西安交大自控實驗平臺與實驗系統(tǒng)

1、NI ELVIS多功能虛擬儀器綜合實驗平臺NI ELVIS多功能虛擬儀器綜合實驗平臺是一個多功能的數據采集實驗平臺如圖2-1所示，它的核心是一個集成了8路差分輸入（或16路單端輸入）模擬數據采集通道（最高采樣率1.25MS/s）、2路模擬信號輸出、24路數字I/O通道、兩路計數器通道的USB接口多功能數據采集卡，同時又集成了+/-15V和5V固定電源以及12種常用的虛擬儀器，包括示波器、數字萬用表、函數發(fā)生器、可變電源、波特圖分析儀、任意波形發(fā)生器、動態(tài)信號分析儀等。ELVIS通過面包板的方式將數據采集卡和各種儀器的接口引出，方便接線，并且為綜合創(chuàng)新設計型實驗留有足夠的開發(fā)空間。ELVIS通過

2、USB接口連接PC機，連接簡單且便于調試，圖2-2標示出NI ELVIS實驗板上通道接口的布局。圖2-1 NI ELVIS多功能虛擬儀器綜合實驗平臺數字 I/OAI示波器PFI計數器 LED電源、波形發(fā)生器、自定義I/O、AO、 DMM圖2-2 NI ELVIS實驗板的通道接口的布局1常用的幾種虛擬儀器圖2-3 NI ELVIS12種虛擬儀器軟面板的啟動選擇界面圖2-3是NI ELVIS12種虛擬儀器軟面板的啟動選擇界面，在自動控制原理實驗中，主要用到的虛擬儀器包括函數發(fā)生器FGEN、可變電源VPS、示波器Scope、伯德圖分析儀Bode等。（1）函數發(fā)生器FGEN通過ELVIS Instru

3、ments Launcher的FGEN按鈕可以打開自帶的函數發(fā)生器軟面板，進而可以通過ELVIS底座上的FGEN BNC接口或者ELVIS自帶實驗板上的FGEN端口輸出正弦波、方波或三角波。如圖2-4所示，通過軟面板上對應的圖標可以選擇產生相應的波形，同時可對頻率、幅度（峰峰值）、直流偏置等參數進行設置。對于方波信號，還可以選擇占空比。此外還可選擇AM或FM調制信號。利用函數發(fā)生器軟面板也可以產生掃頻信號，可以設置掃頻的起始頻率、最終頻率、每一步的頻率增量及時間。在使用函數發(fā)生器時，需要注意的是，由于輸出信號有兩種可能的路由方式（通過ELVIS底座上的FGEN BNC接口或者ELVIS自帶面包

4、板上的FGEN端口），在使用時要根據實際的接線方式對軟面板的Signal Route下拉菜單進行正確的設置。 圖2-4 函數發(fā)生器軟面板與 ELVIS上的函數發(fā)生器手動調節(jié)旋鈕在函數發(fā)生器軟面板的左下方還有一個Manual Mode選項框，如果勾選此選項，則軟面板上的幅度和頻率設置將失效，取而代之的是ELVIS底座右方的Amplitude和Frequency旋鈕，此時可通過手動旋轉這兩個旋鈕的方式來調整產生波形的幅度和頻率，同時ELVIS底座右方FUNCTION GENERATOR部分的Manual Mode指示燈會點亮。ELVIS自帶的函數發(fā)生器與模擬信號輸出（AO）功能在硬件上是各自獨立的

5、，因此可以同時使用。使用函數發(fā)生器時，在接線時要注意共地的問題。如果信號路由選擇原型板（Prototyping Board）上的FGEN接口，其參考端是GROUND。（2）可變電源VPS通過ELVIS Instruments Launcher的VPS按鈕可以打開自帶的可變電源軟面板如圖2-5所示，通過ELVIS實驗板上左下方Variable Power Supply部分的Supply+和Supply-端口分別提供正電源和負電源。兩路直流電源的幅度范圍分別為0至12V以及0至-12V，正負兩路輸出電壓可分別獨立調節(jié)，其可提供的最大驅動電流為500mA，因此可以直接驅動一些小型的直流馬達。 圖2-

6、5 可變電源軟面板與ELVIS上的可變電源手動調節(jié)旋鈕利用ELVIS的可變電源軟面板還可以對正電源或負電源單獨進行掃描式的電壓輸出，可以設置掃描的起始電壓、終止電壓、每一步的電壓步進值以及持續(xù)時間等參數。在可變電源軟面板上，正負兩路可變電源電壓設置的上方都有一個Manual Mode選項框，如果勾選此選項，則軟面板上的輸出電壓設置將失效，取而代之的是ELVIS底座右方的兩個Voltage旋鈕，此時可通過手動旋轉這兩個旋鈕的方式來調節(jié)正負兩路可變電源的輸出電壓，同時ELVIS底座右方VARIABLE POWER SUPPLY部分的Manual Mode指示燈會點亮，如圖2-5所示。使用可變電源時

7、，同樣應注意接線的共地問題。對于原型板的Supply+和Supply-端口，其參考端都是GROUND。除了可變電源外，ELVIS還提供了一些固定電源可供使用，包括+15V、-15V以及+5V的固定電源。其中+15V和-15V與可變電源的驅動能力相同，都是500mA，而+5V固定電源的電流輸出驅動能力為2A。（3）示波器Scope通過ELVIS Instruments Launcher的Scope按鈕可以打開自帶的示波器軟面板如圖2-6所示，允許同時對兩路信號進行同步測量，測量信號既可以來自于ELVIS的兩個示波器通道Scope CH 0和Scope CH1，也可以來自于其他8路差分模擬信號輸入

8、（AI）通道，通過Source下拉菜單可以選擇具體的通道。對于型號ELVIS II+，示波器通道的最高采樣速率可達100MS/s，8路差分模擬信號輸入通道的最高采樣速率為1.25MS/s。ELVIS的示波器通道和模擬輸入通道（AI）在內部硬件中占用各自獨立的資源，因此可以同時使用。圖2-6 示波器軟面板示波器軟面板上的各種輸入與傳統(tǒng)示波器類似，用戶可以在Basic Sttings頁面中設置X和Y軸每格代表的電壓或時間，也可以對觸發(fā)方式進行設置。在Advanced Settings頁面，用戶還可以進一步設置兩路信號的偏移量，以及是否啟用20MHz濾波器?；贜I ELVIS的自動控制原理實驗系統(tǒng)

9、基于NI ELVIS的自行開發(fā)的自動控制原理實驗系統(tǒng)包含了六部分：系統(tǒng)時域特性分析，系統(tǒng)頻域分析，系統(tǒng)時域穩(wěn)定性分析，頻率響應測試，系統(tǒng)校正設計與直流電機的建模與控制。通過點擊主界面的實驗項目選擇進入相關實驗。實驗系統(tǒng)主界面如圖2-13所示。圖2-13 基于NI ELVIS的自動控制原理實驗系統(tǒng)1系統(tǒng)時域特性分析：利用運算放大器、電阻、電容、導線在ELVIS面包板上搭建一階、二階、三階等模擬系統(tǒng)，利用模擬量輸出端口AO發(fā)出階躍信號，通過模擬量輸入端口采樣系統(tǒng)的輸入端與輸出響應，獲取系統(tǒng)的階躍響應曲線，測量系統(tǒng)的時域特性指標，分析時域性能。系統(tǒng)時域特性曲線與測量如圖2-14所示。圖2-14 系統(tǒng)

10、時域特性分析2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析：觀察與分析系統(tǒng)的開環(huán)放大系數與時間常數變化對系統(tǒng)性能的影響，如圖2-15所示。圖2-15 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析3頻率特性分析: 利用運算放大器、電阻、電容、導線在ELVIS面包板上搭建一階、二階、三階等模擬系統(tǒng)，通過模擬量輸出端口AO發(fā)出頻率變化的正弦信號，通過模擬量輸入端口采樣系統(tǒng)的輸入端與輸出響應，經運算繪制出系統(tǒng)的幅頻與相頻特性曲線，給出系統(tǒng)的頻域特性指標。系統(tǒng)頻域特性分析如圖2-16所示。圖2-16 系統(tǒng)頻域特性分析4系統(tǒng)頻率特性測試：利用運算放大器、電阻、電容、導線在ELVIS面包板上搭建一階、二階模擬系統(tǒng)，應用ELVIS的函數發(fā)生器手動調節(jié)輸出正弦信號，通過模擬量輸入端口側量系統(tǒng)的輸入端與輸出響應，繪制出X-Y測量圖；使用李薩育圖形測量法，計算出系統(tǒng)的的幅值與相位，繪制出系統(tǒng)的幅頻與相頻特性曲線，如圖2-17所示。圖2-17 頻率特性測試5系統(tǒng)串聯(lián)校正：根據系統(tǒng)參數，可以繪制出校正前系統(tǒng)階躍響應線，給出頻域性能指標，根據期望的相位裕度可設計出超前校正網絡，繪制出校正后的系統(tǒng)階躍響應線，且給出頻域性能指標，如圖2-18所示。圖2-18 系統(tǒng)串聯(lián)校正6直流電