虚拟仪器实验教案

课 程 教 案

课程名称：任课教师：所属院部：教学班级：教学时间： 虚拟仪器实验 杜 鸣 笛 电气与信息工程学院 自动化1201-02、自动化卓越班1301 2015—2016 学年第 1 学期湖 南 工 学 院

课程基本信息

课程 名称 课程代码 虚拟仪器实验 G0291154 总计： 16 学时 学 分 1 讲课： 0 学时 实验： 16 学时类别 必修课（√） 选修课（ ） 理论课（ ） 实验课（√） 上机： 0 学时 课程设计： 周 任课 杜鸣笛 职称 专职教师 教师 授课 专业班级： 自动化1201-02、自动化卓越班1301 共3个班 对象 虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科的最 新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速 总线技术以及图形化软件编程技术于一身，实现了测量仪器的集成化、智能 化、多样化及可编程化，在实验教学中，虚拟仪器软件编程环境给学生提供 了一个充分发挥自己才能和想象力的空间，有利于学生能力的培养。 课 本课程的任务是让学生学习和了解虚拟仪器的原理及开发技术，掌握虚 程 拟仪器软件平台LabVIEW的基本的编程方法及调试技术，并结合多功能数据采集卡来完成一种虚拟仪器的程序设计。 简 本实验主要有软件和硬件两部分组成，通过一系列实验加深和巩固学生 对所学专业课的理解和认识，扩展知识面，学会一些实用的技术和实验技能。 介 （不超过1000字） 基本 教材 和主 要参 考资 料 1．教材： 《虚拟仪器实验指导书》，自编 2．参考资料： [1] 刘君华编著，《虚拟仪器图形化编程语言》, 西安：西安电子科技大学出版社，2001 [2] 李刚编著，《LabVIEW易学易用的计算机图形化编程语言》, 北京：北京航空航天大学出版社，2001 [3] 王磊等编著，《精通LabVIEW8.0》，北京：电子工业出版社，2007 [4] National Instruments. LabVIEW Help, 2006 [5] National Instruments, LabVIEW User manual, 2006 湖南工学院教案用纸 p.1

实验一 LabVIEW软件基本操作（一）（设计性实验）

一、实验目的

1．了解LabVIEW的编程与运行环境。

2．掌握LabVIEW的基本操作方法，并编制简单的程序。 3．掌握使用调试工具调试VI程序。 4．掌握VI子程序的建立和调用过程。 二、实验原理与说明

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器集成环境) 是一个高效的图形化程序设计环境，也是一个功能强大而又灵活地仪器和分析软件应用开发工具。它结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言，提供了一个直觉式的环境，与测量紧密结合，能让工程师与科学家们迅速开发出有关数据采集、测量控制、数据分析、存储及显示的解决方案。现今数以万计的工程师、科学家以及技术人员正在使用LabVIEW来构建测量与自动化系统。

LabVIEW的基本编程环境，包括启动界面，前面板，程序框图，图标/连线板、菜单、工具栏、三大操作选板（工具选板，控件选板，函数选板）等。在编程环境中可以创建、调试和调用VI，完成虚拟仪器的设计。

三、实验内容及任务 1、创建自己的第一个VI。

创建一个VI，该 VI功能：输入3个参数后，求其和，再开方。

2、子VI的创建与调用

将上述VI创建成一个子VI，再编一个VI调用上述子VI。

湖南工学院教案用纸 p.2

四、实验报告要求

1．调试编辑以上VI，按顺序打印以上VI的前面板与程序框图后，贴在实验报告上；实验报告中要求详细说明设计步骤要点。 2．理解基于数据流编程的基本编程思路。 3．总结VI基本编程的快捷操作。

4．简述VI程序有什么构成，其各部分的功能是什么。 5．思考：在前面板和框图程序中，如何区分控制器和指示器。 6．心得体会及其它。

五、实验仪器与器材

安装有LabVIEW 的计算机

湖南工学院教案用纸 p.3

实验二 LabVIEW软件基本操作（二）（设计性实验）

一、实验目的

1．熟悉VI的数据类型；

2．掌握顺序结构和循环结构（For循环、While循环）的编程；

3．学习并掌握如何创建、使用数组、簇函数的功能和应用，掌握它们的区别以及相应操作。

二、实验原理与说明

LabVIEW顺序结构功能：强制程序按一定的顺序执行。顺序结构包含一个或多个按顺序执行的子程序框图或帧。两种顺序结构：平铺式顺序结构和层叠式顺序结构。在各个子程序框图之间传递数据时，平铺顺序结构可以直接连线，但层叠顺序结构要借助于顺序局部变量。

While 循环和For循环在函数（Function）的结构（Structures）选项板中可以找到。创建循环的具体方法是，选择该循环后，先在欲放入循环内执行的对象左上方单击，然后按下鼠标，拖曳出一个矩形框包围执行对象。释放鼠标时就创建了一个指定大小和位置的循环。

While 循环可以反复执行循环体的程序，直至到达某个边界条件。它类似于普通编程语言中的 Do 循环和 Repeat-Until 循环。While 循环的框图是一个大小可变的方框，用于执行框中的程序，直到条件端子接收到的布尔值为 FALSE。

字符串、数组和簇是LabVIEW中的三种数据类型。

字符串是可显示的或不可显示的ASCII字符序列。字符串有4种显示类型：正常显示、‖\\‖代码显示、密码显示、十六进制显示。LabVIEW的字符串子选板中有多个字符串处理函数。

数组是相同类型数据的组合。一个数组可以是一维、二维或者多维，每一维最多可有231-1个元素。可以通过数组索引访问数组的每个元素，索引的范围是0到 n–1（其中n是数组中元素的个数）。创建数组有两种方法：前面板上创建和程序框图上创建。LabVIEW的数组函数子选板中有多个数组函数。

簇是由不同类型的数据元素组成的一种数据类型，类似于C语言中的结构体。簇的创建方法与数组类似。LabVIEW的簇函数子选板中有多个簇函数。

三、实验内容及任务

1、数据操作。

编写一个温度监测器，如右图所示，当温度超过报警上限，而且开启报警时，报警 灯点亮。温度值可以由随即数发生器产生。

湖南工学院教案用纸 p.4

2、循环结构。

利用顺序结构和循环结构写一个跑马灯，如下图所示，5个灯从左到右不停的轮流点亮，闪烁间隔由滑动条调节。

3、字符串、数组、簇和矩阵。 利用簇模拟汽车控制，如右图所示，控制面板可以对显示面板中的参量进行控制。油门控制转速，转速＝油门*100，档位控制时速,时速＝档位*40，油量随VI运行时间减少。

湖南工学院教案用纸 p.5

四、实验报告要求

1．调试编辑以上VI，按顺序打印以上VI的前面板与程序框图后，贴在实验报告上；实验报告中要求详细说明设计步骤要点。 2．说明For循环与While循环的区别。 3．心得体会及其它。

五、实验仪器与器材

安装有LabVIEW 的计算机

湖南工学院教案用纸 p.6

实验三 LabVIEW软件基本操作（三）（设计性实验）

一、实验目的

1．学习并掌握图表和图形的使用，理解它们的区别； 2．掌握Express技术来快速简便地搭建专业的测试系统； 3．学习并掌握LabVIEW中的文件I/O操作。 二、实验原理与说明

LabVIEW图形显示控件主要包括：波形图表、波形图、XY图、强度图/图表、数字波形图、三维图形等。

波形图和波形图表——显示采样率恒定的数据。波形图通常先将数据采集到数组中，再将数据绘制到图形中（逐块绘制）；波形图表将新的数据点追加到已显示的数据点上以形成历史记录（逐点绘制）。

XY图——显示采样率非均匀的数据及多值函数的数据。

强度图/图表——在二维图上以颜色显示第三个维度的值，在二维图上显示三维数据。 数字波形图——以脉冲或成组的数字线的形式显示数据。 三维图形——在前面板ActiveX对象的三维图上显示三维数据。

Express VI面板包含大量的Express VI函数，主要分为六大类：信号输入、信号分析、输出、信号操作、执行控制和程序结构体、算数和比较。通过这六大类函数基本上就能实现测试系统所需要的各种常用功能。

LabVIEW可读写的文件格式主要有：文本文件、二进制文件、数据记录文件。 LabVIEW中的―文件I/O‖子选板有多个文件操作函数（比如写入/读取电子表格文件、写入/读取文本文件、写入/读取二进制文件、写入/读取数据记录文件等），合理选用将可以实现新建、打开、关闭、读/写、删除、复制、移动等各种文件操作。 三、实验内容及任务

1、图形化显示数据——图表和图形。

利用随机数发生器仿真一个0到5V的采样信号，每200ms采一个点，共采集50个点，采集完后一次性显示在Waveform Graph上。

湖南工学院教案用纸 p.7

在上例基础上再增加1路电压信号采集，此路电压信号的范围为5到10V，采样间隔是50ms，共采100个点。采样完成后，将两路采样信号显示在同一个Waveform Graph中。 2、Express VI——快速搭建专业测试系统。

利用Express VI产生一个带白噪声的正弦信号，然后用功率谱分析Express VI对其进行功率谱分析，并将原信号与分析结果写入测量文件。

湖南工学院教案用纸 p.8

3、文件I/O。

有一个测量程序，采集两路信号，每1s采集一次，要求每采集一次，就将采集结果写入文本文件尾部，即使重新运行程序，仍能保证数据添加到文件尾部，而不会覆盖原有数据。格式为a保留4位小数，b为整数，如右图所示。

湖南工学院教案用纸 p.9

四、实验报告要求

1．调试编辑以上VI，按顺序打印以上VI的前面板与程序框图后，贴在实验报告上；实验报告中要求详细说明设计步骤要点。 2．总结Chart和Graph的使用区别。 3．心得体会及其它。

五、实验仪器与器材

安装有LabVIEW 的计算机

湖南工学院教案用纸 p.10

实验四 NI ELVISII平台工作环境（验证性实验）

一、实验目的

1．了解NI ELVISII平台工作环境；

2．熟悉软前面板（SFP）工具；

3．熟悉LabVIEW应用程序编程接口（API）； 4．熟悉Multisim应用程序编程接口（API）； 二、实验原理与说明

NI ELVIS II环境由以下几部分组成：

硬件工作区用于创建电路及接口实验NI ELVIS II软件(在NI LabVIEW软件中实现)，包括以下：

? ??软前面板(SFP)工具

? ??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。

三、实验内容及任务

1、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。USB一端连接于NI ELVIS II 工作站，USB方口端与计算机相连。打开计算机并启动NI ELVIS II (接通工作站背面的开关)。USB ACTIVE (橘色) LED显示ON。稍等一会儿后，ACTIVATE LED将显示OFF，USB READY (橘色)

湖南工学院教案用纸 p.11

LED显示ON。

（2）在计算机屏幕上点击NI ELVISmx仪器启动图标，或点击快捷方式。NI ELVIS II 仪器条将在屏幕上显示。现在您已经完成测量的准备了。

图4-2. NI ELVISmx仪器启动图标条

（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4-3. 数字万用表，欧姆计配置

您可以使用DMM SFP实现各类操作，如电压、电流、电阻、电容等的测量。通过DMM[X]符号来表示X操作。

湖南工学院教案用纸 p.12

本次测量的正确连接方法显示在DMM前面板上。

（5）点击Ohm按钮 [?] 来使用数字欧姆表功能，DMM[?]。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 _______ (1.0 k?标称值) R2 ______ (2.2 k?标称值) R3 _______ (1.0 M?标称值)

如果要停止采集，可点击红色方形[Stop]按钮。

注释：通过点击模式按钮，可将{自动量程}改为{指定量程}，并通过点击量程按钮选择最适当的量程。

2、 在 NI ELVIS II 开发板上创建分压电路

（1）使用R1和R2两个电阻在NI ELVIS II开发板上搭建以下电路。

图4-4 分压电路

（2）将输入电压Vo连接至[+5 V]引脚接口。 （3）将共地端连接至[GROUND]引脚接口。

（4）将外部线一端连至DMM电压输入 [V?]及NI ELVIS工作站一侧的[COM]，另一端连接2.2 k电阻。 （5）检查电路后将上推电源开关至上端[–]使开发板上电。3个电源LED指示灯，+15 V、–15 V及+5 V此时应均呈绿色并点亮。

图4-5. NI ELVIS开发板上的电源LED指示灯

湖南工学院教案用纸 p.12

注释：如果这些LED中的任何一个呈黄色，而其它为绿色，电源的可重置保险丝都将跳断。此时需要关闭开发板电源以重置保险丝。检查电路可能存在的短路情况。重新给开发板上电。此时LED将均呈绿色。

（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) _______________

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) ________________ V2 (测量值) ________________ （8）测量值与计算值是否匹配？ 3、使用 DMM 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4-6. 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) ________________ I (测量值) ________________ （4）测量值与计算值是否匹配？

湖南工学院教案用纸 p.12

一个电阻具有一个沿着实数（X）轴的相位相量。一个电容具有一个沿着负虚数（Y）轴的相位相量。根据复数代数有：

1/j=-j

完成下列步骤以实时地观察该相位相量：

（1） 从 NI ELVISmx 仪器启动程序中选择阻抗分析仪（Imped）。

图 6-1 一个RC电路在频率为1000Hz时的相位向量

（2）将您的元件置于 NI ELVIS II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 II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，并观测到该容抗（该相位向量的长度）在您提高该频率时变小，在您降低该频率时变大。因为：|Xc|=1/ωC。

（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，并观察该相位向量的移动。

（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 315 或-45 度。 （12）该相位向量的幅值为多少________？ （13）答案：|R|2

（14）关闭该阻抗分析仪的窗口。

湖南工学院教案用纸 p.12

3、利用函数发生器和示波器测量一个 RC 电路 完成下列步骤以构建和测试 RC 电路：

（1）在工作站面包板上，利用一个1μF电容和一个1.0k电阻构建一个分压电路。

（2）将该 RC 电路的输入与该面包板上的函数发生器[FGEN]与[接地]的引脚插座相连接。

图

6-2 与该FGEN相连接的实际RC元件

通常用一个函数发生器来提供AC电路的电源。利用它测试您的RC电路。 （3）从 NI ELVISmx 仪器启动程序中选择 FGEN 图标.

湖南工学院教案用纸 p.12

图6-3 FGEN前面板

该 FGEN SFP 具有可以完成下列操作的控制功能： ??选择波形类型（正弦波、三角波或方波）

??通过旋转频率刻度盘或在文本框[单位：Hz]中输入频率，设置该频率 ??利用幅值和 DC 偏移控件，选择波形幅值与任何偏移

函数发生器的实时控制（频率与幅值）也可使用右侧的 NI ELVISⅡ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。您将在后续的一个实验中使用这些特性。

（4）设置该函数发生器为正弦波、2000Hz、2 Vpk-pk。点击运行。

您可以利用该示波器软面板软面板可视化显示和分析该RC电路的电压信号。 （5）从 NI ELVISmx 仪器启动程序中，选择该示波器图标。

湖南工学院教案用纸 p.12

图6-4 显示于该示波器前面板的正弦波

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。

（6）通过您的RC电路中的1k电阻连接该 NI ELVIS II工作站的左侧的 CH0 BNC连接端子的测试导联线。对该面板加电，并点击该示波器的[运行]按钮。 （7）您可以在该示波器上看到一个正弦波波形。进行如下设置： ????刻度 CH0 500 mV/div ????耦合 CH0 AC ????时基 500 μs/div

????触发信号（边缘）、信号源（通道 0 信号源）、电压水平（V）（0.1）

在波形屏幕的底部检查通道 0 的测量结果：RMS、频率和 Vpk-pk。您可以激活光标以测量时间相关的参数，如周期、占空比和时间间隔。 （8）调节 FGEN 的控件（虚拟或真实），并观察该示波器窗口的变化。

（9）将从该示波器的 CH1 引出的另一组测试导联线与该面板上的函数发生器 SYNC 引脚和地线相连接。该 SYNC 是一个TTL 5V信号，常用作触发信号。

（10）点击该示波器的 CH1 启用框[ ]。您将看到一只 TTL 电压的新信号（蓝色）。可参阅位于该实验室开始部分的示波器图像 （11）该RC电路是一个无源高通滤波器，其低频截止频率约为160Hz。您可以利用该FGEN的频率扫描特性可视化显示该滤波器的参数。按照上述配置设置该滤波器。设置该FGEN的控制变量如下：

湖南工学院教案用纸 p.12

-起始频率 5Hz -停止频率 5 kHz -步进频率 50 Hz

点击该函数发生器的[停止]按钮，然后点击[扫描]按钮。

（12）观测在频率扫描过程中，经滤波处理的CH0信号如何随该 SYNC CH1信号的幅值和相位而改变。当频率较低时，该CH0信号的幅值较小，而且并不与该 SYNC 信号同相位。当频率较高时，其幅值与该函数发生器的幅值接近，并且这两个信号相位同步 关闭该函数发生器和示波器窗口。 4、电路的增益/相位波特图

波特图以非常真实的图形化格式描述了一个 AC 电路的频率特性。幅值响应被绘制为对数频率的一个函数—电路增益（以分贝为测量单位）。相位响应被绘制为对数频率的一个函数—在线性标度上的输入信号与输出信号之间的相位差。

完成下列步骤以构建一个RC电路，并测量该电路的增益波特图与相位波特图。

（1）从NI ELVISmx仪器启动程序中选择“ 波特”图标。利用该波特分析仪，您可以对某一频率范围进行扫描——从一个起始频率到一个停止频率，步进频率为?f。您还可以设置该测试正弦波的幅值。该波特分析仪利用该函数发生器软面板生成该测试波形。您必须将 FGEN 的输出插座与您的测试电路，以及[AI 1+]和接地[AI 1-]相连接。该被测电路的输出与[AI 0+]和接地相连接。您可以通过点击位于该波特分析仪窗口的右下角的“帮助”按钮，获取更多信息。

（2）面板中重新搭建该 RC 电路（与下面电路相似），并完成如上所述的连接。

图 6-5 RC元件波特测量的连接

湖南工学院教案用纸 p.12

（3）检查您的电路是否按上述方式连接。打开面板的电源，并点击[运行]按钮。

图6-6一个RC电路的波特分析仪的前面板测量结果

（4）点击[ ]光标启用选择框。您可以步进通过您所测量的数据点，并察看对应每个所测量的频率的幅值与相位。

（5）注意信号幅值下降-3dB 所对应的频率。此频率点的相位应当显示为约45度。该频率被称为低通截止频率。

（6）该示波器和该波特分析仪都具有一个记录记录按钮。当被激活时，图形中所展现的数据被写入到您硬盘驱动器上的一个电子表格文件。现在，您可以利用 Excel、LabVIEW、NI DIAdem 或一些其它分析或绘图程序，读取该数据以供进一步分析。 （7）点击[记录]按钮，并保存您的数据集。 四、实验报告要求

1．按上述实验内容的指导进行操作，将结果贴在实验报告上。 2．心得体会及其它。 五、实验仪器与器材 安装有LabVIEW 的计算机 所需软面板(SFPs)： 使用欧姆计/电容（DMM[?/函数发生器（FGEN） 示波器（示波器） 阻抗分析仪（Imped） 波特分析仪（波特）

）的数字万用表

湖南工学院教案用纸 p.12

所需器件：

1 k? 电阻，R，（褐色、黑色、红色） 1μF 电容，C

湖南工学院教案用纸 p.12

实验七 运放滤波器实验（综合性实验）

一、实验目的

1．了解在基本运算放大器中添加一些电容与电阻，可以组成有源滤波器； 2．掌握利用Multisim实现滤波器的仿真；并设计一个二阶有源滤波器； 二、实验原理与说明

在基本运算放大器（op amp）中添加一些电容和电阻，会得到许多有趣的模拟电路，如有源滤波器、积分器和微分器。滤波器用于通过特定的频带，积分器用于比例控制，而微分器则用于噪声抑制和波形发生电路。

该实验室采用 NI ELVIS II仪器套件，以测量低通、高通和带通滤波器的特性。利用 Multisim以及所测得的元件规格，实现这些滤波器的仿真。在位于本章结束部分的实验室挑战中，Multisim 被用于设计一个二阶有源滤波器。

三、实验内容及任务 1、测量电路元件的规格赋值

完成下列步骤，以测量各个元件的规格赋值： （1）启动 NI ELVIS II。

（2）从仪器测量栏中选中 DMM 图标。 （3）选择 DMM[]以测量电阻。 （4）选择 DMM[

]以测量电容。

（5）填写下列信息。

R1 _____________ （10 k标称） Rf _____________ （100 k标称） C1 _____________μF（1μF 标称） Cf _____________μF（0.01μF 标称） （6）关闭该DMM。 2、基本运放电路的频率响应

完成下列步骤，以搭建一个运放并对其进行测量。

（1）在工作站面板上，搭建一个简单的741反向运放电路，其增益为10，如图 7-1 所示。

图 7-1 一只增益为10的741反向运放电路的原理框图

湖南工学院教案用纸 p.12

该NI ELVIS II面板上的电路与图 7-2 相似。

图 7-2 在NI ELVIS II面板上的741反向运放电路

注意：该运放采用+15 VDC 和-15 VDC 的电源供应。它们可以在该面板上标记为―DC 电源供应+15V、-15V 与接地‖的引脚插座上找到。

（2）将该函数发生器[FGEN]的引脚插座与该运放的输入 V1 相连接。 （3）将[接地]引脚插座与该运放的引脚 3 相连接。

（4）将该运放的输出电压 Vout 与该示波器的 BNC 输入连接端子[CH1 与接地]相连接。 （5）从 NI ELVISmx 仪器启动程序中，选择函数发生器（FGEN）图标和示波器（示波器）图标。

注意：在默认情况下，该示波器的通道 0 信号源配置被设置为示波器通道 0，通道1信号源配置被设置为示波器通道1。这些分别是您的运放的输入信号与输出信号。 （6）如欲察看该些信号，请点击该些启用选择框。 （7）在函数发生器的面板上，设置下列参数： 波形：正弦波 波峰幅值：0.2 pp 频率：1000 Hz

DC 偏置：0.0V

（8）检查您的电路，然后给该 NI ELVIS II面板加电。

（9）点击该FGEN与示波器软面板的[运行]按钮。

（10）设置触发信号为边缘触发、CH0、电压水平为0.0和时间标度为 1ms。

湖南工学院教案用纸 p.12

（11）在该示波器窗口测量该运放的输入（CH0）和输出（CH1）的幅值。

图 7-3 反向运放的输入与输出信号

注意：该输出信号如预期相对该输入信号反转。 （12）计算电压增益（幅值之比，CH1/CH0）。 （13）尝试从 100Hz 到 10 kHz 的频段。

您的测量结果在多大程度上与理论增益（Rf/R1）相一致？ 该比值是否仍与 100 kHz 时的比值相同？ （14）关闭该 FGEN 和示波器窗口。 3、测量该运放的频率特性

研究一个运放的 AC 特性响应曲线的最佳方法便是测量其波特图。该波特图基本上是对数频率的一个函数——增益（dB）与相位（度）的图形。一个反向运放电路的传输函数有如下表述：

Vout=-( Rf/R1)V1

其中，Vout 为该运放的输出，V1 为该运放的输入（您的电路中的 FGEN 的幅值）。该增益是量值（Rf/R1）。该符号实现该输出信号相对该输入信号的反转。在一个波特图上，可以预期一条幅值为 20 x log（增益）直线。对于增益 10，该波特幅值应为 20 dB。 完成下列步骤以测量该运放电路的波特图：

（1）从 NI ELVISmx 仪器启动程序中，选择波特分析仪（波特）的图标。

（2）将该输入（V1）与输出（Vout）信号与该模拟输入引脚按如下方式相连接：

湖南工学院教案用纸 p.12

相连接：

V1+ AI 0+ （来自该 FGEN 的输出） V1- AI 0- （来自接地） Vout+ AI 1+ （来自该运放的输出） Vout- AI 1- （来自接地）

（3）在该波特分析仪上，设置扫描参数如下：

起始频率：5（Hz） 停止频率：20000（Hz） 步进频率：10（每 10Hz） （4）对该面板加电

（5）点击[运行]，并观测该反向运放电路的波特图。 （6）近距观察该相位响应。

图7-4 一个增益为10的反向运放的波特图测量结果

其增益（20 dB）保持平坦且独立于频率，直至接近 10000Hz，然后开始滚降，如图 7-4 所示。

该波特图对于一个 741 运放反向电路非常典型。在高频处，该放大器的响应取决于其内部电路，以及任一个外部元件。 5、 高通滤波器

对于一个简单的 RC 系列电路，一个低频截至频率点fL由如下公式确定:

湖南工学院教案用纸 p.12

其中，fL以赫兹为测量单位。该低频截至频率点是指增益（dB）下降-3 dB 所对应的频率。当该电容的阻抗与该电阻相等时，该（-3 dB）频点出现。

（1）在该运放电路中，添加一个与该 1k 输入电阻 R1 相串联的 1 μF 电容 C1，如图7-5所示。

图7-5 高通运放滤波器电路的设计

该高通运放滤波器等式具有一个低频截至频率点 fL，在此频率下该增益下降-3 dB。换言之，当 Xc=R：

图7-6 NI ELVIS开发板上的高通运算放大器

（2）使用实验三中相同的扫描参数运行第二个波特图。

（3）观察发现低频响应被削弱，而高频响应与基本的运算放大器波特图类似。

湖南工学院教案用纸 p.12

图 7-7 高通运放电路的波特图测量法

（4）使用游标功能找到低频截止点，即幅度降至–3 dB 处或相位改变 45 度处的频率。 （5）将测量结果与以下公式计算的理论值相比较。

5、低通滤波器

运放电路的高频衰减是由于 741 芯片内部的电容与反馈电阻 Rf 并联。如果增加外部电容 Cf，

与反馈电阻 Rf 并联，就可以降低上频率截止点。您可以通过以下公式来计算截止频率：

通过以下步骤完成运放电路的其它频率测量：

（1）短路输入电容（不要移除这个电容）。

（2）加入反馈电容 Cf(0.01μf)，并于100k的反馈电阻并联。

湖南工学院教案用纸 p.12

图 7-8 低通运放滤波器电路设计

（3）使用相同的扫描参数执行第三个波特图。

图 7-9 低通运放电路的波特图测量

图 7-9 显示相比于基本运放响应，高频响应被大大衰减。

（4）使用游标功能找到高频截止点，即幅度降至–3 dB 处或相位改变 45 度处的频率。

湖南工学院教案用纸 p.12

（5）将测量结果与以下公式计算的理论值相比较:

注意：注意从低频范围到高频范围的90度相变。这与单极 RC 滤波器类似。 6、带通滤波器

如果运放电路中同时包含输入电容和反馈电容，那么响应曲线将同时包含低截止频率fL 和高截止频率 fU。频率范围(fU–fL)被称为带宽。例如，较好的立体声放大器带宽至少为 20,000 Hz。

图 7-10为 NI ELVIS II 开发板上搭建的带通滤波器。

图7-10 NI ELVIS II开发板上的带通运放电路 （1）移除C1上的短路。

图 7-11 带通滤波器电路设计

（2）使用相同的扫描参数执行第四个波特图。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j2a3.html