实验一NI ELVIS工作环境的熟悉和使用

实验一实验一NINI ELVISELVIS 工作环境的熟悉和使用工作环境的熟悉和使用 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉 NI ELVIS 的工作环境 了解系统的主要构成和功能 2 使用虚拟仪器进行电子元件参数测量 3 练习基于 ELVIS 的电路分析 二 实验原理二 实验原理 1 1 NINI ELVISIELVISI 工作环境工作环境 NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite 电子学教育平台包括 Multisim ELVIS 和 LabVIEW 该软硬件集成的平台可以无缝地将电 路理论 设计仿真 原型比较联系起来 以动手实践方式培养学生电子设计理论和实践的 能力 NI ELVIS II 环境由以下几部分组成 1 硬件工作区 用于创建电路及接口实验 2 NI ELVIS II 软件 在 NI LabVIEW 软件中实现 包括以下 软前面板 SFP 工具 示波器 示波器 Scope 函数发生器 函数发生器 FGEN 数字万用表 数字万用表 DMM 任意波形发生器 ARB 波特图分析仪 波特图分析仪 Bode 二线电流电压分析仪 二线电流电压分析仪 2 Wire 三线电流电压分析仪 三线电流电压分析仪 3 Wire 动态信号分析仪 动态信号分析仪 DSA 阻抗分析仪 阻抗分析仪 Imped 数字读取器 DigOut 数字写入器 DigIn 可变电源 手动控制 可变电源 手动控制 VPS LabVIEW 应用程序编程接口 API Multisim 应用程序编程接口 API 通过 API 用户可使用在 Multisim 内编写的 LabVIEW 程序及仿真程序实现 NI ELVIS II 工作站 的自定义控制及访问 图图 1 1 NI ELVIS II 工作站详细信息工作站详细信息 三 实验内容三 实验内容 练习练习 1 11 1 测量器件值测量器件值 1 使用提供的 USB 线将 NI ELVIS II 工作站与计算机连接 2 在计算机 所有程序 National Instruments NI ELVISmx for NI ELVIS NI MyDAQ NI ELVISmx Instruments Launch 或点击桌面快捷方式 NI ELVIS II 仪器条将在屏幕上显 示 现在已经完成测量的准备了 图图 1 2 NI ELVISmx 仪器启动图标图仪器启动图标图 3 用双头香蕉型接口连接数字万用表 DMM 输入 及工作站左侧的 COM 端 另一头连 接一个电阻器 4 点击 NI ELVISmx 仪器启动中的 DMM 图标 选择数字万用表 图图 1 3 数字万用表数字万用表 欧姆计设置欧姆计设置 可以使用可以使用 DMM SFP 实现实现各各类类操作 如操作 如电压电压 电电流 流 电电阻 阻 电电容等的容等的测测量 通量 通过过 DMM X 符号符号 X 来表示来表示 X 操作 操作 本次测量的正确连接方法显示在本次测量的正确连接方法显示在 DMMDMM 前面板上前面板上 5 点击 按钮来使用数字欧姆表功能 点击绿色箭头 Run 来开始测量采集 测量 3 个电 阻 R1 R2 及 R3 将数据填写到下表 R1 1 0K 标称值 标称值 R2 2 2K 标称值 标称值 R3 1 0M 标称值 标称值 如果要停止采集 可点击红色方形红色方形 Stop 按钮 注 通注 通过过点点击击模式模式 Mode 按按钮钮 可将 可将 自自动动量程量程 改改为为 指定量程指定量程 并通 并通过过点点击击量程按量程按钮选择钮选择最最 适当的量程适当的量程 练习练习 1 21 2 在在 NINI ELVISELVIS IIII 原型板上创建分压电路原型板上创建分压电路 1 使用 R1 和 R2 两个电阻在 NI ELVIS II 原型板上搭建以下电路 图图 1 4 分压电路分压电路 2 将输入电压 Vo 连接至 5V 引脚接口 3 将共地端连接至 GROUND 引脚接口 4 将外部线一端连接至 DMM 电压 及左侧的 COM 5 检查电路后将上推电源开关至上端 使原型板上电 3 个电源 LED 指示灯此时均呈绿 色并点亮 如下图所示 图图 1 5 NI ELVIS 开发板上的电源开发板上的电源 LED 指示灯指示灯 注 如果注 如果这这些些 LED 中的任何一个呈黄色 而其它中的任何一个呈黄色 而其它为绿为绿色 色 电电源的可重置保源的可重置保险丝险丝都将跳断 此都将跳断 此 时时需要关需要关闭闭开开发发板板电电源以重置保源以重置保险丝险丝 检查电检查电路可能存在的短路情况 重新路可能存在的短路情况 重新给给开开发发板上板上电电 此此时时 LED 将均呈将均呈绿绿色 色 6 将 DMM V 测试端连至 Vo 并通过 DMM V 功能测量输入电压 按下点击 Run 来采集 电压数据 V0 测量值测量值 根据电路原理 R2 上的输出电压 V2 应由以下公式得到 7 使用上面的测量值 R1 R2 及 Vo 来计算 V2 接下来 使用 DMM V 来测量电压 V2 的真 实值 V2 计算值计算值 V2 测量值测量值 8 测量值与计算值是否匹配 练习练习 1 31 3 使用使用 DMMDMM 测量电流测量电流 根据欧姆定律 以上电路的电流 I 等于 V2 R2 1 使用 V2 及 R2 的测量值计算电流 2 将连接至 V 的外部连线连至电流输入端 A 进行电流的直接测量 将另一端连至电路 如下所示 图图 1 6 测量电流的修改电路测量电流的修改电路 3 选择功能 DMM A 并测量电流 I 计算值计算值 I 测量值测量值 4 测量值与计算值是否匹配 练习练习 1 41 4 观察瞬态电路的电压变化观察瞬态电路的电压变化 采用 DMM 功能来测量 1 F 的电容 1 将电容的导线连接到原型板的 DUT 和 DUT 上 可以在 NI ELVIS II 原型板的左下方 接线块上找到这两个端口 2 要测量电容和电感 必须为原型板供电 需将原型板的电源切换为 ON 状态 3 单击电容按钮 使用 DMM 功能来测量电容 C 按下 Run 按钮获取电容值 C f 4 建立一个如下图所示的 RC 瞬态电路 该电路中采用了分压电路 其中 R1 由 R3 1 M 电阻 取代 而 R2 则由 1 F 的电容 C 取代 将 DMM 的导线移至输入插孔 V 和 COM 其 它两端则分别接到电容上 图图 1 7 RC 瞬态电路瞬态电路 5 选择 DMM V 并单击 RUN 6 给电路上电后电容两端的电压指数将上升 将 DMM 的电压范围设置为 指定范围 10 V 打开原型板的电源 观察数字显示器和 FS 线性范围上的电压变化 7 大概几秒钟之后才能获得 Vo 的稳态值 切断电路电源后 电容两端电压指数将下降到 0V 注意 注意 该练习该练习只是描述了只是描述了 NI ELVIS II 数字万用表的一种特殊功能 即使当原型板的数字万用表的一种特殊功能 即使当原型板的电电源断源断 开开时时 它甚至 它甚至还还可以工作 可以工作 练习练习 1 51 5 操作可变电源操作可变电源 1 从软件前面板菜单中 选择 VPS 图标 NI ELVIS II 共有两个可控电源 0 至 12 V 以及 0 至 12 V 每个最大都可以输出 500 mA 电流 说说明 要将明 要将输输出出电压电压在一定的在一定的电压电压范范围围内内扫扫描 先确保按下了描 先确保按下了 停止停止 按按钮钮 选择电选择电源 或源 或 开始 开始电压电压 停止 停止电压电压 阶跃阶跃大小 大小 阶跃间阶跃间隔 点隔 点击击 扫扫描描 要进行手动操作 点击手动栏 使用 NI ELVIS II 工作站右侧的旋钮 设定输出电压 要 查看显示区域的输出电压 请点击 LabVIEW 标签旁边所出现的白框 2 将接头从标有可变电源 SUPPLY 和 GROUND 的原型板接头连接到 DMM 电压输 入上 3 选择 DMM V 点击运行 选择 VPS 前面板 点击运行 4 旋转虚拟 VPS 的电源 控件 观察在 DMM V 显示上出现的电压变化 说说明 可以使用明 可以使用 重置重置 按按钮钮快速将快速将电压电压重置重置为为零 零 5 点击手动栏 激活工作站右侧的真实控件 虚拟控件被灰色显示 观察 NI ELVIS II 工作 站的绿色手动模式 LED 已经点亮 6 旋转 电源旋钮 观察 DMM 上的变化 说说明 明 VPS 的工作方式完全相同 只是 的工作方式完全相同 只是输输出出电压电压是是负负的 的 练习练习 1 61 6 ACAC 电路特性测试电路特性测试 1 使用前面的方法测量电路所需元件的值 电阻电阻 R k 1 k 标称标称 电容电容 C F 1 F 标称标称 2 元件与电路阻抗 Z 的测量 1 从 NI ELVISmx 仪器启动程序中选择阻抗分析仪 Imped 用于复阻抗的测试与分析 板面如图 所示 在 RC 串联电路中 它的复阻抗可以由以下公式得出 1 其幅度和相位可由下面公式得到 2 2 2 将元件置于 NI ELVIS 面包板之上 3 将来自阻抗分析仪的 DUT 和 DUT 端的跳线与标称为 1 k 的电阻相连接 4 为 NI ELVIS 面包板上电 并点击运行 5 验证该电阻的相位向量沿实数轴 并且其相位为 0 6 将该阻抗分析仪的跳线与电容相连接 7 验证该电容的相位向量沿负虚数轴 并且其相位为 270 或 90 度 8 默认测量频率为 1000Hz 调整频率值 并观测 该容抗 该相位向量的长度 在提 高该频率时 在降低该频率时 注 Xc 1 C 9 将该阻抗分析仪的跳线与串联的电阻电容相连接 该相位向量现在同时具有一个实数 部分和虚数部分 10 将该测量频率按从 100Hz 到 500Hz 1000Hz 和 1500Hz 改变 并记录该相位向量的 移动 11 调整该频率 直至该容抗 Xc 的幅值等于该电阻 R 的幅值 在此特定频率下 该相 位向量的相位读数为 度 12 该相位向量的幅值为多少 13 关闭该阻抗分析仪的窗口 3 利用函数发生器和示波器测量一个 RC 电路 1 搭建 Multisim 电路 在 Multisim 中搭建如图 1 9 所示 RC 电路 其中 XLV1 XLV2 是 ELVISmx 仪器 需安装 ELVISmx 驱动 图图 1 8 Multim 电路原理图电路原理图 2 Multisim 电路仿真 其中波形发生器和示波器的参数设置如图 1 10 图 1 11 然 后点击运行 即可观察到两个的正弦信号 可调整函数发生器信号频率 电压值 波 形 观察结果的变化 图图 1 9 函数发生器参数设置函数发生器参数设置 函数发生器的实时控制 频率与幅值 也可使用右侧的 NI ELVIS 工作站 正如 可变电源供应一样 您可以通过点击手动模式框 启用手动控制 该工作站右部的一 个绿色 LED 变亮 表示手动控制 这时 该 NI ELVISmx 函数发生器窗口中 频率与幅 值的旋钮已被激活 而虚拟控制则变灰 被禁用 注意 该函数发生器还提供了一些特定的操作 如信号调制 AM 或 FM 或频率扫描 将在后续的一些实验中使用这些特性 图图 1 10 示波器参数设置示波器参数设置 该示波器软面板与绝大多数的示波器相似 但该 NI ELVIS 可以自动实现输入与各 种信号源的连接 具有内置 AC 测量和波形光标 并可以方便地记录波形模式 3 在工作站面包板上 利用一个 1 F 电容和一个 1 0 k 电阻构建一个分压电路 4 将该 RC 电路的输入与该面包板上的函数发生器 FGEN 与 GROUND 的引脚插座相连 接 如下图所示 5 将 FGEN 与示波器 CH0 端相连 电容 C 两端与 CH1 端相连 6 打开 Multisim 电路中的波形发生器 将 Device 由 Simulate NIELVIS II 切换成 Device ELVIS II 并点击运行 打开示波器 按照下图设置 点击运行 观察波形 观察因器件误差 阻抗匹配等因素造成的滤波器输出仿真与实际测量的微小差别 掌握在掌握在 MultisimMultisim 中比较仿真结果与中比较仿真结果与 ELVISELVIS IIII 实际原型电路测量结果 实际原型电路测量结果 7 电路频率特性测试 使用波特图分析仪 Bode 来观察 RC 电路的频率特性 不用修改原型板上 RC 电路的接线 需要打开原型板电源开关 打开 Bode 软面板 选择激励通道 GH0 响应通道 CH1 参数设置如下图所示 点击运行按钮 等待仪器自动描绘曲线 完成后 观察其描绘的曲线图 练习练习 1 71 7 二极管 三极管特性分析二极管 三极管特性分析 1 绘制三极管特性曲线 在原型板上的 DMM 部分 将三极管的三个引脚按照管脚定义接至 BASE DUT DUT 三个 端口 打