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虚拟仪器的基础和应用【实验目的】（1）了解虚拟仪器及图形化编程语言LabVIEW；（2）学习用LabVIEW设计简单的温度计；（3）独立完成用LabVIEW设计的虚拟仪器完成伏安法测电阻；【仪器用具】1、计算机（含操作系统）；2、LabVIEW软件；3、数据采集卡；4、电阻箱（作标准电阻）；5、导线、双刀双掷开关；6、待测电阻。【实验原理】1、虚拟仪器的硬件系统由PC机和数据采集卡（DAQ卡）组成，DAQ卡可以实现对信号数据的采集、放大以及数模互换的任务。基本结构：输入模拟信号→A/D→数据处理→数据显示↔数字信号控制→数字信号产生→D/A→输出模拟信号2、虚拟仪器的程序由LabVIEW开发平台编制，包括三个主要部分：程序前面板（Panel）、框图程序（Diagram）和图标/连接器。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，用来实现结构化程序控制命令。连线代表程序执行过程中的数据流，定义框图内的数据流动方向。【实验内容】一、熟悉LabVIEW开发环境的基本操作和简单编程方法：1、打开程序，新建一个VI程序；2、设计前面板：选择需要的工具和控制量，放置在前面板上，按需要更改标签，方便阅读；虚拟仪器的基础和应用注意：为了数字显示正常，需设置显示精度。实时显示的图像可以把坐标轴选择为“autoscale”以随时调整坐标轴范围。3、程序框图设计：先找出需要的结构。本次实验主要使用了顺序结构和循环结构。顺序结构中，需要将动作分割为不同帧，每个方框表示一帧，在帧与帧之间按条件顺序完成；循环结构中，程序可以在循环条件下自动循环测量，得到多个测量值。按需要添加功能函数，表示出程序的主要功能。主要有如循环、数学运算、比较、公式节点、数据处理函数及与数据卡的接口等。按程序的运行过程连线。注意不同接口的作用和数据类型。注意：（1）、连线避免重合，方便检查和阅读。（2）、作图时，应该按照程序的逻辑结构来连线，一步一步地完成。（3）、仪器容易死机，注意及时存档。4、连接外部硬件，运行虚拟仪器。二、设计一个温度计：假设传感器的输出电压和温度成正比。为方便，这里用软件代替了DAQ卡，用LabVIEW提供的DemoReadVoltage子程序模拟从采集卡的0通道读取电压，程序再读出温度并提供摄氏/华氏转换功能。面板、程序图设计均参照教材。虚拟仪器的基础和应用三、伏安法测电阻：测量原理图如下：面板、程序图设计及外部硬件连接均参照教材。虚拟仪器的基础和应用四、测二极管伏安特性曲线：伏安法电路图等同上。只要把循环条件并上（And）电流小于0.05mA。【思考题】1、虚拟仪器与传统仪器的有什么区别，请简要说明。答：（1）、结构上：虚拟仪器是基于通用计算机硬件平台的通过专用测试软件实现的一种计算机仪器系统，主要结构为：输入模拟信号→A/D→数据处理→数据显示↔数字信号控制→数字信号产生→D/A→输出模拟信号，用程序实现测量的控制，简单方便。而传统仪器主要包括信号输入、分析处理、显示以及系统控制等几个部分，主要靠人为操作测量、数据分析。（2）、外观上：虚拟仪器最突出的一个外部特征是没有传统仪器外部的实物面板，所有的控制按钮和指示器都安放在计算机的显示屏上，是一个虚拟的“软面板”，而且这个软面板可由用户自己按需要设计。（3）、用途上：虚拟仪器把操作面板和显示面板都集成到电脑上，方便重复测量、数据记录和即时处理，且相比于传统仪器，精度大大提高、误差减小（不受实验者主观观察的影响）。对于虚拟仪器，测量时所有物理量都需要转化成电学量，必须依赖于灵敏的传感器。2、虚拟仪器的出现对于测量仪器的发展有什么影响？对于仪器使用者来说，意味着什么？答：（1）影响：本质上，物理量的测量与虚拟仪器是无关的，它改变的只是操作和读取结果两部分。“测量仪器发展”主要还是如何通过特定物理更高精度地得到所需物理量，这不是虚拟仪器可以解决的。但是虚拟仪器有着强大的数据处理和计算功能，使得许多测量和处理操作一体化，且不受实验者主观观察的影响，使测量更加方便准确。（2）对仪器使用者来说，可以直接按需要来设计定义虚拟仪器的面板以及测试功能。使用时，只需要使用鼠标和键盘就可完成对测量的控制和数据分析。仪器使用者可以根据实际需要自行设计仪器，体现了“软件就是仪器”的新概念。这大大提高了测量效率，减少了使用者的工作量，提高了测量的准确性。虚拟仪器的基础和应用3、虚拟仪器的软件开发环境有哪些类型？什么事“G语言”？答：（1）开发环境：主要有两大类，一类是通用的编程环境，一类是专为虚拟仪器开发的编程环境，多为图形化程序语言（G语言）。（2）G语言即GraphicLanguage，用图标代替元素，用连线代替关系，使编程与日常经验十分贴近而直观易懂。4、你对虚拟仪器系统在物理实验中的应用有何设想？能否结合具体的实验给出一个简单的设计思路。答：（1）几乎所有的普物实验都可以使用虚拟仪器来实现，只是需要仪器操作接口以及读数接口的改变。引入虚拟仪器可以使许多重复操作自动化，提高实验效率。（2）弗兰克-赫兹实验中，需调节若干项电压值以获得电子电流关于电压的曲线。这项实验的核心物理过程发生在Hg或Ar蒸汽管中，我们只需将电压调节使用DAQ卡完成，电流接入弱电流放大器后也可使用标准电阻读出，即可进行若干次重复的自动测量。基本原理与伏安法测电阻类似。并且管内温度可以通过温敏电阻转为电压而更好地实时监控。5、伏安法测电阻，为何不测待测电阻上的电压？答：因为我们不能直接测电压，只能测量相对两点的电势，因此无法把待测电阻和标准电阻的电压都直接测出来；如果把待测电阻与标准电阻交换，则电流将无法直接测量，也需要电压相减得出。6、利用虚拟仪器系统进行测量（如伏安法测电阻）时，仪器的误差如何考虑？答：误差来自两方面，一方面是读数精度，一方面是电压测量的分压。读数精度在此实验中已经非常高，而分压主要是DAQ卡的性能、导线的电阻产生的。