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实验五 虚拟仪器在物理实验中的应用 【实验简介】 通常的电子测量仪器包括信号输入、分析处理、显示和控制几个部分。例如,在传统的示波器中,利用探头来输入信号,在显示屏上显示信号,有些示波器还具有对输入信号进行处理和分析的高级功能。对于整个测量过程我们可以通过示波器前面板上提供的控制按钮进行控制。 这些传统的独立仪器,比如示波器、数字多用表、函数发生器等,有些显而易见的缺点:数据显示形式比较单一,数据处理功能比较简单,不容易根据需要自行改装,不能共享数据,自动化程度低等。随着计算机和网络技术的发展,计算机在数据处理、通信方面的长处已经显露出来,人们开始想把计算机应用到测量上来,一种思想是把计算机装入仪器,这就是智能化仪器的思想;一种思想是把仪器装入计算机,这就是虚拟仪器的思想。把仪器装入计算机意味着测量是以计算机为中心的,测量对象的信息必须变成计算机能处理的信息,对测量对象的控制也是由计算机发出,而用户则通过计算机来控制测量和了解测量结果。因此,虚拟仪器实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。它利用通用计算机的强大计算处理功能,通过传感器和接口卡实现信号输入,用键盘、鼠标、显示器等计算机外设实现控制和显示功能。使用者可以根据需要自行设计仪器,体现了“软件就是仪器”的新概念。虚拟仪器设计过程主要包括选择适当的硬件平台、传感器、接口卡以及编制应用软件。比如,用虚拟仪器方法实现示波器的功能,只需要一台个人电脑,一块模数/数模转换卡,加上专为示波器功能编写的软件就可以;而同样的硬件设备,加上为实现函数发生器功能而编写的软件,还可以成为一台函数发生器。虚拟仪器相比较于传统仪器,其功能更加灵活多变、易于扩展,而且由于和网络技术结合,它还能够与外界进行数据通信,实现远程操作。因此,虚拟仪器技术已经成为自动化测量的主流技术。 【实验目的】 1. 了解虚拟仪器的概念; 2. 了解图形化编程语言LabVIEW,学习简单的LabVIEW编程; 3. 完成伏安法测电阻的虚拟仪器设计。 【实验仪器与用具】 计算机(含操作系统),LabVIEW 2014,NI ELVIS Ⅱ+,导线若干,元件盒一个(包括100标准电阻一个,待测电阻1 k和51 各一个,稳压二极管一个。) 【实验原理】 1.虚拟仪器的硬件 本实验使用的硬件平台是个人电脑(PC机),美国国家仪器公司(National Instruments)的教学实验室虚拟仪器套件(Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite)II+(缩写为NI ELVISⅡ+)和自带的原型板。 图1 NI ELVIS Ⅱ和原型板实物图 图2 NI ELVIS Ⅱ功能说明。 1. NI ELVIS Ⅱ系列原型板;2. 数字万用表保险丝;3. 数字万用表接口; 4. 示波器接口; 5. 函数发生器输出/数字触发输入接口; 6. 原型板安装螺丝孔; 7. 原型板接口; 8. 原型板电源开关; 9. 状态灯 ;10. 可变电源手动控制旋钮; 11. 函数发生器手动控制旋钮。 虚拟仪器综合实验平台ELVIS Ⅱ+,如图1所示,集成8路差分输入(或16路单端输入)模拟数据采集通道、24路数字I/O通道,以及多款常用的仪器(包括示波器、数字万用表、函数发生器、动态信号分析仪、二线电流电压分析仪、三线电流电压分析仪、阻抗分析仪、VPS电源等)。平台通过USB连接PC。虚拟仪器综合实验平台是开源的,可以在LabVIEW 中进行定制,同时可以使用LabVIEW Express VI 和LabVIEW Signal Express 的步骤对设备进行编程。详细指标如下: (1)8通道差分或16通道单端模拟采集:分辨率16位,单通道最高采样率1.25 MS/s,输入范围支持±10 V,±5 V,±2 V,±1 V,± 0.5 V,± 0.2 V,和± 0.1 V; (2)2通道示波器:采样率为100 MS/s,分辨率8位,时基精度50 ppm,单通道波形内存16384个采样; (3)动态信号分析仪:软件可控(200、400、800、1600、3200 Hz); (4)函数信号发生器:可输出正弦、方波、三角波,最高支持频率5 MHz,频率分辨率0.186 Hz,波形幅度范围10 Vpp; (5)数字万用表:支持直流电压,交流电压,直流电流,交流电流,电阻,二极管、电容、电感测量,隔离等级60 VDC/20 Vrms,分辨率5位半,输入阻抗11 M Ω; 图3 原型板功能说明。 1. 模拟信号输入和可编程函数信号I/O阵列; 2. 工作站交互接口; 3. 数字信号I/O阵列; 4. 用户可配置LED; 5. 用户可配置D-SUB接口 ;6. 计数器/计时器,用户可配置I/O,直

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