( j a v a s e r v e rp a g e ) 等。这种方法简单易实现，在国内远程教育中普遍采用，但它只是“播放 型或“演示型”教学，学生无法真正参与到学习中，自主性不能得到充分发挥。从严 格意义上讲，它不能成为一个虚拟实验系统。 ( 4 ) 使用非浏览器中运行的客户端软件 该方案不通过浏览器，直接使用t c p i p 技术与服务器相连，如文 6 3 就是直接使用 u d p 协议与服务器相连的。 2 第一章绪论 2 按服务器端软件分类，可大致分为3 类： ( 1 ) 利用l a b v i e w 构造的虚拟实验系统 。 由于l a b v i e w 提供了便利的设备访问能力和强大的实时控制能力，尤其是对虚拟仪 器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 技术的强大支持，使得仅使用l a b v i e w 就可以构建一个完整的 虚拟实验室系统。它提供的界面功能强大，外观接近真实仪器、仪表，不但可以开发各 种虚拟实验，而且还可以作为训练学生掌握仪器、仪表的有力辅助工具，因而成为虚拟 实验室中设备访问的首选标准。文 1 6 1 7 2 0 2 3 - 2 6 均使用l a b v i e w 作为系统控制的 工具，其中文 2 3 介绍了应用服务器内置d a q 采集卡和g p i b 卡开发虚拟仪器实验室进 行电子电路的测量，并列举了欧姆定律测电阻、a d 转换器的传输特性和b j t 晶体管特 性测试三个实例。文 2 5 给出了一个控制断路器和低压接触器来观察电压电流波形的 实例，且该系统已经在p o l i t e h i n c a 大学与a r i z o n as t a t e 大学得到应用。 ( 2 ) 利用m a t l a b 构造的虚拟实验系统 m a t l a b 具有强大的仿真和计算能力，一直是控制领域里最为重要的工具之一j 自然 也被广泛地用于虚拟实验室的开发，尤其是对于控制类实验的开发。文 1 5 2 7 2 9 中 都使用了m a t l a b 作为服务器控制实际对象的引擎。文 2 8 提出了一个基于m a t l a b 的一 整套的网络控制系统解决方案，包括设备访问，实时控制，具体界面和帮助系统，经济 性也被考虑其中。整个系统在m a t l a b 的s i m u l i n k 工具中运行，利用r t w ( r e a lt i m e w o r k s h o p ) 工具进行实时控制，同时给出了在w i n d o w s 平台和l i n u x 平台上的解决方案， 而且其解决方案已经商业化，有了一系列基于该接口的设备和一系列现成的整套产品， 其中包括倒立摆，机器人等等。 ( 3 ) 自行编程( c c + + ，j a v a 等) 实现的虚拟实验系统 由于自行开发的实验系统可以最大程度地适应设备的性能，灵活定制实验的功能， 因而该类型占据大多数。当然，在自行实现相同功能时，难度也是最大的。文 2 5 3 0 3 4 中的控制系统都是由开发者自行设计实现的。文 3 0 是n o r w e g i a n 大学用c + + 语言实现 的电子仪器与电路特性测量的虚拟实验室，开发了关于c m o s 芯片与s i c 二极管的9 个 实验。 3 1 提到了n a t io n a lt a i w a nn o r m a l 大学利用j a v a 技术开发的机一电实验，并 把专家系统与虚拟现实进行结合作为研究的一个主要任务。 1 3 国内外的研究现状 1 3 1 国外研究情况 虚拟实验室的研究，国际始于2 0 世纪8 0 年代末。麻省理工学院的w e b l a b 是一个 在线实验室，于1 9 8 8 年开发并投入使用。9 0 年代，美国政府投入巨大财力在海洋学、 天体物理学、分子生物学以及核科学四大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程， 开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。 同时在美国各大高校也在进行着虚拟实验室的研究，代表性的成果有：美国斯坦福 大学的远程光学实验室，实验室向用户提供监听和控制功能、实验室的日程安排，参考 3 第一章绪论 资料和分析工具，学生可以远程登陆该光学实验室做实验，利用n i - i m a q 软件工具和 n ip c i - 1 4 0 8 图像采集卡还可以植入动态图像。美国伊利诺伊( 1 1 1 i n o i s ) 大学的 n m r s c o p e 系统，通过i n t e r n e t 研究人员在任何地方都能使用伊利诺伊大学的仪器，只 要向该大学递交一个样品，经授权后就可以与服务器联机，然后自行填写设置仪器参数 和功能清单，点击屏幕上的按钮就可以进行实验，生成的图像会被传回到研究人员的计 算机屏幕上m 1 。美国摩约翰霍普金斯大学化学工程系的卡尔威教授，设计了一个“虚拟 实验室，学生可以通过网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题m 1 。美国里海 大学化学系的g c - m s 远程虚拟实验室口引。u t a hs t a t e 大学利用m a t l a b 与l a b v i e w 开发 了一系列的模块，并介绍了利用两种软件结合开发了在线电磁兼容课程暖7 1 。t e m p l e 大学 专门为残疾人研发的电气工程实验室m 1 ； s o u t ha u s t r a l i a 大学的n e tl a b 汹1 等。 文 1 5 给出了k r i 公司的双箱液位实验系统，该实验通过d a q b o a r d 2 0 0 0 采样，利 用m a t l a b 进行实时控制，所有数据存入文本文件中，用户通过浏览器下载a p p l e t ， a p p l e t 跟m a t l a b 通讯，完成远程的控制，该系统利用p i d 或者状态空间反馈进行控制， 同时提供了仿真和真实两种方式运行。文 1 6 介绍了一个基于虚拟仪器的远程n p n 晶体 管性能测试实验，使用g p i b 总线连通具体的仪器和g p i b 适配器，通过s c p i 应用程序 接口编程，控制实际的仪器进行实验测试。 同时，其他国家也开展了虚拟实验室的研究，如加拿大达尔豪西大学的远程激光实 验室系统，工程学和自然科学的学生能随时随地登录虚拟的激光实验室作激光实验1 。 德国r u h r 大学的虚拟自动化实验( h t t p w w w e s r r u h r u n i b o c h u m d e v c l a b ) ，是一个有 关控制工程的学习系统，它具有直观的三维实验场景视觉效果，通过各虚拟实验设备的 仿真特性，实现对虚拟实验的交互式操作；德国柏林大学的试验数学实验系统；还有德 国的h a g e n 大学盥羽。瑞典的b t h 远程实验室，文 2 0 中介绍了一个电路的测试实验，用 户可以通过切换继电器开关实现有限种电路，通过用g p i b 连接的虚拟仪器进行测量， 训练学生对各种仪器仪表的使用。西班牙大学的电子仪器虚拟工作台，意大利帕瓦多大 学的远程虚拟教育实验室，瑞士联邦理工学院的增强式教学系统，新加坡国立大学的远 程示波器实验和压力容器实验n 钔。此外还有日本1 、挪威啪1 等等。 1 3 2 国内研究情况 国内的研究虽然起步比较晚，但是一大批高校也开展了这方面的工作，并取得了突 出的成果，主要有浙江大学自主研发的“电工电子网络试验室 n 引，目前网络实验室已 经初具规模，主要包括4 大类，1 1 组，近3 0 个具体实验。这4 大类分别为控制类实验， 电路类实验，电力电子类实验，电机控制类实验，所有实验都基于真实物理对象，涵盖 全部本科生和部分研究生教学研究相关实验。整个系统采用双c s 架构，由客户端，服 务器端，控制端三部分组成，允许多名用户，多个实验同时进行，整个平台具有良好的 可扩展性和安全性；大连理工大学的“远程虚拟电子实验室儿3 ，该系统是基于网络的 交互式虚拟实验平台和远程实验室环境，能够实现电工原理、模拟电路和数字电路总计 2 0 个基础实验，此外还研究了部分虚拟传感器实验，实验系统分为远程实验和仿真实验 两大部分；西安交通大学的“远程网络测控实验室州“1 ，该系统共设计了2 2 个虚拟仪器， 第一章绪论 它们均是组成一个完整测量系统的基本单元，分为简单虚拟仪器、信号分析类虚拟仪器、 数据处理类虚拟仪器、数据采集及信号记录类虚拟仪器和具有实测功能的虚拟仪器5 类； 清华大学基于虚拟仪器的电工教学实验系统，借助虚拟仪器开发工具和数据采集卡设计 了虚拟函数发生器、虚拟相量电压表、虚拟扫频仪和虚拟谐波分析仪等仪器仪表h 4 l ；武 汉大学基于d c o m 技术的网络虚拟实验系统乜；华中科技大学的基于网络的计算机硬件 虚拟实验系统佑1 ；华南理工大学h 射；华北电力大学m 1 ；电子科技大学；中国科学技术 大学乜3 ；西安电子科技大学h 引；湘潭大学咖1 ；南京航天航空大学喳等等。一些军事院校 也开展了这方面的研究，如解放军信息工程大学n 8 1 ；国防科技大学h 旬等。 此外，我国的香港p o l y t e c h n i c 大学啦钔，台湾n a t i o n a lt a i w a nn o r m a l 大学瞄 也开展了这方面的工作。 1 3 3 研究现状总结 综上所述，我们可以看出：虚拟实验室以其独特的优势在各个领域迅速得到推广， 目前存在的虚拟实验室主要有以下特点： ( 1 ) 大部分虚拟实验室都是基于w e b 浏览器方式实现，此结构升级、维护都比较容 易，而且w e b 浏览器的平台无关性使得开发者不必为多个操作系统开发不同的客户端版 本，但网络带宽问题是其瓶颈。 ( 2 ) 多数虚拟实验室配置了多种信息获取方式，常见的主要是安置视频摄像设备， 这样可以给实验者一种真实感受，一些实验室还使用v r m l 模拟真实的实验环境。 ( 3 ) 虚拟仪器技术的加入使得实验者对实验的掌握程度也越来越逼近真实的实验。 ( 4 ) 大部分的虚拟实验室通常会用“用户名密码对用户进行校验。 ( 5 ) 一些辅助手段如学生教师在线交流、讨论、实验报告等己在部分虚拟实验室 中应用。 但是，当前存在的虚拟实验室还有着很多的缺陷：例如大多数虚拟实验室都是演示 型或验证型的，一些大型虚拟实验室也是基于仿真实现的，无法给实验者真实的实验感 受。基于实际系统的虚拟实验室也大多是基于单个对象实现的，或者最多是基于一类对 象的实现，没有全面系统的实现，因此存在着重复开发，重用性差等问题。再有缺少一 个综合的实验管理系统，用户在进行实验时面对的是一个个分散的实验，而不是一个统 一的实验室系统。 因此，开发一个大型的、标准化的、统一的综合虚拟实验系统有着重要的意义。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题主要是采用虚拟仪器开发环境l a b v i e w7 1 及n i 公司m 系列p c i 一6 2 2 0 多功 能数据采集卡和自行设计的实验课件电路板，设计开发了一种新型的网络虚拟实验系 统。实验者通过i e 浏览器登陆到主机的虚拟实验系统上，通过设置前面板上给出的控 件参数，控制数据采集卡的数字i 0 口输出高低电平，进而控制模拟开关的选通与截止， 实现选择信号的输入通道、设置实验参数、选择采样点、切换各个实验项的目的。由采 5 第一章绪论 集卡的模拟i o 口采集数据，实时传送并显示在客户机的测试面板上。 本实验系统具有以下几个方面的特色和功能： 1 本设计是基于实际设备的虚拟实验系统，采用了硬件和软件相结合的设计方法。 系统的硬件主要由服务器、p c i - 6 2 2 0 多功能数据采集卡、实验课件电路板、信号源及直 流电源等几部分组成。系统的软件开发是在l a b v i e w7 1 虚拟仪器开发环境下完成。 2 在虚拟实验系统的硬件设计中，根据工科专业教学大纲的要求，所选实验应满 足不同专业、不同层次学生的教学需要。从实验电子技术中精选了8 个较为典型的 基础实验进行归类组合，通过共用元器件，减少了元器件数目，简化了电路板，提高了 系统的可靠性。 3 在虚拟实验系统的硬件设计中，通过控制数据采集卡的数字i o 口输出高低电 平，进而控制模拟开关的导通关断，来选取实验项目。在每个具体的实验中，既可以选 取该实验的工作参数，又可以切换到不同的测试点，从而达到实验的可设计性。 4 在虚拟实验系统的软件设计中，本实验系统的体系结构采用浏览器服务器模式 实现，该模式的特点是：用户只需要安装普通的i e 浏览器和l a b v i e wr u n t i m ee n g i n e ， 便可以实现远程访问，系统升级容易，便于维护。 5 在虚拟实验系统的软件设计中，采用l a b v i e w7 1 虚拟仪器开发环境设计友好 的人机交互界面，实验者通过点击鼠标就可测试该实验的所有内容，实验结果以图表的 形式实时地显示在客户机的前面板上。 6 在虚拟实验系统的软件设计中，采用远程面板技术，实现本实验系统的远程通 信，实验者通过互联网可以在任何时间、地点登陆服务器完成实验，打破了传统实验的 时空限制，提高了资源的利用率。 6 第二章虚拟实验系统的硬件设计 第二章虚拟实验系统的硬件设计 电子实验是工科院校实验教学中十分重要的部分，本章以实验电子技术等实验 教材为参考依据，综合代表性的模拟电子实验，完成被测电路的设计并搭建一个通用的 硬件平台，重点阐述了系统的硬件构成、实验课件电路板的设计方法。 2 1 概述 为了使实验课件电路板既能满足实验教学的要求又能节约成本，我们在硬件设计的 过程中主要考虑以下几个问题： 1 被选实验具有一定的代表性。根据电子专业教学大纲的要求，所选实验应由浅入 深、循序渐进，以利于提高学生的学习积极性，培养学生分析问题和解决问题的能力， 满足不同专业、不同层次学生的教学需要。从实验电子技术中的2 1 个模拟电子技 术实验中精选了8 个较为典型的基础实验，包括：单级放大电路、两级放大电路、负反 馈放大电路、射极跟随器、差动放大电路、比例求和运算电路、波形发生电路和有源滤 波器。 2 实验的智能化设计。通过l a b v i e w 编制的软件平台，控制数据采集卡的数字i 0 口输出高低电平，进而控制模拟开关的导通关断，来选取实验项目。在每个具体的实验 中，既可以选取该实验的工作参数( 如放大电路中静态工作点的选取) ，又可以自动切换 不同的测试点进行测试，从而实现实验的可设计性。 3 优化电路板的设计。在设计电路板的过程中要综合考虑，将以上8 个基础实验归 类，通过共用元器件，减少了元器件数目，简化了电路板，提高了系统的可靠性。例如： 单级放大、两级放大、负反馈放大电路就可以划为一类；运算放大部分只用了一个运算 放大器实现了同相、反相、差分等多个实验。 2 2 系统的工作原理 实验者通过i e 浏览器登陆到主机上的虚拟实验系统上，通过设置前面板上给出的 控件参数，控制数据采集卡的数字i 0 口输出高低电平，进而控制模拟开关的选通与截 止，达到选择信号的输入通道、设置实验参数、选择采样点、切换各个实验项的目的。 然后由采集卡的模拟i o 口采集数据并将数据实时的传送到服务器，并显示在虚拟实验 系统的前面板上。系统的工作原理框图如图2 - 1 所示。 7 第二章虚拟实验系统的硬件设汁 王 机 虚拟 实验 系统 信号源卜_ 叫开关l 源信号 d i 口控制 警芈址巫采卜叫苎茎i 塞堕堕 集卡阻陌嘛卜叫叫开关l 采样点 2 3 系统的硬件构成 a i 口采样信号术仟1 i 可 匝圈 1 单级放大电路 2 两级放大电路 3 负反馈放大电路 图2 1系统的i ：作原理框图 电源 系统的硬件主要由服务器、m 系列p c i 一6 2 2 0 多功能数据采集卡、实验课件电路板、 接口电路、信号源及直流电源等几部分组成。其中p c i 一6 2 2 0 数据采集卡插在服务器主 板的p c i 插槽中，通过虚拟前面板对硬件电路的被测量进行采集与控制；信号源为电路 提供幅值、频率可调的正弦、方波、三角波等信号；直流电源为电路提供1 2 v 、9 v 、 5 v 的电源，为了便于扩展，实验电路板、信号源、电源都通过接口电路与采集卡的端 子板相连。系统的硬件连接见图2 2 所示。 2 4 主要硬件电路介绍 图2 2 系统的硬件连接图 系统所涉及的主要硬件包括：数据采集卡、模拟开关、实验课件电路板上的部分实 验电路和接口电路，下面将对以上硬件进行介绍： 一8 第二章虚拟实验系统的硬件设计 2 4 1 数据采集卡 p c i - 6 2 2 0 数据采集卡：m 系列d a q 产品是n i 新一代的多功能数据采集设备，是一 款性能优良、适合p c 及兼容机的数据采集卡，能够完成信号采集、数字信号的输出及 定时计数等功能。具体功能如下： 1 模拟信号输入及a d 转换部分的主要性能指标： ( 1 ) 1 6 个模拟输入通道( 对于差分是8 对模拟输入通道) 。 ( 2 ) 提供三种信号输入方式：单端无参考地输入( s i n g l ee n d e dn o n r e f e r e n c e d ) 、 单端有参考地输入( s i n g l ee n d e dr e f e r e n c e d ) 、差分输入( d i f f e r e n t i a l ) 。 ( 3 ) 量程：l o v ，5 v ，l v ，0 2 v 四种，分别对应信号为双极性输入方式和单 极性输入方式。 ( 4 ) 分辨率：1 6 位。 ( 5 ) 单通道最好采样率：2 5 0 k 次秒。 2 数字信号i 0 口的主要性能指标： 总计为2 4 路，分别为p 0 口8 路( 包括p o 0 p o ，) 、p 1 口8 路( 包括p 。p ，) 、p 2 口8 路( 包括p 2 o p 2 ，) ，其中p l 与p 2 口又可用为p f i 口( p r o g r a m a b l ef u n c t i o n i n t e r f a c e ) 。 3 定时计数器的主要性能指标： 两个3 2 位的定时计数器和一个频率发生器。 本系统中共用到模拟i o 口9 路( a i 。a i 。) ，考虑到信号源为接地信号( 信号发生 器、电源) ，信号输入方式采用单端无参考地输入方式，现将9 路模拟i 0 口的功能说 明如下： 表2 - 1 模拟i o 口的功能 模拟i 0 口模拟i o 口引脚的功能 a i 。用于实验电路中4 路输入信号u i l u i 4 的采样 a i 。用于实验电路中4 路输入信号u i 5 - - u i 8 的采样 a 1 2用于实验电路中8 路输出信号u o l - - - u 0 8 的采样 a 1 3 一a 1 8用于实验电路中的6 个三极管静态工作点( u 。、u 。、u e ) 的采样 本系统中共用到数字i o 口2 4 路，用于输出高低电平进而控制模拟开关的导通与 关断，引脚功能定义如下： 表2 2 数字i o 引脚功能定义 数字i o 口 数字i o 口引脚的功能 d i 。d i 。模拟开关u 1 ( c d 4 0 5 2 b ) 的控制输入端 d 1 2 d 1 3模拟开关u 2 ( c d 4 0 5 2 b ) 的控制输入端 d 1 4 d 1 6模拟开关u 4 ( c d 4 0 5 1 b ) 的控制输入端 d i ，d i 。模拟开关u 8 ( c d 4 0 5 2 b ) 的控制输入端 9 第二章虚拟实验系统的硬件设计 d 1 9 d 1 1 0模拟开关u 9 ( c d 4 0 5 2 b ) 的控制输入端 d 1 1 i d i l 2模拟开关u i o ( c d 4 0 5 2 b ) 的控制输入端 d i l 3 d i h模拟开关u l l ( c d 4 0 5 2 b ) 的控制输入端 d i l 5 d i1 7模拟开关u 3 ( c d 4 0 5 1 b ) 的控制输入端 d i l 8 d i l 9模拟开关u 5 ( c d 4 0 5 2 b ) 的控制输入端 d i 邪d 1 2 l模拟开关u 6 ( c d 4 0 5 2 b ) 的控制输入端 d 1 2 2 d 1 2 3模拟开关u 7 ( c d 4 0 5 2 b ) 的控制输入端 2 4 2 模拟开关 模拟开关c d 4 0 5 1 b c d 4 0 5 2 b ：根据选通端的电平，决定输人端与输出端的状态，采 用模拟开关作为整个实验课件电路板的控制元件，主要出于以下两个方面的考虑： 1 从技术方面的考虑：模拟多路开关具有信号衰减小、失真小、优良的串扰和关断 性能，信噪比高；先断后合的开关功能可以保证不会同时连接两个通道的输入，因此避 免了对输入信号的潜在危害。 2 从经济的角度考虑：由于本系统主要用于实验教学，廉价的模拟开关完全可以达 到技术指标的要求。模拟开关c d 4 0 5 1 b c d 4 0 5 2 b 引脚说明见图2 3 所示。 c d 4 0 5 l b x 4v d d x 6 x 2 x x 1 弼x 0 x 5x 3 i n ha v e eb v s sc c d 4 0 5 2 b y ov d d y 2x 2 yx l y 3x y lx 0 i n hx 3 v e ea v s sb 图2 - 3 模拟开关c d 4 0 5 1 b c d 4 0 5 2 b 引脚说明图 c d 4 0 5 1 b 、c d 4 0 5 2 b 是一种具有低导通电阻1 2 5q ( t y p e ) ，高关断漏电流 l o o p a ( t y p e ) ( v 呻- v 旺= 1 8 v ) 的数控模拟开端。它使用幅值为4 5 v 2 0 v 的数字信号可以 控制幅值最高为2 0 v , 斗的模拟信号( 例如：如果v 旷v 豁= 3 v ，那么它最高控制的电压为 v 胁- v 旺= 1 3 v ；但是v 呻一v 。 1 3 v ，那么v 一v 嚣至少为4 5 v ) 。c d 4 0 5 1 b 八选一模拟开关， 它由三个逻辑控制输入端( a 、b 、c ) 控制输入端x 与输出端( x o 一- - x 7 ) 的导通与关断， c d 4 0 5 2 b 双4 选1 模拟开关，它由两个逻辑控制输入端( a 、b ) 控制两路输入端( x 、y ) 与两路输出端( x o x 3 ，y o y 3 ) 的导通与关断。 本系统中共用到c d 4 0 5 1 b 模拟开关2 个，c d 4 0 5 2 b 模拟开关9 个，共计1 1 个，编号 分别为u 1 u 1 1 ，其中u l 、u 2 用于实验项目的选择及输入信号的采样，u 4 、u 8 、u 9 、u 1 0 、 1 0 第二章虚拟实验系统的硬件设计 u 1 1 用于设置实验的参数( 例如：u 4 模拟开关c d 4 0 5 1 b 用于单级放大电路、两级放大电 路、负反馈放大电路的偏置电阻的设置) ，u 3 、u 5 、u 6 、u 7 用于实验电路的输出信号采 样。 2 4 3 单级放大电路 单级放大电路是电子实验中基本的实验内容。通过对该实验的学习，学生可以熟悉 虚拟实验系统的使用方法；掌握放大器静态工作点的调试方法及其对放大器性能的影 响；学习测量放大器的静态工作点、放大倍数、输入输出电阻的测量方法，了解共射极 电路的特性；深入了解放大器的动态性能。 实验电路采用共发射极、分压偏置放大电路。实验原理图见图2 4 所示。 j 图2 - 4 单级放大电路原理图 1 静态工作点分析： 单级放大电路采用的是分压式基极偏置电路，从理论上讲，调整放大电路的基极偏 置电阻就可以改变放大器的静态工作点，进而观测静态工作点对电路的影响。在本实验 电路中，设置了8 个阻值不同的电阻( r l = l k ，r 2 = 4 7 k ，r 3 = 8 2 k ，r 4 = 1 6 k ，r 5 = 2 0 k ， r 6 = 2 8 k ，r 7 ：4 7 k ，r 8 = 9 0 k ) ，通过模拟开关u 4 切换使电路工作在不同的静态工作点，实 验电路中通过模拟开关u 5 、u 6 、u 7 切换到3 个直流测试点t 1 一c 、t 1 - b 、t 1 一e ，用数据 采集卡的h i 3 、h i 5 、h i 7 口采集三极管t 1 的3 个端电压值( u 。、u 。、u 。) ，进而计算出 电路的静态工作点。 2 交流放大分析： 第二章虚拟实验系统的硬件设计 实验电路中由模拟开关u 1 、u 3 设置2 个交流测试点u i l 、u o l ，用于测试电路的输 入、输出信号，通过模拟开关u 4 切换使电路工作在不同的静态工作点，观测放大电路 处于饱和失真( r i 、r 2 、r 3 ) 、正常放大( r 4 、r 5 、r 6 ) 、截止失真( r 7 、r 8 ) 时的输出 波形。根据采样值求出放大电路的放大倍数：放大倍数a v = v o v i 。 3 负载与空载分析： 电路通过模拟开关u 8 的切换，使得放大器的输出分别接上了不同的负载( r 1 5 = 5 i k ， r 1 6 = i 5 k ，其中r 1 4 接了一个2 2 m 的大电阻作为空载实验使用) ，可以观测到负载对放 大器输出的影响。 4 输入输出电阻分析： 实验电路中设置了交流测试点u i l ( 测量放大器输入端的电压v i n ) ，( 测量放_ l u o l 大器的输出电压v o u t _ 1 或者v o u t 一2 ) 。 输入电阻r i = ( v i ( v s - v i ) ) * r s ，其中v s 和r s 是信号源的输出信号和信号源的内阻。 输出电阻r o = ( ( v o v l ) v l ) * r l ，其中v o = v o u t - 1 ，v l = v o u t 一2 ，v l 和r l 分别是放 大器带载时的输出电压和负载电阻。 5 频率特性分析： 学生