摘" 要：根据电气工程虚拟实验教学的现状和发展趋势，文章针对部分实验存在大量机械重复操作或受限于现实实验条件而无法实现的问题，以LabVIEW作为开发工具，构建一种自动化电路实验系统。系统将计算机控制技术、仪器通信技术和信号分析处理等技术相融合，利用数字示波器、函数信号发生器、电压电流表等常用电学仪器仪表，预设了RLC串联谐振实验、元器件伏安特性等典型实验，并预留实验扩展接口。通过其在电路原理实验课程中的应用，验证了该系统的开拓性和实用性。实践表明，该实验系统便捷高效，对提升电气工程实验教学效果具有积极作用。
关键词：自动化实验；电路实验；实验教学
中图分类号：TP39；G434" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2025）03-0028-05
Design and Realization of an Automated Circuit Experiment System
WU Yue， XU Yang， ZHAO Jiangping
（College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou" 310027， China）
Abstract： According to the current situation and development trend of virtual experimental teaching of electrical engineering， this paper aims at the problem that some experiments have a large number of mechanical and repetitive operations or are limited by the actual experimental conditions and cannot be realized. An automated circuit experiment system is constructed with LabVIEW as the development tool. The system integrates computer control technology， instrument communication technology and signal analysis and processing technology， uses digital oscilloscopes， function signal generators， voltage and current meters， and other commonly used electrical instrumentations， presets typical experiments such as RLC series resonance experiments and component voltage-current characteristics， and reserves the experimental expansion interface. Through its application in the experimental course of circuit principle， the pioneering and practicality of the system are verified. Practice shows that the experimental system is convenient and efficient， and has a positive effect on improving the teaching effect of electrical engineering experiment.
Keywords： automated experiment; circuit experiment; experimental teaching
0" 引" 言
工程实践涉及大量电路分析与设计以及现场调试的基本应用，因此要求学生除了学习理论知识外，还必须建立与实际操作相关的概念与方法，并掌握实验分析的基本思路，以提升成为工程型创新人才所需的工程素养和创新能力[1-2]。而电路实验课程正是承担这一重任的第一门面向电类工程技术的实验基础课。因此，如何研究和设计实验教学方法，对于帮助学生掌握理论知识并实现实践应用具有重要意义，能够为学生成为工科技术人才奠定基础[3-4]。
电路实验一般包含若干重要步骤：电路搭建、仪器调试、数据测量、记录和分析等。实验数据分析可以对实验数据的合理性和准确性做出判断，从而对实验质量进行评价。当通过实验数据分析发现实验存在问题时，很可能需要重新进行实验。在有些实验中，存在大量简单重复测量操作，例如电路元件特性曲线测量、调谐电路功效的研究与RLC串联电路频率特性测量等实验。无论是首次测量还是重新测量，都需要大量时间投入。然而，在这类实验中，若减少实验数据测量的数目，实验结果的准确性会随之下降[5-6]。
随着科学技术的进步，实验室的硬件配置和软件环境都在不断更新，可以实现计算机实时控制和测量，并可以充分利用计算机进行辅助分析、数据处理以及虚拟化设计[7-8]。同时，教育部也高度重视虚拟仿真实验教学项目的建设。根据国家虚拟仿真实验教学课程共享平台的数据，虚拟仿真实验教学课程总计3 516项，其中电气类实验有123项，综合设计型占到52.8%。可见，线下实际操作实验结合虚拟仿真实验教学已成为一种趋势[9-11]。
本文根据电路实验课程的需求与虚拟仿真实验的发展现状，以调谐电路功效的研究和RLC串联电路频率特性测量实验为例，说明如何借助LabVIEW软件并利用虚拟仪器软件体系结构，设计一套虚实结合的电路实验系统，为电路实验教学提质增效。
1" 实验系统设计
为实现实验系统的自动化目标，需要利用计算机控制，其设计思路是利用仪器仪表的通信功能，将其与计算机在硬件和数据链路层面相连接，从而接收计算机发出的控制命令。通过解析计算机指令，仪器设备可以设置并返回相关数据给机上，计算机可以对收取到的数据进行处理与分析，并通过图表等方式对实验结果进行显示，再由实验操作者对其进行进一步的分析。
实验系统设计分为硬件设计和软件设计两部分。
1.1" 硬件设计
硬件设计主要实现仪器仪表与计算机的物理连接。本实验系统涉及的电路实验常用仪器仪表包括函数信号发生器、数字示波器、直流电源和电压电流表等。根据仪器的通信接口差异，分别采用以太网总线和RS485总线与计算机连接[12]，其中函数信号发生器和数字示波器采用以太网总线与计算机相连，直流电源和电压电流表则通过RS485总线与计算机相连，结构如图1所示。
利用以太网总线进行通信时，为便于仪器的扩展，首先将示波器和函数信号发生器连接至路由器，再由路由器与计算机相连接。由于计算机一般不含有RS485总线接口，在实际连接中，视情况加入RS485转RS232和RS232转USB等接口转换器，使得计算机可以与RS485总线进行正常数据收发。
1.2" 软件设计
上位机软件采用LabVIEW进行设计，LabVIEW是一个使用图形符号进行编写程序的编程环境，也是数据采集和仪器控制软件的标准，被广泛应用于工业界、学术界和研究性实验室。其特点包括交互强、可视化程度高、可扩展性好，能够很好地解决电路实验教学中的一些问题，为学生提供更好的实验平台和学习体验[13-14]。设计过程充分利用了其强大的仪器通信功能，对于仪器仪表操作，均采用“三步法”完成：建立连接、具体操作、断开连接。对每一步进行模块化管理，使软件更易维护和管理。例如，对于示波器波形的采集和显示，其程序如图2所示。
在该程序中，“具体操作”部分相对复杂，但程序控制流程与实际操作示波器的流程一致。首先对示波器通道参数进行设置；设置完成后，将示波器切换至运行模式；之后，对触发信号、时基和垂直刻度进行调整；波形调整稳定后，读取波形数据，并将示波器切换至停止模式。在此过程中，程序将自适应调整波形状态，使时基和垂直档位均为合适值，以保证波形达到最佳显示状态。
此外，为便于该实验系统对不同实验的扩展，软件设计采用了生产者/消费者结构，其结构如图3所示。利用该架构进行实验扩展时，只需将实验定义为不同消费者，即可完成新实验的识别和添加。
2" 实验内容设计
利用该实验系统，可以集成所有涉及被控仪器仪表的实验，但主要针对两类实验：一类是存在大量重复且烦琐操作的实验，另一类是在有限的实验室条件下，一般无法准确完成的实验。下面以RLC串联谐振实验和利用示波器进行元器件伏安特性测量实验为例，对以上两类实验进行介绍。
2.1" RLC串联谐振实验
RLC串联谐振实验的原理如图4所示。
在RLC串联电路中，当电路发生谐振时，电路呈纯阻性，应有，即有，进而有，可得谐振频率。根据RLC串联谐振电路特性，电阻R的幅频特性曲线尖峰所在的频率点即为谐振频率，理论上有。
在该实验中，正弦交流电源，由函数信号发生器提供，每改变一次电源频率，需要分别对电阻、电容、电感两端电压进行测量，根据电压序列找到谐振频率点。通过手动测量直接进行实验时，需要进行函数信号发生器频率调整，且在每个频率点需要测量3个电压值，该过程步骤多，工作量大，较为烦琐。
对RLC串联谐振实验进行设计时，首先考虑测量问题，采用四通道数字示波器进行元器件两端电压有效值的测量。由于在现有实验室条件下，示波器和函数信号发生器具有相同接地端，示波器无法直接完成元器件两端信号测量。利用示波器通道1测量函数信号发生器产生的波形，记为W1；示波器通道2测量电感L和电容C两端波形，记为W2；示波器通道3测量电容C两端波形，记为W3。则电阻R两端的电压有效值为波形W1-W2的有效值，电感L两端的电压有效值为波形W2-W3的有效值，电容C两端的电压有效值为波形W3的有效值。相关测量如图5所示。
因此，在自动化实验中，只需通过计算机控制，连续调节函数发生器输出波形的频率，上位机采集并处理示波器显示的各个器件在不同波形频率下的波形数据，进而绘制各个器件的幅频特性曲线，从而找到谐振频率点。
2.2" 示波器测量元器件伏安特性
元器件伏安特性曲线测量的原理如图6所示，其中Rx为被测量元器件。利用示波器测量元器件伏安特性曲线的理论方法是：将限流电阻R与被测器件Rx串联，在其两端输入一个交流信号，利用示波器的两个通道分别采集R和Rx两端的波形，并以Rx两端信号作为X轴信号，R两端信号作为Y轴信号，从而利用示波器绘制李沙育图，该李沙育图就是元器件Rx的伏安特性曲线。但在实际实验室的条件下，由于示波器和函数信号发生器共地，示波器无法同时直接分别采集元器件Rx和R两端波形，因此无法利用示波器XY显示功能绘制得到正确的伏安特性曲线。
对示波器测量元器件伏安特性曲线实验，所采用的策略是对示波器波形进行运算。利用示波器测量通道1采集输入信号波形，记为W1；示波器测量通道2采集R两端波形，记为W2，那么Rx两端的波形即为W1-W2。在上位机中，将信号W1-W2作为横轴信号，W2作为纵轴信号，即可作出元器件的伏安特性曲线。如果将W2除以R阻值后的数据作为纵轴信号，那么所得到的伏安特性曲线不仅在形状上是正确的，而且其数值也符合该元器件的真实伏安特性。
3" 实验测试
完成实验系统的硬件连接和软件设计，即可进行实验操作。
以RLC串联谐振实验为例进行测试。打开实验系统软件，进入实验界面，根据软件界面所提示的实验原理图连接实验电路，如图7所示。
在RLC串联谐振实验中，软件提供了三种测量频率点设置模式：均匀频率点、自定义频率点和自适应频率点。均匀频率点方式需提供起始频率、步进频率和终止频率；自定义频率点方式则可自行输入需要测量的频率点；自适应频率点方式则需要输入实验用电阻、电感和电容值，系统会自行计算出测试点，采用在谐振点附近频率间隔较小，远离谐振点频率点间隔较大的方式选择合适的测试点。每个测量点在6秒左右完成。
如图7所示选用1 000 Ω电阻、40 mH电感和0.1 μF电容进行实验，选择自适应频率点方式进行测试，软件共产生22个测试频率点，总用时在3分钟左右。
实验结束后，软件分别绘制电阻、电感和电容的幅频特性曲线，并在测量频率点中确定谐振频率点。根据元器件参数计算其理论谐振点为2 517 Hz，测得谐振频率为2 200 Hz，两者之间绝对误差为317 Hz。经分析，其误差主要来源于电阻、电感和电容的标称值和实际值存在差异，而非实验测量本身存在问题。由此可见，利用该系统进行实验，不仅可以提高实验效率，并减少人为读数误差，而且测量结果可以很好地验证理论。
4" 结" 论
本实验系统借助于LabVIEW计算分析功能强大、兼容性好和开发周期短等优点，以RLC串联谐振电路研究实验和利用示波器测量元器件伏安特性曲线实验为例，介绍自动化实验的设计思路和方法。通过上位机对实验参数的设置、采集与分析，减少大量烦琐的实验调试、读数过程，并提供更优秀的实验环境以克服实验条件的限制，既显著提高了实验课堂的效率和准确性，又能通过现场演示加深学生在理论课堂中对电路原理的理解，很好地满足了实验教学需求。从本实验系统在课堂教学中的成功应用可知，结合实践操作与自动化测量的实验模式对电学类实验课程具有一定的借鉴和参考意义。
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作者简介：吴越（2002—），女，汉族，浙江温州人，本科在读，研究方向：电力系统及其自动化。
