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基于虚拟仪器的RLC并联电路性能分析仪改-2.doc

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基于 虚拟仪器 RLC 并联 电路 性能 分析
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基于虚拟仪器的 RLC 并联电路性能测试分析仪摘要:电子,计算机与数字信号处理等技术推动了仪器技术领域的各种创新,现代测量仪器在概念和形式上均发生了巨大的变化,并出现了虚拟仪器技术。本文设计了一款基于仪器设计开发系统 LABVIEW 和电路仿真工具 MULTISIUM 的虚拟仪器分析仪来测试并联RLC 电路的性能。关键字:虚拟仪器 LabVIEW Multisim RLC 并联电路1.介绍在传统的电路设计与测试领域,设计的初始分析和系统原型性能验证之间由于工具种类繁多和缺乏用于传输设计与数据的通用接口而被分割,造成低效率而且冗长的设计过程。如果将仿真作为设计流程的一个环节,可以动态评估电路的性能并尽早发现错误。而在高校的电子教学领域同样存在类似的问题,电路理论教学包含三种不同的手段: 课本与讲座、软件仿真以及试验板测试。这三种教学方法互不相干,往往会让学生在教室和实验室之间来回奔波,在理论与实践之间苦苦挣扎,这种“隔离”式的教学显然不利于学生的学习。如果将三者综合在一个平台,学生可可在理论学习、仿真和测试过程中实现快速的知识整合。具备联合仿真能力的 NI Multisim 与 NI LabVIEW 正好能够解决上述问题。作为集成化平台的一部分,NI Multisim 与 NI LabVIEW 在传输仿真和实测数据的能力方面具有独特之处,可以为整个模拟及数字系统设计出精确的,闭环逐点仿真。通过这样的集成,测试环境(LabVIEW)不仅能够采集原型测量数据还能够采集仿真的输出结果。两组数据通过一个接口,可以方便地进行比较和相关处理,利用一组扩展的分析函数,LabVIEW 可以进一步分析该原型系统与期望结果的偏差。本文设计了一款基于仪器设计开发系统 LABVIEW 和电路仿真工具 MULTISIUM 的虚拟仪器分析仪来测试并联 RLC 电路的性能,可适用于高校电子线路课程中并联 RLC 电路充放电瞬态过程的教学。2.系统框架系统所需工具:1. LabVIEW 以及 LabVIEW 控制设计与仿真模块 2.Multisiuim 电路仿真工具(需安装 NI LabVIEW-Multisim Co-Simulation 插件 )。系统结构如图 1 所示,Labview 作为实时测控平台向实时仿真平台 Multisim 传递控制的参数,同时采集、显示、存储仿真的结果并对数据进行分析。Multisim 作为实时仿真平台检测到输入的控制参数(或检测到参数发生变化)后随即改变电路性能,同时将仿真数据通过联合仿真接口传递至 LabVIEW。图 1 系统框图●实时测控平台 LabVIEW:测控平台需实现 1.参数的设置与传递 2.仿真数据的动态显示和存储 3.仿真结果的分析。传递的参数用于控制电路中元件参数从而控制电路特性,在本系统中,需要控制的电路特性有电路充放电速度,振荡频率等。测量数据的动态显示对于一个实时控制系统而言是必不可少的,LabVIEW 中的波形图表控件可显示实时数据。利用TDMS 功能实现数据的高速存储以便于数据的具体分析。对于采集到的数据可根据需要设计对应的分析函数进行分析,如振荡频率分析函数,充放电速度分析函数等,(如需进行复杂的数据分析可借助 Labview 中 MATLAB,C 等外部接口),也可设计图表进行显示。 ●实时仿真平台 Multisiuim:根据需要在仿真平台完成 RLC 并联电路的搭建,对于仿真过程中需要通过 LABVIEW 修改参数的一些元件可选择为压控型器件如压控电阻,压控电容,压控电感或者压控开关。根据需要放置联合仿真节点,联合仿真节点可分为两类:输入型和输出型。在压控型元件的电压输入端口放置输入型联合仿真节点以实现控制数据的输入,在需要进行数据采集的位置放置输出型联合仿真节点以实现数据的输出。3.RLC 并联电路瞬态分析RLC 并联电路的模型如图 2 所示,其瞬态分析主要分为两个过程:充电过程和放电过程。下面主要对这两个过程进行了分析与说明。图 RLC 并联电路(1)充电过程闭合 S1,打开 S2,对电容 C 进行充电,有 求解得 VtUdCRtcoc)()(。令 ,有)1()0(RtccoeVUt0)(cU, 式)1(CRtoeVt(1) 由电容电压与时间的关系式可得充电速度取决于参数 和 C。o(2)放电过程闭合 S2,打开 S1,通过回路阻抗 Re 对电容 C 放电,有 令 ,利用微分方程进行求解0)()(10ecLtcc RtUidUdtCViL)0(,1)当 时, 式Re42 )sin()sin( 002  wttuwtt CCRtCe(2) 其中 , , 2)(1eLw)arct(0e2)(1Re2)当 时, 式CRe4)21(eCRtUte(3) 3)当 时, 式CLRe42 )]2sinh(1)2cosh([)0( tCRteUt eCRt (4)其中 e)(12由上述分析可得只有在第一种情况下才会出现振荡(包含增幅振荡,减幅振荡以及等幅振荡),在其余两种模型下均不会出现振荡。在第一种模型中当 为正电阻时,减幅振eR荡;当 为负电阻时,增幅振荡;当 为无穷大的正电阻或负电阻时,等幅振荡。eReR该联合仿真平台主要面向第一种模型,利用放大器可构成负阻元件实现增幅振荡。用式(4)作为衡量电压 衰减曲线的衰减速度:)(tUC式dtuvC)(1(5) 易得 ,显然,衰减速度eCRtv21)(取决于参数参数 和 C。振荡过程中角频率为 ,取决于参数 ,L 和 C,取 为大电eRe阻时, ,此时振荡频率主要由 L 和 C 决定。 L44.平台的搭建与介绍Multisim 仿真平台的搭建 在 Multisim 上搭建 RLC 并联电路,电路中的电源内阻 R0,回路电阻 Re(包括正电阻 Re1 和负电阻 Re2),电容 C,电感 L 以及开关 S1,S2 均为压控型器件。压控型开关 S1 和 S2 的电压输入端 Charge,Discharge 由 LABVIEW 中充放电旋钮控制,充电时,Charge 端输入大于阈值,S1 等效电阻为 0,即关闭,Discharge 端输入小于于阈值,S2 等效电阻为无穷,即断开。回路正电阻 Re1 和负电阻 Re2 由 LABVIEW 中 Re 旋钮控制,当 Re 值大于零时,Re1=Re,Re2 为无穷值;当 Re 值小于零时,Re2=-Re,Re1 为无穷值。电路中的负阻利用运算放大器实现,负阻值即为与运算放大器串联电阻 Re2 的大小。图中输出节点 Output 为电容 C 上的电压值,LABVIEW 会对该节点上的电压值进行采集。LABVIEW 测控平台的搭建●前面板设计在 LABVIEW 前面板设计用户操作界面,前面板中有两个界面:实时控制与显示,结果及性能分析。实时控制与显示界面如图 3 所示,在该操作面板上左侧是实时数据的采集与显示,使用波形图表控件,右侧的旋钮型以及指针型的数据输入控件分别控制电容 C,电感 L,电源内阻 Ro,和回路电阻 Re 的参数输入,充放电选择按钮同时控制开关 S1 和S2(充电时,S1 闭合 S2 打开;放电时, S2 闭合 S1 打开),停止按钮控制 Multisiuim 中电路仿真的运行与停止。结果分析界面如图 2 所示,面板左侧使用波形图控件显示本次仿真采集的所有数据,通过曲线游标可查询具体的数据信息,面板右侧显示分析数据(主要针对衰减振荡过程),根据采集数据分析充电速度,放电速度以及振荡频率,理论部分的数据根据设置的参数计算而来。图 3 前面板—控制仿真 图 4 前面板—结果分析●程序面板及流程LABVIEW 的程序面板如图 6 所示,系统中主要的程序结结构是控件与仿真循环模块,该模块是实现 LABVIEW 与 Multisiuim 联合仿真的平台,拖入的 Multisiuim 电路文件等价于一个子 VI,有对应的输入与输出接线端口。由于仿真数据是一个高速数据流,采用LABVIEW 中 TDMS 功能对采集的数据进行存储。程序面板中一些其余的子 VI 是根据需要设计的数据分析函数,主要是分析计算充电速度,放电速度以及振荡频率。图 5 程序面板程序流程如图 6 所示,1.程序开始对需要控制的参数进行初始化。2.为了能够高速采集动态数据以便后续进行精确的数据分析,开辟内存创建 TDMS 文件来采集保存数据。打开TDMS 文件进入随时准备读取数据状态,TDMS 读入的数据就是的 Multisiuim 电路中测量点(Output)的瞬态电压值。3.启动 LABVIEW 自带的仿真与控制模块并启动对应的电路文件。4.进入仿真与控制循环模块后,程序对需要传输的参数(Ro,C ,L,Re 以及充放电选择)进行检测,并将目前时间点上检测到的参数传输至电路中,电路根据输入的参数动态修改电路特性。5.将电路中检测节点处的瞬态电压值返回至程序,把瞬态数据值动态地追加至波形图中,同时保存至 TDMS 文件。6.判断停止仿真按钮是否按下,未按下继续进行参数检测、数据采集等步骤,若按下则从循环模块中退出。7.实时仿真结束,对仿真的结果进行分析。读取 TDMS 文件中的所有数据也就是仿真过程中的每一个瞬态值点,显示在带有游标功能的波形图标中,并调用特定的分析子 VI 对数据进行分析,分析电路的充放电性能。8.最后,关闭 TDMS 文件。图 6 程序流程结果分析●电容充电过程设置 Ro=5 kΩ,C=5uF,仿真结果如图 7 所示。当电容电压达到电源电压的 99%(即0.99V)时 ,理论充电时间为 0.025s,仿真充电时间为 0.023s。修改电源内阻,设置 Ro=1 kΩ, C=5uF,仿真结果如图 8 所示,当电容电压达到电源电压的 99%时,理论充电时间为0.125s,仿真充电时间为 0113s。上述两个实例验证了式(1),即电容充电速度与电源内阻 R0 以及电容 C 的关系。实例证明充电速度与电源内阻成反比。●衰减振荡过程设置电路参数 Ro=5 kΩ,C=5uF ,L=5mH ,Re=10kΩ ,开始充电,经过一段时间基本达到电源电压后,将开关打向放电,电路进入衰减振荡(即放电)过程。结束仿真,观察分析电路充放电特性,如图 7 所示。电容电压从电源电压(1V)放电至 10%(0.1V)时,理论放电时间为 0.161s,仿真放电时间为 0.23s(数据偏差过大,有待修改)。衰减振荡过程中理论振荡频率为 1.007KHz, 仿真振荡频率为 1KHz。修改电路参数 Ro=1kΩ(电源内阻不影响放电过程),C=5uF,L=5mH ,Re=5kΩ ,重复上述步骤,仿真结果如 8 所示。电容电压从电源电压(1V)放电至 10%(0.1V)时,理论放电时间为 0.0805s,仿真放电时间为 0.115s(数据偏差过大,有待修改)。上述两个仿真例子可以验证式(2)中 Re 为正电阻时的模型,即电容衰减振荡过程中放电速度、振荡频率与回路电阻,电容,电感之间的关系。实例证明电容放电速度与回路电阻 Re 成反比例关系。图 7 Ro=5 kΩ,Re=10kΩ 充电及减幅振荡 图 8 Ro=1 kΩ,Re=5kΩ 充电及减幅振荡●增幅振荡及自由起振过程设置回路电阻为负阻 Re=-5kΩ(其余参数 Ro=5 kΩ,C=5uF ,L=5mH),电路充电结束后会进入增幅振荡的过程,如图 9 所示,此例验证式(2)中 Re 为负阻时的模型。回路电阻为负阻时即便不对电容进行充电,RLC 并联电路也会自激起振,如图 10 所示,起振速度取决于负阻的大小。 图 9 Re=-5kΩ 增幅振荡图 10 自激起振●等幅振荡过程当回路电阻为正无穷或负无穷时,放电时电路等效于理想 LC 并联回路,充电结束进入放电后,电路进入等幅振荡过程。设置电路参数 Re=10000kΩ 和 Re=-10000kΩ(其余参数Ro=5 kΩ,C=5uF,L=5mH ),仿真结果分别如图 11 和图 12 所示。上述两个仿真实例验证了式(2)中 Re 为无穷大的正电阻或负电阻时的模型。图 11 Re= 10000kΩ 等幅振荡图 12 Re= -10000kΩ 等幅振荡
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