NI ELVIS 簡介

Barry Paton 教授著

達爾豪斯大學 (Dalhousie University) 課程軟體版本 2.0

2009 年 1 月版

NI ELVIS 簡介

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商標

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專利

如需有關 NI 產品/技術的專利資訊，請參閱適當位置：軟體中的說明 »專利、媒體上的 patents.txt 檔案，或 ni.com/legal/patents 中 的 NI 專利聲明。

NI ELVIS II、Multisim 與 LabVIEWTM

2 全球技術支援與產品資訊

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台灣 886 02 2377 2222

如需進一步的輔助資訊，請參閱附加資訊與資源附錄。若對 NI 文件有任何意見，請參閱 NI 網站 (網址是 ni.com/info) 並輸入資訊代碼 意見回饋。

第 1 課　

NI ELVIS II 工作區環境

練習 1-1 量測元件值 ... 1-3 練習 1-2 在 NI ELVIS II 原型麵包板上建立分壓電路 ... 1-5 練習 1-3 使用 DMM 數位電表來量測電流 ... 1-7 練習 1-4 觀察 RC 暫態電路上的電壓發展 ... 1-8 練習 1-5 視覺化 RC 暫態電路電壓 ... 1-10 NI ELVIS II 挑戰：使用 Multisim 模擬設計防盜自動警鈴 ... 1-12

第 2 課 數位溫度計

練習 2-1 量測電阻器元件值 ... 2-3 練習 2-2 操作可變電源供應器 ... 2-4 練習 2-3 熱敏電阻電路 ... 2-6 練習 2-4 建立 NI ELVIS 虛擬數位溫度計 ... 2-9 LabVIEW 挑戰：使用熱敏電阻電路設計熱度計量器 ... 2-12

第 3 課 AC 電路工具

練習 3-1 量測電路元件值 ... 3-3 練習 3-2 量測元件與電路阻抗 Z ... 3-4 練習 3-3 使用函式產生器與示波器測試 RC 電路 ... 3-7 練習 3-4 RC 電路的增益/相位波德圖 (Bode Plot) ... 3-11 Multisim 挑戰：判斷 RC 電路的波德圖 ... 3-14

第 4 課

運算放大器濾波器

練習 4-1 量測電路元件值 ... 4-3 練習 4-2 基本運算放大器電路的頻率響應 ... 4-4 練習 4-3 量測運算放大器的頻率特性 ... 4-7 練習 4-4 高通濾波器 ... 4-9 練習 4-5 低通濾波器 ... 4-12 練習 4-6 帶通濾波器 ... 4-14 Multisim 挑戰：設計二階低通濾波器 ... 4-17

本課程準備指南

4

第 5 課 數位 I/O

練習 5-1 視覺化數位位元數碼 ... 5-3 練習 5-2 555 數位時脈電路 ... 5-5 練習 5-3 建立 4 位元數位計數器 ... 5-9 練習 5-4 LabVIEW 邏輯狀態分析器 ... 5-11 Multisim 挑戰：設計 8 位元的數位計數器電路 ... 5-14

第 6 課 磁場感測器

練習 6-1 使用 NI ELVIS 工具測試類比磁場感測器 ... 6-3 練習 6-2 磁場開關的遲滯特性 ... 6-5 練習 6-3 使用電磁開關感測器計算脈波 ... 6-7 練習 6-4 建立轉速計 ... 6-8 練習 6-5 使用 LabVIEW 程式進行自動計算 ... 6-10 Multisim 挑戰：設計轉速計電路 ... 6-12

第 7 課

LED 指示燈具備緊急救援功能！

練習 7-1 測試二極體與其極性 ... 7-3 練習 7-2 二極體的特性曲線 ... 7-5 練習 7-3 手動測試及控制雙向十字路口交通號誌燈 ... 7-8 練習 7-4 自動操作雙向十字路口交通號誌燈 ... 7-11 Multisim 挑戰：設計雙向十字路口交通號誌燈的控制電路 ... 7-12

第 8 課

自由空間光通訊

練習 8-1 光電晶體偵測器 ... 8-3 練習 8-2 紅外線紅光源及測試電路 ... 8-6 練習 8-3 自由空間 IR 光連結 (類比) ... 8-8 練習 8-4 振幅及頻率調變 (類比) ... 8-9 練習 8-5 自由空間 IR 光連結 (數位) ... 8-10 Multisim 挑戰：設計高速光 NRZ 資料連結 ... 8-12

第 9 課 RF 無線通訊

練習 9-1 發送器 ... 9-3 練習 9-2 接收器 ... 9-4 練習 9-3 測試 RF 發送器與接收器 ... 9-5 練習 9-4 使用任意波形分析器建立獨特的測試訊號 ... 9-7 練習 9-5 展示 Marconi 的 RF 傳送訊號 ... 9-10 電路挑戰：耳聞為憑 ... 9-11

第 10 課 機械運動

練習 10-1 啟動引擎 ... 10-3 練習 10-2 轉速計 ... 10-4 練習 10-3 建立旋轉運動系統 ... 10-6 練習 10-4 測試旋轉運動系統 ... 10-8 練習 10-5 RPM 的 LabVIEW 量測... 10-9 LabVIEW 挑戰：旋轉運動系統電腦自動化 ... 10-12

第 11 課 數位骰子

練習 11-1 使用 7 個 LED 指示燈顯示 Multisim 骰子 ... 11-5 練習 11-2 將 Multisim 設計轉換為實際電路 ... 11-6 練習 11-3 Modulo 6 計數器 ... 11-7 練習 11-4 將 Mod 6 Multisim 設計轉換為實際電路 ... 11-10 練習 11-5 建立系統時脈 ... 11-11 練習 11-6 在 NI ELVIS II 原型麵包板上建立實際的時脈電路 ... 11-13 練習 11-7 建立 3 到 4 線路編碼器 ... 11-14 練習 11-8 建立及測試數位骰子編碼器 ... 11-16 練習 11-9 電子骰子 ... 11-17

附錄 A

附加資訊與資源

6

在本課程中，就儀器及實體通道名稱而言，NI ELVIS 硬體平台在裝置領域 中通常稱做 Dev3。NI 硬體使用此命名慣例來識別裝置，且裝置名稱通常 預設為 Dev1。請謹記此一命名慣例，並在搭配軟體人機介面 (Soft Front Panel)、LabVIEW 與 Multisim 使用 NI ELVIS 時，依據您所連接的儀器選擇 正確的裝置名稱。

以下為變更裝置識別符的指示：

1. 開啟量測與自動化瀏覽器 (MAX)。

2. 展開 My System (我的系統) 下的 Devices and Interfaces (裝置與介面)。

3. 展開 NI-DAQmx 裝置。

4. 將標示您 NI ELVIS 工作站的裝置名稱進行選取，然後在該裝置上按下滑 鼠右鍵，再從功能表中選取 Rename (更名)。

5. 輸入所需名稱，例如 Dev3、Dev1 或 MyELVIS，完成後按下 Enter。

6. 關閉 MAX。

裝置更名完成！

2003 年時，NI 推出了設計、測試與教導電路設計的新方法。這是第一次使 用者可在電腦上善用一整套標準測試儀器的機會，並可將這些儀器直接與在 小型測試站上建立的電路相接合，此小型測試站名為 National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite (NI ELVIS)。其體積小 巧，用途靈活，因而成為類比及數位電路課程的熱門選擇，而且是許多固定 儀器的天然介面，在課堂中可做為有效的展示站。

NI ELVIS II 及其新的驅動程式軟體 NI ELVISmx 則具備更強大的功能。其重 量更輕巧、配置更易於控制、具有更多的介面連接埠、具備整合式資料擷取 裝置，並可連接高速 USB。這表示若使用者在多台電腦上安裝 NI ELVISmx 軟體，就可在辦公室的桌上型電腦、家用電腦、上課用的筆記型電腦，甚至 是朋友的電腦上使用 NI ELVIS II。

本文件的目的在於介紹 NI ELVIS II 的許多新功能，並檢視已獲得改善的舊有 功能。我們加入新的實驗與挑戰，並整合 NI Multisim 直覺式電路圖及擷取

本課程準備指南

作者的話

軟體至 NI ELVIS 環境。現在，您在紙上或黑板上的設計可在 Multisim 內進 行模擬，並模擬為 NI ELVIS 或 NI ELVIS II 電路板配置上的傳統電路圖。設 計趨於成熟後，使用者即可在 NI ELVIS II 原型麵包板 (protoboard) 上建立 實際的電路，並用原本用來進行設計的相同設計工具 (軟體人機介面 [SFP]

儀器) 加以測試。最棒的是使用者還可反覆在實際電路與設計電路之間來回 切換，直到達到所需的正確電路為止。

然後該電路即可用來做為課堂特別展示之用、供技術人員建立電路之用，或 做為供生產用的原型麵包板。只要使用筆記型電腦及體積跟筆記型電一樣小 巧的新 NI ELVIS II 系統，即可完成上述所有事項。

這是我們應該採用的教課方式：使用高品質的設計工具及安排許多的實作練 習。在課堂中，NI ELVIS 可使教材更加生動。在實驗室時，NI ELVIS 將設 計範例從「如果」轉變成「讓我們動手試一試」。

我們設計這些實作練習來做為您自身課程設計的起點、做為課堂上的示範，

及激發學生在自己的專案中展現想像力與創意的方法。

實作練習一到五介紹用於進行 DC、暫態及 AC 量測的主要軟體 (SFP) 儀 器。類比與數位電路均使用。

納入溫度感測器的實作練習二則是絕佳的課堂示範。

Multisim 是一種設計工具，有助學生進一步了解這些實作練習中所用的電 路。

實作練習六到十則採用小型系統法來研究磁場、紅外線傳輸、RF 傳輸及運 動控制。此處，Multisim 是用來做為設計工具，以模擬小型系統，或加強實 作練習。

實作練習十一則著重在電路與建立介面的設計方法。從紙上作業找出設計 方面的問題，並移轉至 Multisim 虛擬電路中。有包羅萬象的 Multisim 元件 (超過 3,000 個) 可供使用者使用，使用者可設計任何電路。設計完成後，使 用者可將之移轉到 NI ELVIS，做為「真實」的設計。使用者可使用相同的 NI ELVIS II 工具，藉由在實際電路與虛擬電路之間來回反覆切換 (使用同一 組 NI ELVIS 診斷測試工具)，讓設計更臻完美。設計完成後，便可供生產之 用。

使用這些實作練習的方式

8

第 1 課

NI ELVIS II 工作區環境

NI ELVIS II 工作區環境

NI ELVIS II 環境由下列元件構成：

用於建立電路及接合實驗NI ELVIS II 軟體（在 NI LabVIEW 軟體中建立）的 硬體工作空間，NI ELVIS II 軟體包括下列項目：

• 軟體人機介面 (SFP) 儀器 • LabVIEW 應用程式介面 (API) • Multisim 應用程式介面 (API)

有了 API，使用者即可使用 LabVIEW 程式及在 Multisim 中撰寫的模擬程 式，對 NI ELVIS II 的工作站功能進行客制控制及存取。

圖 1-1. NI ELVIS II 工作站

此實作練習藉由顯示如何使用工作站量測電子元件屬性來介紹 NI ELVIS II。

然後使用者可在原型麵包板上建立電路，然後再使用 SFP 儀器的 NI ELVIS II 套件分析電路。此實作練習也顯示如何在 NI ELVIS II 工作站上建立電路及

目標

1-2

使用 LabVIEW 程式控制電路之前，使用 Multisim 設計及模擬電路。

• 數位歐姆計 DMM[Ω]

• 數位電容計 DMM[╫]

• 數位電壓計 DMM[V]

• 1.0 kΩ 電阻器，R1 (褐、黑、紅)

• 2.2 kΩ 電阻器，R2 (紅、紅、紅)

• 1.0 MΩ 電阻器，R3, (褐、黑、綠)

• 1 μF 電容器，C

• 專案電阻器 – 7.5 kΩ、1 kΩ、2 kΩ、4 kΩ 及 8 kΩ 標準電阻

必備的軟體人機介面 (SFP)

必備元件

1. 使用提供的 USB 接線將 NI ELVIS II 工作站連接到電腦。盒形 USB 端 與 NI ELVIS II 工作站連接，矩形 USB 端則與電腦連接。打開電腦，並 啟動 NI ELVIS II 電源 （開啟工作站背面的電源開關）。USB ACTIVE

（橘色） LED 指示燈隨即亮起。不久之後，ACTIVATE LED 指示燈即 熄滅，而 USB READY （橘色） LED 指示燈隨即亮起。

2. 在電腦畫面上按下 NI ELVISmx Instrument Launcher 圖示或捷徑。畫面 隨即顯示 一行 NI ELVIS II 儀器的圖示帶。現在即可開始進行量測。

圖 1-2. NI ELVISmx Instrument Launcher 圖示帶

3. 將二個蕉型導線連接到工作站左側的數位電表 (DMM) 輸入端子 [VΩ→

├ ] 與 [COM]。將另一端連接到其中一個電阻器。

4. 按下 NI ELVISmx Instrument Launcher 內的 DMM 圖示，以選取數位電表。

圖 1-3. 數位電表，歐姆計組態

練習 1-1 量測元件值

1-4

您可使用 DMM SFP 進行各種操作，如電壓、電流、電阻及電容量測。使用 標記 DMM[X] 標明 X 操作。

DMM 人機介面會顯示進行此量測的正確導線連接方式。

5. 按下 Ohm 按鈕 [Ω] 以使用數位歐姆計功能，即 DMM[Ω]。按下綠色箭 頭 [Run] 方塊，以開始進行量測擷取作業。量測 3 個電阻器：R1、R2 與 R3。

填寫下列資料：

R1 _______ (1.0 kΩ 標準電阻) R2 _______ (2.2 kΩ 標準電阻) R3 _______ (1.0 MΩ 標準電阻)

若要停止擷取，請按下紅色的方形 [Stop] 方塊。

註： 若按下 Mode 方塊，即可將 {Auto} 範圍變更為 {SpecifyRange}，按下 Range 方塊即可 選擇最適當的範圍。

練習 1-1 結束

1. 使用 R1 與 R2 這 2 個電阻器在 NI ELVIS II 原型麵包板組裝下列電路。

圖 1-4. 分壓電路

2. 將輸入電壓 Vo 連接到 [+5 V] 針腳插槽。

3. 將共通電壓連接到 [GROUND] 針腳插槽。

4. 將外部導線連接到 NI ELVIS 工作站側面的 DMM 電壓輸入端子 [VΩ→

├ ] 與[COM]，另一端則交叉穿過 2.2 kΩ 電阻器。

5. 檢查電路，然後將原型製作板的電源開關位置切換到上方位置 [–]，以 供電給原型麵包板。3 個 LED 電源指示燈 +15 V、–15 V 及 +5 V 現在 應該亮起，並呈現綠色。

圖 1-5. NI ELVIS II 原型麵包板上的 LED 電源指示燈。

練習 1-2 在 NI ELVIS II 原型麵包板上建立分壓電路

1-6

註： 若這些 LED 指示燈中有任何指示燈亮黃色，而其他指示燈亮綠色，則表示該電線的可重 設保險絲已跳開。若要重設保險絲，請關閉原型麵包板電源。

檢查電路是否有短路情形。再次開啟原型麵包板的電源。保險絲跳開的 LED 指示燈現在 應該呈現綠色。

6. 將 DMM[V] 測試導線連接到 Vo，並使用 DMM[V] 功能量測輸入電壓。

按下 [Run] 以取得電壓資料。

V0 (量測值) _______________

依據電路理論，V2 橫跨 R2 的輸出電壓如下：

V2 = R2/(R1+R2) * Vo

7. 使用先前 R1、R2 及 Vo 的量測值來計算 V2。

接著使用 DMM[V] 來量測實際的電壓 V2。

V2 (計算值) ________________

V2 (量測值) ________________

8. 量測值與計算值有多大的相符程度？

練習 1-2 結束

依據歐姆定律，上述電路中的電流 (I) 等於 V2/R2。

1. 使用 V2 與 R2 的量測值來計算此電流。

2. 將連接到 [VΩ→├ ] 的外部導線移至電流輸入插槽 (A)，以進行直接電 流量測。如下圖所示，將另一端連接到電路。

圖 1-6. 調整電路，以量測電流

3. 選擇功能 DMM[A] 並量測電流。

I (計算值) ________________

I (量測值) ________________

4. 量測值與計算值有多大的相符程度？

練習 1-3 結束

練習 1-3 使用 DMM 來量測電流

1-8

使用 DMM [╫ ] 功能量測 1 μF 電容器。

1. 將電容器導線連接到 NI ELVIS II 原型麵包板左下配線模組上的阻抗分析 器輸入端子 [DUT+] 與 [DUT–]。

2. 若要進行電容及電感量測，必須為原型麵包板供電，如此才能進行量 測。開啟原型麵包板的電源。

3. 按下電容器按鈕 [╫] 以使用 DMM[╫] 功能量測電容器 C。按下 Run 按 鈕以取得電容值。C_______(μf)

4. 如下圖所示建立 RC 暫態電路。其使用的分壓電路，其中 R3 (1 M 電阻 器) 已取代 R1，而 1 μf 電容器 C 則取代 R2。將 DMM 導線移至輸入 插槽 [VΩ→├ ] 與 [COM]。另一端則交叉穿過電容器。

圖 1-7. RC 暫態電路 5. 選擇 DMM[V]，然後按下 RUN。

6. 開啟電路的電源後，通過電容器的電壓會以指數方式升高。將 DMM 電 壓範圍設定為 {Specify Range} [10 V]。開啟原型麵包板電源，並觀察數 位顯示畫面上及 %FS 直線量尺的電壓變化。

練習 1-4 觀察 RC 暫態電路上的電壓發展

7. Vo 值需要約幾秒鐘的時間才能達到穩定狀態。關閉電路的電源後，跨 過電容器的電壓會以指數方式降低至 0 V。請試試看！

註： 此過程顯示出 NI ELVIS II 數位電表的其中 1 項特殊功能，即使原型麵包板的電源已關 閉，仍可使用該數位電表。

練習 1-4 結束

1-10

1. 卸除 +5 V 電源導線，用連接到可變電源供應器插槽針腳 [SUPPLY+] 的 電線取代。如下圖所示，將輸出電壓 VC 連接到類比輸入插槽針腳 [AI 0+] 及 [AI 0–]。

圖 1-8. NI ELVIS II 原型麵包板上的 RC 暫態電路 關閉 NI ELVIS II 並啟動 LabVIEW。

選擇 NI ELVIS II 程式庫資料夾中的 RC Transient.vi。

此程式使用 LabVIEW API 將可變電源供應器轉為 1 組 +5 V 的電壓達 5 秒 鐘，然後再將 VPS 電壓重設為 0 V 達 5 秒鐘，在此同時，系統會量測跨過 電容器的電壓，並即時顯示在 LabVIEW 圖表上。

練習 1-5 視覺化 RC 暫態電路電壓

圖 1-9. RC 暫態電路的充電與放電波形

此類型的方形波激發明確顯示出簡單 RC 電路的充電與放電特性。

2. 檢視 LabVIEW 圖表視窗，以觀察此程式的運作方式。

圖 1-10. RC Transient.vi 程式的 LabVIEW 程式圖

在 4 張連續圖表的第一張圖表中，NI ELVISmx 可變電源供應 VI (虛擬儀器) 輸出 +5.00 V 到 NI ELVIS II 原型麵包板上的 RC 電路。下一張圖則是以 1/10 秒的間隔量測跨過電容器的 50 組循序電壓讀數。在 For Loop 中，DAQ Assistant 以 1000 S/s 的速度擷取 100 組讀數，並將這些值傳送到叢集陣列 (粗的藍/白線)。資料陣列 (粗的橘線) 從該叢集傳送到 Mean VI。其傳回 100 組讀數的平均值。該平均值接著透過本端可變終端 <<RC 充電與放電>> 被 傳送至圖表。下一張圖則將 VPS+ 電壓設定為等於 0 V。最後一張圖則針對 放電週期量測另外 50 組平均樣本。此程式會記錄 RC 電路的 1 個完整放電 與充電週期。若要重複週期，?繼續將上述程式放置在 While Loop 內。

1-12

NI ELVIS II 挑戰：使用 Multisim 模擬設計防盜自動警鈴

為需要 3 個入口感測器及 1 個窗戶感測器的住宅設計防盜自動警鈴。警報 系統啟動時，只要其中 1 個感測器偵測到 1 扇門或窗戶開啟，警鈴就會 響。人機介面訊號會指出哪 1 扇門或窗戶被打開了，並發出警鈴響聲。

題外話：其實這是 1 個很簡單的系統，只需要用 2 條電線從中央警報系統 連接到各扇門或窗戶。在您的智慧型系統中，迴路設計只需要使用 1 條電 線，每個感測器利用這條電線接通短路，或開啟感測器位址電阻器。電阻器 的強度會決定被開啟的是哪 1 個感測器（門或窗戶）。

啟動 Multisim，並開啟 Alarm Design Version 0 檔案。

圖 1-11. Multisim 智慧型感測器設計

門關上時，這些開關 (左側) 的 ON 位置便會發出訊號。按下開關以關閉或開 啟門或窗戶。

您的設計包含 1 個電源供應器 (+5 V)、1 個數位電表、5 個電阻器及 4 個開 關。 將 4 個電阻器 1 kΩ、2 kΩ、4 kΩ及 8 kΩ 放置在門或窗戶位置，電 阻值則為該位置的「位址」。電路是一簡單迴路，開關則放置在位址電阻器 上，以模擬窗戶或門的開啟與關閉。最後，當所有開關都關閉時，電阻器 R5 會限制電流。電流限制電阻器值是所有循序新增的位址電阻器值的一半 (7.5 kΩ)。

若要檢視電路運作，請按下 Run，並使用滑鼠游標逐一開啟 (1) 及關閉 (0) 每個開關。

填寫下列表格：

開啟每 1 個開關時，會產生獨特的電壓，電壓計讀取該電壓時就會透露出開 啟的是哪 1 扇門窗。

現在設計已經完成，您可將設計轉化為實際的產品，做為在 NI ELVIS II 原型 麵包板上建立的測試電路。

選擇 5 個最接近設計值的電阻器。

啟動 NI ELVIS DMM[Ω]，並量測每個所選電阻器的值。

填寫下列表格中的實際電阻器值：

R1 _____________ (kΩ) R2 _____________ (kΩ) R3 _____________ (kΩ) R4 _____________ (kΩ) R5 _____________ (kΩ)

R1 R2 R3 R4 Voltage

0 0 0 0 0.00

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

1 1 1 1 3.33

1-14

現在回到 Multisim，藉由分別在每個電阻器上連按 2 次滑鼠，用量測的（實 際）電阻器值取代標準電阻器值，然後輸入量測值。如此即為您的新警鈴設 計版本 1。

圖 1-12. 實際感測器設計

您現在可在門窗開啟或關閉時對預測電壓讀數重複進行量測。

使用這些電阻器及 5 個跨接器或按鈕開關來構成與下圖中 NI ELVIS II 原型 麵包板上所示之類似電路。

圖 1-13. NI ELVIS II 原型麵包板的實際感測器電路

使用 DMM[V] 來確認其運作方式是否類似您的實際 Multisim 設計 (即版本 1)。

LabVIEW 是 1 種功能強大的程試設計語言，可供您用於執行許多工作，包 括量測與控制在 NI ELVIS II 原型麵包板上建立的電路。只要對上述電路做 1 項修改，您就可將警鈴電壓準位納入 LabVIEW 程式中。

將電壓 + 針腳 (橘線) 連接至 [AI 0+] 插槽針腳，並將 GROUND 連接至 [AI 0–] 插槽針腳。若希望監控感測器電壓，可讓 DMM[V] 保持連接狀態。數位 電表使用的資料擷取卡與 NI ELVIS II 類比輸入端子所用的資料擷取卡不同。

想像一下在 LabVIEW 程式執行的同時，執行 SFP 的 NI ELVIS 套件會是什 麼情況。

LabVIEW 展示

1-16

啟動 LabVIEW 並開啟 House.vi 程式，以檢視防盜自動警鈴系統。

圖 1-14. LabVIEW 人機介面 House.vi

若要操作程式，請按 Run。若 NI ELVIS II 已連接並已開啟，且已為原型麵 包板供電，則若原型麵包板上有任何動作，LabVIEW 人機介面都會收到訊 號。每個開關均對應到特定的門窗。開啟時，入埠會顯示黑色。門窗一旦開 啟，紅色的警鈴就會鈴聲大作。若要終止程式，請按 Alarm Off 人機介面滑 動開關。

圖 1-15. House.vi 程式的 LabVIEW 程式圖

DAQ Assistant 經過程式設定，可以 1000 S/s 的速度讀取 100 組連續電壓 值。從資料叢集（藍/白線）中選擇電壓陣列。Mean.vi 會計算此組讀數的平 均值，並將之傳送至電壓驅動階梯。每當兩限制值（橘色方塊）間的電壓準 位下降時，人機介面就會反應出相應的情況。限制值取自兩相鄰驅動等級間 的中間值。若任何門窗開啟，4 輸入端子的 OR 功能便會使警鈴鈴聲大作。

此設計只可偵測到第一次的門窗開啟動作。若您多增加幾個階級 (rung) 到限 制階梯，就可偵測到多次的開啟與關閉動作。

1-18

第 2 課

數位溫度計

圖 2-1. 數位溫度計的 LabVIEW 人機介面

熱敏電阻器是一種二線裝置，以半導體材料製成。其具有非線性響應曲線及 負溫度係數。熱敏電阻器是理想的感測器，可用於在廣泛的動態範圍內量測 溫度，且在溫度警報電路上非常實用。

本實作練習將介紹 NI ELVIS II 可變電源供應器 (VPS)。您可將之與工作站 側面板控制器或電腦畫面上的虛擬控制器搭配使用，或者您也可將之嵌入 LabVIEW 程式。VPS 會在分壓電路中激發 10 kΩ 的熱敏電阻。在熱敏電阻 上量測而得的電壓與其阻力相關，進而與其溫度相關。此實作練習顯示出您 可如何將 LabVIEW 控制項及指示燈與 NI ELVIS API 搭配使用，來製作數位 溫度計。

目標

2-2

• 數位歐姆計 DMM[Ω]

• 數位電壓計 DMM[V]

• 可變電源供應器 (VPS)

• 10 kΩ 電阻、R1 (紅、黑、橘) • 10 kΩ 熱敏電阻器、RT

必備的軟體人機介面 (SFP)

必備元件

1. 啟動 NI ELVIS II。

2. 從儀器的 SFP 帶中選擇數位電錶 (DMM)。

3. 按下 Ohm 按鈕。

4. 將測試導線連接到 DMM[VΩ→├ ] 及 [COM] 側插槽。

5. 量測 10 kΩ 的電阻器，再量測熱敏電阻器。

6. 填寫下表：

10 kΩ 電阻器 _________________ 歐姆 熱敏電阻器 _________________ 歐姆

7. 在熱敏電阻器仍保持連接的狀態下，將熱敏電阻器放在您的指尖之間予 以加熱，並觀察阻力變化。觀察顯示直線比例尺 (%FS) 上的變化尤其 有趣。

阻力隨溫度的增加而降低 (負溫度係數) 這 1 點是熱敏電阻器的重要特性。

熱敏電阻器是以半導體材料製成，其電阻率取決於環境溫度，並會產生非線 性反應。將熱敏電阻器反應與下圖所示的 RTD (100 Ω 白金阻力溫度裝置) 相比較。

圖 2-2. 熱敏電阻器與 RTD 的阻力-溫度曲線

練習 2-1 結束

練習 2-1 量測電阻器元件值

2-4

完成下列步驟，以在 1 個或 2 個可變電源供應器上設定電壓準位。

1. 從 SFP 的帶狀功能表中選擇 [VPS] 圖示。NI ELVIS II 有 2 個可控制的電 源供應器，即 0 到 –12 V 與 0 到 +12 V，各自具備 500 mA 的電流限制。

圖 2-3. 可變電源供應器的虛擬 SFP

在預設模式下，您可使用上圖所示的虛擬面板控制 VPS。在虛擬旋鈕上設定 輸出電壓，然後按下 [Run] 方塊。輸出電壓會顯示 (藍色) 在您所選電源供應 器上方的顯示區域。按下 stop 按鈕後，原型麵包板上的輸出電壓隨即重設 為零。

註 若要使輸出電壓流經某個範圍的電壓，請務必按下 [Stop] 按鈕。選擇 Supply Source (+ 或 –)、Start Voltage、Stop Voltage、Step Size 及 Step Interval，然後按下 [Sweep]。

練習 2-2 操作可變電源供應器

若要手動操作，請按下 Manual 方塊，然後使用 NI ELVIS II 工作站右側的 旋鈕來設定輸出電壓。若要在顯示區域檢視輸出電壓，請按下現在顯示在 LabVIEW 標籤旁的白色方塊。

2. 將導線從標示有可變電源供應器 [Supply +] 與 [Ground] 的原型麵包板 條狀接頭插槽連接至 DMM 電壓輸入端子。

3. 選擇 DMM[V]，然後按下 RUN。選擇 VPS 人機介面，然後按下 RUN。

4. 旋轉 Supply + 的虛擬 VPS 控制項，然後在 DMM[V] 顯示畫面中觀察電 壓變化。

註：您可使用 [RESET] 按鈕快速將電壓重設回零。

5. 按下 Manual 方塊，以啟動工作站右側的實際控制項。虛擬控制項現呈 灰色 (無法使用)。觀察 NI ELVIS II 工作站上的綠色 Manual Mode LED 指示燈，指示燈現已亮起。

6. 旋轉 + 電壓供應旋鈕，並在 DMM 上觀察電壓變化。

註：VPS– 以類似的方式運作，唯輸出電壓為負。

練習 2-2 結束

2-6

完成下列步驟，以建立及測試熱敏電阻電路。

1. 在工作站原型麵包板上，以 10 kΩ 的電阻器及熱敏電阻器建立分壓電 路。輸入電壓以電線連接至 [Supply +] 及 [Ground] 插槽。熱敏電阻器 上的電壓則傳到 DMM[V] 導線。

圖 2-4. 使用熱敏電阻器的溫度量測電路

圖 2-5. NI ELVIS 原型麵包板上的實際熱敏電阻器電路

至 VPS[+]

至 Ground

至 DMM 10 kΩ

熱敏電阻器

至 Gnd

練習 2-3 熱敏電阻電路

2. 請務必將可變電源供應器電壓準位設為零。為麵包板供電，然後在 DMM 顯示畫面上觀察電壓準位。將電壓從 0 提高到 +5 V。在熱敏電阻 器上電壓量測值 (即 VT) 應提高到約 2.5 V。

3. 將電源供應器電壓減低至 +3 V。如此可確保熱敏電阻器內的自我加熱 (焦耳熱) 不會影響到外部溫度的讀數。

4. 用您的指尖為熱敏電阻器加熱，並觀察電壓下降的情況。您可重新排列 分壓等式，以如下方式計算熱敏電阻器阻值：

RT = R1 * VT /(3 –VT)

在 25 °C 的環境溫度下，熱敏電阻器阻值應約為 10 kΩ。

使用以上換算函式的方程式即可將量測到的電壓轉換為熱敏電阻阻值。

您可輕鬆使用 NI ELVIS II DMM 或在 LabVIEW 程式 (VI) 中量測 VT。

在 LabVIEW 中，上述換算函式會被編碼為 subVI，且看起來像下列程 式圖。

圖 2-6. 換算函式的程式圖

熱敏電阻響應曲線呈現裝置阻值與溫度之間的關係。此曲線明顯顯示出熱敏 電阻器具有下列 3 種特性：

• 溫度係數 ΔR/ΔT 為負。

• 響應曲線為非線性 (指數性)。

• 在以十次方為單位的電阻值各有不同 (請參閱圖 2-2)。

2-8

您可藉由將數學等式套用至響應曲線來產生校準曲線 (請參閱本章結尾的附 錄)。 LabVIEW 具備許多適用於該關係的數學工具。找到正確的等式後，您 即可針對校準區內的任何電阻值計算溫度。下列是熱敏電阻器的典型校準 VI，且說明您可如何使用 LabVIEW 公式節點來評估數學等式。

圖 2-7. 此熱敏電阻器的校準等式為 R = 29.95798 exp(–0.04452 T)。

練習 2-3 結束

數位溫度計程式 Digital Thermometer.vi 可啟用 VPS，以便為熱敏電阻電路 供電。 接著會讀取通過熱敏電阻器的電壓、將之轉換為溫度，然後在人機 介面上以各種格式顯示其值。

建立迴路時，系統會依序在 While Loop 內進行量測、縮放、校準及顯示。

VoltsIn.vi 會量測熱敏電阻電壓。Scaling.vi 則會依據上列換算公式將量測 到的電壓轉換為電阻值。Convert R-T.vi 會使用已知的校準曲線將電阻值 轉換為溫度。最後，溫度會以數字、表讀數及溫度計顯示值的方式顯示在 LabVIEW 人機介面。100 ms 的 Wait 功能可確保系統以每 10 分之 1 秒的 速度進行電壓取樣。

上述所有動作均會在 While Loop 內發生，直到您按下人機介面上的 [Stop]

按鈕為止。

圖 2-8. 數位溫度計程式的程式圖

如同電阻器的熱敏電阻器會使熱能 (焦耳熱) 變成通過熱敏電阻器的電流。

對於試圖呈報外部溫度的熱敏電阻器來說，自我加熱可能會造成問題。竅門 在於將電流降至最低，以使熱敏電阻器外的溫度效應優於自我加熱現象。對

練習 2-4 建立 NI ELVIS 虛擬數位溫度計

2-10

於 10 kΩ 的熱敏電阻器來說，+3 V 的驅動電壓符合此需求。使用 LabVIEW Express VI，您即可在 NI ELVIS II 工作站上對 VPS 進行程式設計。橘色方 塊中的數值 3 會在 VPS+ 上設定 +3.0 V 的輸出電壓。另 1 條連接至 STOP 圖示的綠線則可確保 VPS 會在程式終止時被重設為零電壓。

完成下列步驟以開啟並檢視數位溫度計 VI 中的元件與編碼：

1. 開啟 Hands-On NI ELVIS II 程式庫資料夾中的 Digital Thermometer.

vi。

2. 開啟程式圖 (Window»Show Block Diagram) 及 subVI (在圖示上連按 2 下)以檢視程式流程圖，並檢視 subVI 及讀取 (Read) 與轉換 (Convert) 功能的編碼方式。

有了熱敏電阻器的校準曲線，您即可使用適當的等式來更新 subVI (Convert R-T)，並將之用於製作出可發揮功能的數位溫度計。

若想要撰寫自己的程式，您可在功能板 (Functions»Measurement I/O»NI ELVISmx»NIELVISmx Variable Power Supplies) 上找到 VPS API 功能。

圖 2-9 功能板

練習 2-4 結束

2-12

LabVIEW 挑戰：使用熱敏電阻電路設計熱度計量器

當人感到困窘、興奮，或單純覺得熱時，血液便會流向皮膚，以使身體核心 溫度保持恆定，這有點像是內部空調。流向皮膚的血液會呈現出紅色區塊的 外觀，觸摸該區塊時，我們會感到該區塊的皮膚熱熱的。對某些人來說，講 個笑話就會使他們的耳垂發熱。將熱敏電阻器放置在發紅的部分，即可量測 溫度上升的現象。

設計 1 套 LabVIEW 程式來量測身體皮膚的溫度。正常的體溫為 38.5 ℃。

使用此值做為 LabVIEW 溫度控制器上的最高溫度讀數。以室溫 (25 ℃) 做為 下限。設計人機介面標籤時請發揮創意。

開啟 Hands-On NI ELVIS II 程式庫資料夾中的 Passion Meter.vi。

圖 2-10. Passion Meter.vi 的人機介面

試著將感測器放在自己及 1 群朋友的拇指及食指之間。您將會對手指溫度的 變化範圍感到驚訝。好好享受其中的樂趣吧！

熱敏電阻器製造商的校準曲線可做為平均的校準曲線，但若要進行精確的量 測，或所使用的是來源不明的熱敏電阻器，您就需找到自己的校準曲線。此 附錄使用 Multisim 與 LabVIEW 程式的 3 步驟程序，來輔助建立 subVI，以 將量測到的電阻值轉換為溫度感測器可顯示的溫度。

A. 量測攝氏 0 度

將導線連到感測器。為使感測器具備防水功能，將 1 條中空管套在導 線上，並用矽密封膠密封導線。將感測器黏合到如酒精溫度計或Analog Devices AD590 電子溫度計的校準感測器。將溫度計與感測器放入金屬 杯或玻璃燒杯中。在杯中放入一些冰塊及水。加以攪拌後，便可形成接 近攝氏 0 度的參照溫度點。當冰塊與水彼此

達成平衡時，即會產生攝氏 0 度的溫度。量測此溫度點。

B. 量測攝氏 100 度

冰塊融化後，將杯子放到爐子上或本生燈上，並加熱至沸點。這可能需 要花上 5 至 10 分鐘的時間。量測特定溫度點的電阻值，並如下圖所示 製作電阻值與溫度表。

C. 在 Multisim 中模擬量測

為說明此步驟，Multisim 程式會模擬實際的 RTD (阻值溫度偵測器)，即 Honeywell 的「線性」溫度感測器 TD5A。載入 Multisim 程式溫度感測 器。按下 Run (綠色三角形)。使用滑鼠、按鍵“T”(增加 5 度) 或按鍵 shift +“T”(減少 5 度) 即可改變感測器的溫度。歐姆計會讀取適當的值。

附錄：建立校準曲線

步驟 1. 量測已知的溫度

Resistance (W) Tempeature (C)

1854 0

— 5

— —

— —

3128 100

2-14

圖 2-11. 使用歐姆計來量測阻值的 Multisim 範例

以 10 度做為梯級在下表中填寫阻值-溫度表 (0 到 100 度)。

Resistance (W) Tempeature (C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

LabVIEW 有許多適用於將 2D 資料點套用至近似數學函式的分析 VI。這又 稱為曲線套配。在此步驟中，您可使用 LabVIEW 線性套配函式將直線 (R = m*T + b) 套用至 TD5A 感測器資料。套用的直線只有 2 個參數，即斜率 (m) 與截斷率 (b)。

載入 LabVIEW 程式 Linear Fit.vi。填寫輸入陣列中所有空白資料，然後按下 RUN。

圖 2-12. 量測預期校準資料點圖表

此程式可建立所有輸入資料點 (黃點) 的圖表，並藉由評估量測資料的斜率與 截斷率，對直線 (紅線) 執行最小平方套配 (Least Squares Fit)。

步驟 2. 將等式套用至量測資料點

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2-16

在實際電路中，阻值是被量測與計算的對象，而溫度則是所需的量測單位。

由於您已於步驟 2 計算出關係，所以可重新排列等式，以計算任一阻值下的 溫度，並使用圖 2-13 的方法加以應用。

T = (R – b)/m

圖 2-13. 用於計算特定阻值下的溫度的程式圖

載入 LabVIEW 程式 Linear R-T.vi，以檢視簡單的 subVI，並將感測器量測 值轉換為溫度。此 VI 也可用來做為採用 TD5A 感測器的數位溫度計程式中 的 sub-VI，以擷取即時的溫度讀數。

圖 2-14. 線性 RTD 類型 TD5A 的校準 VI 人機介面

註：對於熱敏電阻溫度感測器來說，熱敏電阻器的阻值會隨溫度呈指數型變化。在步驟 2 使用 Programming»Mathematics»Fitting 板中的 LabVIEW Exponential Fit 功能。

步驟 3. 將阻值轉換為溫度 subVI

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第 3 課

AC 電路工具

圖 3-1. 顯示 2 種通道功能的 Scope SFP

許多電子電路都含有交流電 (AC)。若要設計良好的電路，就需使用工具來量 測元件、阻抗值及工具，以顯示電路屬性。只要有良好的 AC 工具及具備最 少的電路知識，您即可調整任何電路，以達成最佳的反應。

目標

本實作練習介紹 AC 電路適用的 NI ELVIS II 工具：數位電表、函式產生器、

示波器、阻抗分析器及波德 (Bode) 分析器。

3-2

必備的軟體人機介面 (SFP)

• 使用歐姆計/電容的數位電表 (DMM[Ω/╫ ])

• 函式產生器 (FGEN)

• 示波器 (Scope)

• 阻抗分析器 (Imped)

• 波德分析器 (Bode)

必備元件

• 1 kΩ 電阻、R (褐、黑、紅)

• 1 μF 電容器，C

完成下列步驟，以取得電路元件的值：

1. 啟動 NI ELVIS II Instrument 圖帶。

2. 選擇 Digital Multimeter。

3. 將測試導線連接到 DMM [VΩ→├ ] 及 [COM]。

4. 使用 DMM[Ω] 來量測電阻器 (即 R)。

5. 使用 DMM[╫ ] 來量測電容器 (即 C)。

6. 填寫下表：

電阻器 R _________________ kΩ ( 1kΩ 標準) 電容器 C _________________ μF ((1μF 標準)) 7. 關閉 DMM。

練習 3-1 結束

練習 3-1 量測電路元件值

3-4

電阻器的阻抗與 DC 電阻相同。您可在 2D 圖上 x 軸延伸的直線表示，這通 常稱為實際元件。對電容器來說，阻抗 (更具體稱之為電抗) XC 是 1 種取決 於頻率的虛構值，且在 2 D 圖上 y 軸延伸的直線呈現，

稱做虛構元件。

以數學算式而言，電容器電抗的表示方式如下：

XC = 1/jωC

其中 ω 是角頻率 (量測單位是徑度/秒)，而 j 則是用於表示虛構數字的符 號。RC 循序電路的阻抗是這 2 個元件的總和，其中 R 為阻抗 (實際)元件，

而 XC 為反應 (虛構) 元件。

Z = R + XC = R + 1/jωC Ù

也可在極座標圖上用下列方式將阻抗表示為相量：

Magnitude = (R² + XC²) 及

PhaseΘ= tan¯¹(XC / R)

電阻器在 (x) 軸處具有 1 個相量。電容器在負虛構 (y) 軸處具有 1 個相量。

這令人想起複雜的代數

1/j = –j

練習 3-2 量測元件及電路阻抗 Z

完成下列步驟，以即時呈現此相量：

1. 選擇 NI ELVISmx Instrument Launcher 中的 Impedance Analyzer (Imped)。

圖 3-2. 1000 Hz 下的 RC 電路相量

2. 將元件放置在 NI ELVIS II 原型麵包板上。

3. 從阻抗分析器 DUT+ 及 DUT– 將跳線連接至標準 1 kΩ ā電阻器。

4. 開啟 NI ELVIS II 原型麵包板電源，然後按下 Run。

5. 確認電阻器相量是沿著實際軸延伸，且其相位為零。

6. 將阻抗跳線連接至電容器。

7. 確認電容器相量是沿著負虛構軸，且其相位為 270 或 –90 度。

8. 預設的量測頻率為 1000 Hz。調整頻率值，並觀察電抗 (相量長度) 隨頻 率增加而減小、隨頻率減小而加大的現象。回想 |Xc| = 1/ωC。

9. 將阻抗跳線連接至電容器及循序電阻器。相量現在擁有實際及虛構元 件。

10. 將量測頻率從 100 調整至 500、1000、1500Hz，並觀查相量移動的情 形。

11. 調整頻率，直到電抗 |Xc| 強度等於電阻器 R 的強度。在此特別的頻率 下，相量相位為 315 或 –45 度。

12. 相量的強度是多少 ____________？

13. 解答：|R| 2

3-6

14. 關閉 Impedance Analyzer 視窗。

練習 3-2 結束

完成下列步驟，以建立及測試 RC 電路。

1. 在工作站原型麵包板上，使用1μF 電容器及 1.0 kΩ 電阻器建立分壓電 路。

2. 將 RC 電路輸入端子連接到函式產生器 [FGEN] 及原型麵包板上的 [Ground] 針腳插槽。

圖 3-3. 連接到 FGEN 的實際 RC 元件

AC 電路的電源供應器通常是函式產生器。請用函式產生器來測試 RC 電 路。

9. 選擇 NI ELVISmx Instrument Launcher 中的 FGEN 圖示。

練習 3-3 使用函式產生器與示波器測試 RC電路

3-8

圖 3-4. FGEN 人機介面

FGEN SFP 的控制項可執行下列工作：

• 選擇波形類型 (正弦波、三角波或方波)

• 藉由旋轉頻率旋鈕或將頻率輸入文字方塊 [Hz] 來設定頻率

• 使用 Amplitude 及 DC Offset 控制項來選擇波形及任何偏移量

NI ELVIS II 工作站右側也有函式產生器實際控制項 (Frequency) 與 (Amplitude)。有了可變電源供應器，您即可藉由按下 Manual Mode 方塊 [ ] 來進行手動控制。 工作站右側的綠色 LED 指示燈會亮起，以指明現在是手 動控制狀態。Frequency 與 Amplitude 旋鈕現可使用，而 NI ELVISmx 函式 產生器視窗中的虛擬控制項則呈現灰色，無法使用。

註： 函式產生器也提供某些特殊的操作功能，如訊號調變 (AM 或 FM) 或頻率掃描。您將於稍 後的實作練習中使用這些功能。

4. 將函式產生器設定為正弦波、2000 Hz、2 Vpk–pk。按下 Run。

您可使用 Scope SFP 來呈現及分析 RC 電路的電壓訊號。

11. 選擇 NI ELVISmx Instrument Launcher 中的 Scope 圖示。

圖 3-5. 顯示在 Scope 人機介面上的正弦波

示波器 SFP 類似大多數的示波器，但 NI ELVIS II 示波器可自動將輸入 端子連接至各種來源、具備內建 AC 量測功能及波形游標，且可輕鬆記 錄波形模式。

6. 將導線從 NI ELVIS II 工作站左側的 CH0 BNC 接頭連接至RC 電路的 1 kΩ 電阻器。為原型麵包板供電，然後按下示波器的 [Run] 按鈕。

7. 您可在示波器上看到正弦波。如下方式設定控制項：

• 刻度 CH0 500 mV/div

• 耦合 CH0 AC

• 時基 500 μs/div

• 觸發型態 (Edge)、來源 (Chan 0 Source)、準位 (V) (0.1)

檢視波形畫面底部的 Channel 0 量測值 RMS、Freq 及 Vpk–pk。您可啟用 游標來量測與時間相關的參數，如持續期間、工作週期及時間間隔。

8. 試用 FGEN 控制項 (虛擬或實際)，並觀察示波器視窗上的變化。

3-10

9. 將另 1 組的測試導線從 Scope CH1 連接至函式產生器 SYNC 針腳插槽 及原型麵包板上的 GROUND。SYNC 是 TTL 5 V 訊號，通常用於執行 驅動作業。

10. 按下 Scope CH1 啟用方塊 [ ]。您現在可以看到新的訊號 (藍色)，且位 於TTL 準位。請參閱本實作練習開頭的示波器圖 (圖 3-1) 以做為參照。

11. RC 電路是 1 種被動高通濾波器，具有近 160 Hz 的低頻截止點。您可 使用 FGEN 掃頻功能視覺化濾波器參數。以上述設定值設定示波器。將 FGEN 控制項設為下列數值：

– 起始頻率 5 Hz – 終止頻率 5 kHz – 步階頻率 50 Hz

按下函式產生器的 [Stop] 按鈕，然後再按下 [Sweep] 按鈕。

12. 觀察掃描頻率時，過濾訊號 CH0 的振幅與相位如何隨 SYNC CH 1 訊 號變化。

低頻時，訊號 CH 0 的振幅較小，且與 SYNC 訊號不在相同相位。高頻 時，振幅接近函式產生器振幅，且 2 個訊號位於相同相位。

13. 關閉函式產生器及示波器視窗。

練習 3-3 結束

波德圖 (Bode plot) 可用極為實際的圖形格式定義 AC 電路的頻率特性。

振幅反應會被繪製為以分貝單位量測的電路增益，以做為對數頻率 (log frequency) 函式。相位反應則會被繪製為輸入與輸出訊號之間的相位差 (直 線量尺上)，以做為對數頻率函式。

完成下列步驟，以建立 RC 電路，並量測電路的增益與相位波德圖。

1. 選擇 NI ELVISmx Instrument Launcher 中的 Bode 圖示。

使用波德分析器 (Bode Analyzer) 即可掃描一定範圍的頻率 –從起始頻 率到終止頻率，步階頻率為 Δf。您也可設定測試正弦波的振幅。波德 分析器會使用函式產生器 SFP 來產生測試波形。您必須將 FGEN 輸出 插槽連接至測試電路及 [AI 1+] 與 Ground[AI 1–]。將受測電路的輸出端 子連接至 [AI 0+] 與 Ground。按下波德分析器視窗右下角的 HELP 按鈕 可查看更詳細的資訊。

2. 在 NI ELVIS II 原型麵包板上重新建立類似下列電路的 RC 電路，並如上 所述進行連接。

圖 3-6. 為進行波德量測的 RC 元件連接狀態

練習 3-4 RC 電路的增益/相位波德圖 (Bode Plot)

3-12

3. 確認如上方式連接電路。啟動原型麵包板電源，然後按下 [Run] 按鈕。

圖 3-7. RC 電路的波德分析器人機介面量測值

4. 選取 Cursors On 方塊。您可逐步探測量測的資料點，並檢視每個量測 頻率的強度與相位。

5. 請注意訊號振幅已下降至 –3 dB 的頻率。此點的相位應約為 45 度。此 頻率稱為低通截止點。

6. 示波器及波德分析器 SFP 都具有 Log 按鈕。啟用時，顯示在圖上的 資料會被寫入至硬碟中的試算表檔案。您現可在讀取此資料，以便用 Excel、LabVIEW、NI DIAdem 或其他分析或繪圖程式做進一步的分 析。

7. 按下 [Log] 按鈕，並儲存您的資料集。

完成頻率掃描後，按下 Log 按鈕時，檢視如同下列所示的資料集範本。

練習 3-4 結束

3-14

確認以 NI Multisim 預測的波德圖是否呈現出練習 3-4 中的實際波德圖。

1. 啟動 Multisim 程式 RC。

2. 連按 2 下 Bode 圖示，以叫出波德結果視窗。

3. 執行程式，以了解波德圖的形態。

4. 確保刻度的設定與練習 3-4 中的設定相同。

5. 分別連按 2 下電阻器與電容器，然後輸入練習 3-1 中的元件值。

6. 再次執行程式。

圖 3-8. Multisim RC 電路的振幅與對數頻率

7. 完成時，按下 [Save] 按鈕。如此可將 Multisim 波德圖資料另存為 Excel 檔案。

8. 在 Excel 檔案中，用練習 3-4 中取得的資料集覆蓋在從 Multisim 取得 的資料集，以獲得 NI ELVIS II 上的實際電路。

此練習說明如何將使用 Multisim 設計的電路與在? NI ELVIS II 上建立的實際 電路兩相比較。

Multisim 挑戰：判斷 RC 電路的波德圖

第 4 課

運算放大器濾波器

圖 4-1. 帶通濾波器的頻率特性

將幾個電容器及電阻器新增到基本運算放大器 (op amp) 電路上可產生許多 有趣的類比電路，如主動濾波器、積分器及微分器。濾波器用於穿透特定頻 率帶、積分器用於執行比例控制、微分器則用於噪音抑制及波形產生電路。

此實作練習使用 NI ELVIS II 儀器套件來量測低通、高通及帶通濾波器的特 性。使用 Multisim 及量測的元件值來模擬濾波器。在本章結尾的實作練習 挑戰中，我們使用 Multisim 來設計第二序主動濾波器。

目標

4-2

• 數位電表 (DMM[Ω,╫]) • 函式產生器 (FGEN) • 示波器 (Scope) • 阻抗分析器 (Imped) • 波德分析器 (Bode)

• 10 kΩ 電阻器、R1、(褐、黑、橘) • 100 kΩ 電阻器、Rf、(褐、黑、黃) • 1 μF 電容器，C1

• 0.01 μF 電容器，Cf • 741 運算放大器

必備的軟體人機介面 (SFP)

必備元件

完成下列步驟，以量測個別元件的值：

1. 啟動 NI ELVIS II。

2. 從 Instrument Measurement 功能帶選擇 DMM 圖示。

3. 選擇 DMM[Ω] 來量測電阻器。

4. 選擇 DMM[╫] 來量測電容器。

5. 填寫下列資訊：

R1 ___________ Ω (10 kΩ 標準電阻) Rf ___________ Ω(100 kΩ 標準電阻) C1 ___________ μF (1 μf 標準電容) Cf ___________ μF (0.01 μf 標準電容) 6. 關閉 DMM。

練習 4-1 結束

練習 4-1 量測電路元件值

4-4

完成下列步驟，以在運算放大器上建立並執行量測。

1. 在工作站原型麵包板上，如圖 4-2 所示，建立增益為 10 的簡單 741 反 相放大器電路。

圖 4-2. 741 運算放大器 (增益為 10) 的電路圖

NI ELVIS II 原型麵包板上的電路外觀如同圖 4-2 所示。

圖 4-3. NI ELVIS 原型麵包板上增益為 10 的 741 反相運算放大器電路

練習 4-2 基本運算放大器電路的頻率響應

註： 運算放大器使用 +15 及 –15 VDC 的電源供應器。電源供應器位在標示為 “DC Power Supplies +15V, –15V & GROUND＂ 的原型麵包板針腳插槽處。

2. 將函式產生器 [FGEN] 針腳插槽連接到運算放大器輸入端子 V1。

3. 將 [Ground] 針腳插槽連接到運算放大器的針腳 3。

4. 將運算放大器的輸出電壓 Vout 連接至示波器 BNC 輸入端子接頭 [CH1

& Ground]。

5. 選擇 NI ELVISmx Instrument Launcher 中的函式產生器 (FGEN) 圖示，

及示波器 (Scope) 圖示。

註： 依預設，示波器上的 Channel 0 Settings Source 設為 Scope Ch 0，Channel 1 Settings Source 則設為 Scope Ch 1；其分別是運算放大器輸入及輸出訊號。

6. 若要檢視訊號，請按下啟用方塊。

7. 在函式產生器面板上設定下列參數：

波形：正弦波 峰值振幅：0.2 pp 頻率：1000 Hz DC 偏移：0.0 V

8. 檢查電路，然後為 NI ELVIS II 原型麵包板供電。

9. 針對 FGEN 及 Scope SFP 按下 [Run]。

10. 將觸發設為 Edge、CH 0、Level 0.0，並將 Time/Div 設為 1 ms。

11. 在示波器視窗上量測運算放大器輸出端 (CH 0) 及輸入端 (CH 1) 的振 幅。

4-6

圖 4-4. 反相運算放大器輸入及輸出訊號

註：輸出訊號會隨輸入訊號反轉。

12. 計算電壓增益 (振幅比率，CH1/CH0)。

13. 試著使用介於100 Hz 到 10 kHz 之間的頻率範圍。

您的量測值與理論上的 (Rf/R1) 增益有大多的相符度？

振幅比率在 100 kHz 時是否仍相同？

14. 關閉 FGEN 及 Scope 視窗。

練習 4-2 結束

研究運算放大器 AC 特性響應曲線的最佳方式就是量測其波德圖。波德圖基 本上是做為對數頻率函式的增益 (dB) 與相位 (角度) 圖。反相運算放大器電 路的轉換函式係以下列等式得出：

Vout = – (Rf/R1) V1

其中 Vout 是運算放大器輸出端，V1 則是運算放大器輸入端 (電路中的 FGEN 振幅)。增益即是數量 (Rf/R1)。減號可使輸出端訊號隨輸入端訊號 反轉。在波德圖上，我們會看到強度為 20 x 對數 (增益) 的直線。若增益為 10，則波德振幅應為 20 dB。

完成下列步驟，以量測運算放大器電路的波德圖：

1. 選擇 NI ELVISmx Instrument Launcher 中的 Bode Analyzer (Bode) 圖示。

2. 將輸入端 (V1) 及輸出端 (Vout) 訊號以如下方式連接至類比輸入端子針 腳：

3. 在波德分析器上以如下方式設定掃描參數：

起始：5 (Hz) 終止：20000 (Hz) 步階：10 (每十進) 4. 為原型麵包板供電。

5. 按下 [Run]，並觀察反相運算放大器電路的波德圖。

6. 仔細觀察相位反應。

練習 4-3 量測運算放大器的頻率特性

V1+ AI 0+ (from the PGEN output) V1- AI 0- (from GROUND)

Vout+ AI 1+ (from the op amp output) Vout- AI 1- (from GROUND)

4-8

圖 4-5. 反相運算放大器 (增益為 10) 的波德圖量測值

如圖 4-5 所示，增益 (20 dB) 在直到約 10,000 Hz 之前均保持平坦且不受頻 率影響，在 10,000 Hz 之後才開始往下降。此波德圖呈現出 741 運算放大 器電路的典型情況。高頻時，放大器反應取決於其內部電路系統及外部元 件。

練習 4-3 結束

簡單 RC 序列電路的低頻截止點 fL 是經下列等式算出：

2πfL = 1/(RC)

其中 fL 的量測單位為赫茲 (hertz)。低頻截止點是增益 (dB) 減低 –3 dB 的頻 率。 此 (–3 dB) 點會在電容器阻抗等於電阻器阻抗時產生。

1. 如圖 4-6 所示，在運算放大器電路中新增與 1 kΩ 輸入電阻器串聯的 1 μF 電容器 Cl。

圖 4-6. 高通運算放大器濾波器電路設計

高通運算放大器濾波器等式具有 1 個低頻截止點 fL，增益在此截止點下降 – 3 dB。換言之，即當 Xc = R：

2πfL = 1/(R1C1)

練習 4-4 高通濾波器

4-10

圖 4-7. NI ELVIS 原型麵包板上的高通運算放大器濾波器

2. 使用與練習 4-3 相同的掃描參數再次執行波德圖。

3. 觀察低頻反應會減弱，而高頻反應則類似基本的運算放大器波德圖。

圖 4-8. 高通運算放大器電路的波德量測值

4. 使用游標功能來尋找低頻截止點，亦即振幅減低 –3 dB 或相位變化為 45 度的頻率。

5. 將您的結果與下列理論性預測值比較：

2πfL = 1/ (R1C1)

練習 4-4 結束

4-12

運算放大器電路中的高頻之所以會下降是因為 741 晶片的內部電容與反饋 電阻器 Rf 並聯之故。若新增與反饋電阻器 Rf 並聯的外部電容器 Cf，即可 降低上方頻率截止點。如此一來，您可利用下列等式預測這個新的截止點：

2πfU = 1/(Rf Cf)

完成下列步驟，以在運算放大器電路上執行額外的頻率量測：

1. 先讓輸入電容器呈短路狀態 (請勿移除此電容器，因為我們會在練習 4-6 中用到)。

2. 新增與 100 kΩ 反饋電阻器並聯的反饋電容器 Cf, (0.01 μf)。

圖 4-9. 低通運算放大器濾波器電路設計

練習 4-5 低通濾波器

3. 使用相同的掃描參數執行第三次波德圖。

圖 4-10. 低通運算放大器電路的波德量測值

圖 4-10 顯示高頻反應較基本運算放大器反應減弱甚多。

4. 使用游標功能來尋找高頻截止點，亦即振幅減低 –3 dB 或相位變化為 45 度的頻率。

5. 將您的結果與下列理論性預測值比較：

2πfU = 1/ (Rf Cf)

註： 注意從極低頻範圍到上方頻率範圍的 90 度相位變化。這是單極 RC 濾波級 (filter stage) 的預期情況。

練習 4-5 結束

4-14

若您在運算放大器電路中同時使用輸入電容器及反饋電容器，響應曲線就會 同時具有低截止頻率 fL 及高截止頻率 fU。頻率範圍 (fU – f L) 名為帶寬。例 如，好的音響放大器必須具有至少 20,000 Hz 的帶寬。

圖 4-11. NI ELVIS 原型麵包板上的帶通運算放大器電路

圖 4-11 顯示 NI ELVIS II 原型麵包板上的帶通濾波器。

1. 移除 C1 上的短路

圖 4-12. 帶通運算放大器濾波器電路設計

練習 4-6 帶通濾波器

2. 使用相同的掃描參數執行第四次波德圖。

圖 4-13. 帶通運算放大器電路的波德量測值

使用游標將所有 –3 dB 點連成 1 條線。所有振幅在此線以上的頻率均包含 在頻率通帶內。

此帶寬量測值與 (fU – fL) 理論性預測值的相符性有多高？

4-16

廣義的運算放大器轉換曲線是以下列相量等式算出：

Vout = –(Zf/Z1)Vin

其中 4 個電路的阻抗值為：

表 4-1. 4 個運算放大器電路的阻抗值

您可於任何頻率使用阻抗分析器 (Imped) 來量測阻抗 Zf 與 Z1。LabVIEW 程 式可計算 2 個複數的比率。|Zf /Z1| 比率的強度即是增益。

註： 您也可使用阻抗分析器來找出 R1 等於 XC1 且 Rf 等於 XCf 的頻率，以便確認波德圖中的 下方頻率及上方頻率截止點等於這些頻率。

進階研究

Op Amp Zf Z1 Gain

Basic Rf R1 Rf/R1

Highpass R_f R₁+X_C1 R_f/(R₁+X_C1) Lowpass Rf+XCf R1 (Rf+XCf)/R1

Bandpass R_f+X_Cf R₁+X_C1 (R_f+X_Cf)/(R₁+X_C1)

在練習 4-5 中，您在反饋迴路內建立了具有單一電容器的低通濾波器。在超 出截止點的高頻上，增益以線性方式下降，斜率為 6 dB/octave。有些應用 方式需有更陡急的下降方式。您可使用具有 2 個或 2 個以上電容器的濾波 器設計來達成上述目標。

1. 使用 –3 dB 截止點 fc (於 1000 Hz) 設計二階低通濾波器。

圖 4-14. 二階運算放大器濾波器的 Multisim 解決方案

此濾波器具有 2 個截止點：

fc1 = (R1||R2)/(2πC1) 與 fc2 = (2πR3C2)¯¹

在 fc1 = fc2 = fc 的特例中，此濾波器的增益表示式會變成

|G|= – R₃ (R₁+ R₂) 1 +(f /fc)²

2. 選擇電阻器及電容器，以滿足符合下列情況的特例需求 fc1 = fc2 = 1000 Hz

Multisim 挑戰：設計二階低通濾波器

4-18

3. 啟動 Multisim 程式 Two Pole Active Filter。

4. 連按 2 下波德分析器圖示，以開啟結果視窗。

5. 執行此程式，並檢視波德圖。

圖 4-15. 二階運算放大器濾波器的頻率響應

6. 根據增益圖預估下降曲線的斜率 (應為 40 dB/decade)。

7. 利用元件值來修改此程式。

8. 比較下降曲線的斜率與先前練習 4-5 中單極低通濾波器的結果。

9. 若您有時間與元件，請試著在 NI ELVIS II 原型麵包板上建立實際的雙極 電路。

理 論 性 設 計 的 波 德 圖 與 實 際 電 路 的 相 符 性 有 多 高 ？ 請 參 閱 實 作 練 習3 Multisim 挑戰來溫習如何在 Excel 中用量測的實際曲線覆蓋理論性的設計曲 線。

第 5 課

數位 I/O

數位電子元件是現代電腦的核心與靈魂。設定及讀取數位線路的能力對於數 位電路診斷來說至關重要。

圖 5-1. NI ELVIS II 原型麵包板上的 4 位元數位計數器電路

此練習實作的重點在於 NI ELVIS II 數位工具 (如數位時脈、數位計數器及邏 輯狀態分析器)，以便研究數位電路。

• 數位寫入器 (DigOut) • 數位讀取器 (DigIn) • FGEN (TTL 輸出端子) • 示波器 (Scope)

目標

必備的軟體人機介面 (SFP)

5-2

• 10 kΩ 電阻器、RA、(褐、黑、橘) • 100 kΩ 電阻器、RB、(褐、黑、黃) • 0.1μF 電容器，C

• 1μF 電容器，C • 555 計時器晶片

• 7493 4 位元二進位計數器

必備元件

NI ELVIS II 原型麵包板有 1 排 8 個綠色 LED 指示燈，其具有標示為 LED

<0..7> 的輸入針腳插槽。您可將之用來做為數位邏輯狀態 (On = HI 及 Off = LO) 的視覺指示燈。

完成下列步驟，使用數位寫入器輸出數位數碼：

1. 將 LEDs <0..7> 的電線連接至標示為 DIO <0..7> 的對應插槽針腳。

例如，將 DIO 0 別名 line 0 連接至針腳插槽 LED <0>。只需要 1 條導 線，因為 NI ELVIS II 中有內部連接的接地線。

註： 數位 I/O 線位在原型麵包板的右側。

2. 啟動 NI ELVISmx Instrument Launcher。

3. 選擇 Digital Writer (DigOut) 圖示。

新的數位邏輯診斷視窗隨即開啟，可供您將任何的數位線路設定/重設 為 HI 或 LO 狀態。依預設，使用者可從 Lines to Write 方塊中的 3 個 8 位元連接埠選擇數位 I/O 線<0..7>。

圖 5-2. Dig Out 人機介面視窗

練習 5-1 視覺化數位位元組數碼

5-4

在 Manual Pattern 方塊中，數位輸出線路由右至左標示為 0 至 7 的讀數。

按下虛擬開關的頂部或底部部份，即可設定/重設 (HI/LO) 任何位元。這 8 個 位元共構成 1 個可依二進位、八進位、十六進位或十進位格式讀取的位元 組，或在開關上方的顯示方塊中構成可依科學記號讀取的位元組。按下灰色 部分即可設定此指示燈的基數 (格式)。

圖 5-3. 以二進位、十六進位或十進位顯示的 LabVIEW 指示燈

4. 設定數位數碼後，開啟原型麵包板的電源，然後按下 Run (綠色箭頭)，

將數碼傳送至平行的輸出數位 I/O 線 <0..7>，如此可將該數位 I/O 線

<0..7> 傳送至綠色的 LED 指示燈。

註： 您可將產生數碼設定為輸出單一數碼，或持續輸出數碼。在持續運作狀態下，我們以目前 的數碼持續更新硬體。

在 SFP 上，匯流排狀態的線路狀態 (藍色 LED 指示燈) 會仿效已設定的數 碼。此外，使用 SFP 的 Action 按鈕即可雙態切換 (toggle)、旋轉或從右或 左移動位元數碼。

5. 按下 Stop 按鈕 (紅色方塊) 可停止更新連接埠。

測試數位電路時，您可從數個常用的數碼中選擇，以便進行診斷檢查。

6. 按下 SFP 上的 Pattern 選擇器可檢視可用的選項。

Manual Load any 8-bit pattern Ramp (0 – 255) Computer Instruction INC Alternating 1/0s Computer Instruction INVERT

Walking 1s Computer Instruction SHIFT LEFT LOGIC 7. 試著輸出每 1 個位元數碼。

8. 關閉數位寫入器視窗。

練習 5-1 結束

您可連同電阻器 RA、RB、及電容器 C (1 μF) 一起組態 555 計時器晶片，

做為數位時脈來源。

圖 5-4. 555 數位時脈電路

完成下列步驟，在 555 數位時脈電路上建立並執行量測：

1. 使用 DMM[Ω] 與 DMM[╫] 來量測元件值，並填寫下列表格。

RA ______________________ Ω (標準電阻 10 kΩ) RB ______________________ Ω (標準電阻 100 kΩ) C ______________________ μF (標準電容 1 μΩ)

練習 5-2 555 數位時脈電路

5-6

2. 如下圖所示，在原型麵包板上建立時脈電路。

圖 5-5. 555 組態為數位震盪器的 555 計數器晶片

電源線 (+5 V) 連接至插腳 8 與 4，GROUND 線連接至插腳 1。RA、RB 與 C 時脈鍊 (timing chain) 將跨載電源供應。連接至針腳 7 的電阻器之間有一 連結，連接至針腳 2 與 6 的 RB 與 C 之間有一連結。

3. 將 555 輸出針腳 3 的電線連接至其中 1 個連接埠針腳插槽，即 DIO

<0>。

4. 選擇 NI ELVISmx Instrument Launcher 中的 Digital Reader (DigIn) 圖 示。依預設，第 2 個 8 位元連接埠被設定為輸入端 (Lines to Read 8-15)。

5. 將 Lines to Read 組態為 (0-7)、開啟原型麵包板電源，然後按下 Run。

圖 5-6. 數位寫入器讀取位元 0，線路 DIO <0>

數位讀取器可供使用者單次讀取或持續讀取平行輸入連接埠的目前狀態。

您應可看見線路 0 呈閃爍狀態。若無，請按下 Stop 按鈕，並使用 DMM[V]

來檢查 555 針腳上的電壓準位 (先停止數位讀取器)。

在時脈電路仍保持執行中的狀態下，您現在可進行一些實用的數位電路量測 作業。

555 計時器震盪器電路具有如下的 T 週期

T = 0.695 (RA + 2 RB) C (秒)

555 計時器震盪器頻率與該週期有如下的相關關係 F = 1/T (Hz)

555 計時器震盪器電路具有如下的開啟時間 (On time) T = 0.695 (RA + RB) C (秒)

555 計時器震盪器電路具有如下的工作週期 (開啟時間/週期) DC = (RA+ RB) / (RA + 2 RB)

5-8

6. 關閉所有 SFP，並啟動 Oscilloscope (Scope) 圖示。

7. 將人機介面 BNC CH 0 輸入導線連接至 555 計數器晶片的針腳 3 及任 何接地線。按下 Run。您現在應可在示波器的通道 0 上看到數位波形。

8. 選擇觸發器類型：Edge，Source：Chan 0 Source 及 Level (V) to 1.0。

訊號應是振幅為 4 V 或以上的 TTL 訊號，且訊號應呈穩定狀態。

9. 在 CH 0 的 Scope 視窗中觀察頻率。

10. 按下 Cursors On 方塊，並注意到 C1 與 C2 已被設定為 CH 0。

11. 按下滑鼠並拖曳游標以量測週期、開啟時間及工作週期。根據週期量測 值來計算頻率。

12. 填寫下列表格：

T = __________________ (秒) Ton = __________________ (秒) DC = __________________

F = __________________ (Hz)

13. 將您的量測值與先前的理論性預測值比較。

14. 關閉所有 SFP。

練習 5-2 結束

完成下列步驟以建立 4 位元的數位計數器。

1. 將 7493 4 位元二進位漣波計數器插入至 555 數位時脈電路旁的原型麵 包板。7493 晶片具有除 2 (divide-by-two) 及除 8 (divide-by-eight) 計數 器。

2. 如圖 5-7 所示，將跳線從 7493 晶片上的針腳 12 (Q1) 連接至針腳 1 (即 時脈 2 (C2))，以將晶片組態為除 16 (divide-by-16) 計數器。

圖 5-7. 4 位元二進位計數器的電路圖

3. 在 7493 二進位計數器晶片上，將 +5 V 電源線連接至針腳 5，並將接地 線連接至針腳 10。

4. 確保 0set 輸入端子針腳 2 與 3 已接地。

5. 使用下列對應機制將輸出端子 Q1、Q2、Q4 及 Q8 連接到 LED 指示燈 及 NI ELVIS II 的數位輸入連接埠：

練習 5-3 建立 4 位元數位計數器

Q1 pin 12 to DIO<0> and LED <0>

Q2 pin 9 to DIO<1> and LED <1>

Q4 pin 8 to DIO<2> and LED <2>

Q8 pin 11 to DIO<3> and LED <3>

555 pin 3 to DIO<7> and LED <7>