概要信息：

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〖实验二十九〗
虚拟仪器在物理实验中的应用
实验时间 2015年 5月 5日
报告时间 2015年 5月 6日
祁周 1300011454
周二下午第 2组 3号
〖目的要求〗
1、了解虚拟仪器的概念；
2、了解图形化编程语言 LabVIEW，学习简单的 LabVIEW编程；
3、完成伏安法测电阻的虚拟仪器设计。
〖仪器用具〗
计算机(含操作系统)，LabVIEW软件，数据采集卡，电阻箱(用作
标准电阻)，导线，开关，待测电阻，二极管。
〖实验原理〗
虚拟仪器的硬件系统由 PC机和数据采集卡(DAQ卡)组成。数据采
集卡(DAQ卡)包括多路开关、放大器、采样/保持器、A/D转换器以及其
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他有关电路组成。这些部分共同配合完成对信号数据的采集、放大以及
模/数转换任务。
本实验中利用接口卡的一个通道为整个测量电路供电，利用两个输
人通道分别测量总电压和标准电阻上的电压；利用测量得到的电压数值
和标准电阻数值就可以得到电路中的电流以及待测电阻上的电压。在程
序控制下，电路电压由 0V开始逐渐增加到 5V，电压每改变一次测量获
得一组电压电流值，最后得到一个数组，经过线性拟合后就可以得到待
测电阻值。
测量原理如图：
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〖实验内容〗
1、初步熟悉 LabVIEW
整个软件分为前面板和程序框图两部分。前面板可以加入开关，旋
钮各种控件和各种显示元件；在前面板添加的元件相应的子端和图标会
出现在程序框图上，可以在程序框图进实验编辑，另外，在程序框图内
还有可控选择的大量函数模块以及各种实现程序的功能，例如循环，数
字运算，比较，以及各种公式等。
2、创建一个模拟温度测量程序
前面板：开关（用于控制显示摄氏度/华氏度），温度计，温度值
程序框图：放入 Demo Voltage Read 子程序，设计用开关切换摄氏/
华氏度的逻辑程序，使温度计和温度值按需显示。
3、用虚拟仪器测量伏安特性
（1）编写程序
前面板：放入一个用于设置设备号的控制数、一个设定标准电阻值
的控制数、一个用于设定测量间隔的控制数和一个显示测量电阻值的显
示数。放人三个控制字符串，将名字分别改成“供电电压通道”、“测
量总电压通道”、“测量电流通道”，分别用于设置输出输人的通道。
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放上一个 Express XY Graph，将名字改成“电阻的伏安曲线图”，
并将纵坐标和横坐标分别改成“电压(V)”和“电流(A)”；
加人一个二维数组，把名字改成“数据”，用于显示测量的电压和
电流。放人一个开关，用于控制程序进程。
程序框图：
设计一个循环程序，让程序不断改变电压，每次改变 0.25V测 20
组电流电压数据，每次改变之后都使程序等待 1s后测量，测量 20组后
循环停止，并画出电阻的伏安特性曲线图，计算出电阻 R（斜率）。
（2）连接接口卡和外部电路；
（3）运行程序，记录结果，保存并退出。
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〖思考与讨论〗
1、虚拟仪器与传统仪器有什么区别？
传统仪器：数据显示形式单一，数据处理功能比较简单，不容易按
需改装，不能共享数据，自动化程度低；
虚拟仪器：基于计算机的自动化测试仪器系统；功能灵活多变，易
于扩展，还可与外界通讯，实现远程操作。
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？
虚拟仪器无疑是测量仪器在现代的重要发展，是实现远程操作，自
动化测量的重要手段。对于仪器的使用者来说，虚拟仪器意味着测量手
段的多元化，自动化，还可远程操作。必然会使测量更为简单，方便，
实现更多功能。
其实，从本质上讲，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。
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但是，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。
3、虚拟仪器软件开发环境有哪些类型？什么是 G语言？
虚拟仪器软件开发平台一类是通用的可视化软件编程环境，如
VC++、VB；另一类是专用于虚拟仪器开发的软件编程环境，如
LabVIEW。
G语言即 Graphic Language，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。使用这种语言编程时，基本上
不写程序代码，取而代之的是流程图。它可以增强构建自己的科学和工
程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用
它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效
率。
4、你对虚拟仪器在物理实验中的应用有何设想？结合具体的实验
给出一个简单的思路。
可以用虚拟仪器做成一个光学信息处理技术的“4F”系统，在傅里
叶面上加上各种不同光栅，观察其成像。
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5、为什么不直接测量待测电阻上的电压？
传感器测出的是测量点相对于大地的电位差，不能直接测量任意两
点间的电位差。在实验中，我们直接测量了标准电阻上的电压，即得到
了电流，而待测电阻上电压是间接测量的；如果交换两个电阻，直接测
量待测电阻上的电压，则电流值的获得依然要靠间接测量的标准电阻上
电压，所以我们需要每一个电阻上的分压。由于传感器只能测量某点对
地的电位，所以总有一个电阻上的电压值需要间接测量。
6、使用虚拟仪器系统进行测量时，仪器误差如何考虑？
应考虑虚拟仪器引起的误差和所使用传统仪器引起的误差。
虚拟仪器引起的误差来自两个方面，一方面是传感器的精度和误
差；另一方面是测量仪器（类似于电压表）的分流。读数精度在此实验
中已经非常高，而分流主要是 DAQ卡的性能、导线的电阻产生的。
所使用传统仪器引起的误差也来自两个方面，一方面是标准电阻的
标称值存在误差；另一方面是由于温度等环境参数的改变，而引起的电
阻值的变化。环境参数的改变可能来自于环境本身的变化，例如到日落
时气温降低；也可能来自于测量过程，例如长时间地通电测量引起的电
阻发热。