基于LabVIEW和Multisim的模擬電路實驗虛擬仿真平臺的設計

張　坤，秦翠亞，喬　宇（河北大學工商學院，河北保定071002）

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基于LabVIEW和Multisim的模擬電路實驗虛擬仿真平臺的設計

張坤，秦翠亞，喬宇
（河北大學工商學院，河北保定071002）

摘要：運用LabVIEW虛擬儀器圖形化編程軟件和Multisim電路仿真軟件創(chuàng)建了模擬電路實驗虛擬仿真平臺。通過LabVIEW與Multisim聯(lián)合仿真的方法實現(xiàn)模擬電路實驗項目的仿真測試，給出了主界面及單級放大電路子VI的設計實例，并進行了實驗測試。結果表明，該實驗平臺運行可靠，用戶操作界面友好，可用于彌補實驗教學中場地、設備的不足，滿足學生的實驗需求，提高學生的學習熱情。

關鍵詞：LabVIEW；Multisim；聯(lián)合仿真；模擬電路實驗

0　引言

模擬電路是培養(yǎng)電子信息類應用型人才硬件能力的一門重要的專業(yè)基礎課程，其工程性和實踐性都很強[1-2]。模擬電路實驗是鞏固和加深理解模擬電路理論、提高分析問題和解決實際問題能力的重要手段。學生通過實驗課程的學習，不僅可以理解常用電子元器件參數(shù)，還可以通過熟悉電子技術基礎的實驗原理，學會讀基本電路圖，增強分析電路功能的能力，從而進一步鞏固課堂教學的理論知識，培養(yǎng)學生自主學習的能力。目前，隨著高等教育的普及，各高校都存在著學生基數(shù)大、儀器設備相對緊缺和實驗課時不足的問題，嚴重制約著實驗教學的發(fā)展和學生實踐能力的提升。由于場地和課時的限制，學生課上只是機械地完成操作，缺乏思考的空間和時間，以至于對部分實驗內容的理解不夠充分，不利于更深層次的學習和提高。近年來，隨著虛擬儀器技術和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，虛擬實驗系統(tǒng)應運而生。將虛擬實驗系統(tǒng)應用于實驗教學能較好地解決儀器和場地不足的問題，滿足學生的實驗需求，并將在遠程教育中發(fā)揮獨特的優(yōu)勢。

1　虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering workbench）是美國國家儀器公司（NI）專門為開發(fā)虛擬儀器應用軟件而設計的圖形化編程環(huán)境[3-4]。它提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、信號源）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。使用圖標和連線，可以通過編程對界面上的對象進行控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運算和處理。采用Lab－VIEW開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)，通過輸入控件實現(xiàn)對電路參數(shù)的調整，并生動、直觀地顯示出數(shù)據(jù)、波形和分析處理的結果。

Multisim是NI推出的以Windows為基礎的仿真工具，包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力[5-6]。Multisim為用戶提供了一個良好的集成化仿真環(huán)境，選用的元器件和測量工具切合實際，元器件及儀器、儀表以圖標存在，調用方便，可以邊設計邊仿真，使得設計與實驗得以同步進行[7]，無需消耗實際元器件和儀器，實驗成本低，速度快。

LabVIEW和Multisim允許在系統(tǒng)層面上進行聯(lián)合設計，兩者通過Co-Simulation插件可以完成交互[8-9]。在Multisim環(huán)境下可以調用由LabVIEW軟件提供的20種儀器，還可以運用LabVIEW實現(xiàn)自定義的虛擬儀器，并將這些儀器用在Multisim環(huán)境中。在LabVIEW環(huán)境下可以將Multisim的仿真結果導入，利用LabVIEW中的輸入控件設置仿真參數(shù)并回傳給Multisim，從而控制模擬仿真，同時利用LabVIEW分析，顯示仿真結果[10]。

2　基于LabVIEW和Multisim的模擬電路虛擬實驗平臺的構建

2.1模擬電路虛擬實驗平臺設計方案

本文提出的模擬電路虛擬仿真平臺結合教學大綱設計了單管放大電路、負反饋放大電路、運算電路、滯回比較器、方波三角波發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源等幾個實驗項目。虛擬平臺采用Lab－VIEW2011開發(fā)平臺實現(xiàn)交互界面的設計，Lab－VIEW中各個實驗項目以子VI的形式嵌入實驗系統(tǒng)中，在子VI中通過控制與仿真模塊實現(xiàn)與Multisim的聯(lián)合仿真。主界面中有相應的按鈕分別連接各子VI，通過程序控制將各個實驗項目對應的子VI載入。虛擬平臺利用Multisim12.0實現(xiàn)各實驗項目主體電路的搭建和參數(shù)的測量，通過在電路中放置LabVIEW交互接口，實現(xiàn)與LabVIEW仿真引擎之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.2主界面的設計

主界面的前面板如圖1所示。系統(tǒng)運行后點擊各實驗項目相對應的布爾按鈕即可載入相應的子VI，進行虛擬實驗測試。

圖1　主界面前面板

主界面的程序框圖如圖2所示。在While循環(huán)中添加事件結構，為每個實驗項目添加事件分支，在相應的事件分支中添加布爾按鈕和子VI。布爾按鈕觸發(fā)事件采用“值改變”方式，通過對子VI節(jié)點的設置實現(xiàn)布爾按鈕對子VI的載入控制。

2.3單管放大電路子VI設計實例

單管放大電路實驗采用阻容耦合的共發(fā)射級放大電路，主要觀察偏置電阻對靜態(tài)工作點的影響及電路參數(shù)對電壓放大倍數(shù)的影響。在Multisim中搭建的測試電路如圖3所示。電路中采用了壓控電阻，控制端口連接HB/SC接口，電路的輸入、輸出端也連接了HB/SC接口。這些HB/SC接口是LabVIEW交互接口，用以實現(xiàn)與LabVIEW之間的數(shù)據(jù)傳遞。通過LabVIEW輸入控件可以改變Multisim仿真模型中電阻的阻值，并將輸入電壓、輸出電壓返回給LabVIEW，以圖形方式顯示在前面板控件上。

圖2　主界面程序框圖

圖3　 Multisim仿真電路

單管放大電路子VI的前面板及程序框圖分別如圖4、圖5所示。為了實現(xiàn)LabVIEW與Multisim之間的交互仿真，在程序框圖中添加控制與仿真循環(huán)，配置仿真參數(shù)，然后將Multisim design VI放入仿真循環(huán)中。為各輸入端口創(chuàng)建輸入控件，系統(tǒng)運行時可通過前面板的輸入控件配置電路參數(shù)。在程序框圖中創(chuàng)建仿真時間波形函數(shù)，將Multisim design VI中的輸入、輸出電壓接口通過數(shù)組與仿真時間波形函數(shù)相連，用以實現(xiàn)輸入、輸出波形的顯示。在程序框圖中創(chuàng)建公式節(jié)點，通過數(shù)學運算實現(xiàn)對電路的直流工作點參數(shù)及電壓放大倍數(shù)的顯示。

圖4　單管放大電路前面板

圖5　單管放大電路程序框圖

圖6　函數(shù)發(fā)生器面板

圖7　失真波形

2.4實驗測試

單管放大電路工作在放大狀態(tài)的前提是設置合適的工作點。在前面板中設置電路的各項參數(shù)，設置信號源頻率為1KHz，峰值為10mV，Vcc設為12 V，Rw的阻值設為800 kΩ，Rbb'的阻值設為300 Ω，Rc的阻值設為5 kΩ，Rl的阻值設為2 kΩ，RL設為3 kΩ，三極管Ube設為0.7 V，β設為150倍。運行結果如圖4所示。在前面板中我們可以得到靜態(tài)工作點所對應的參數(shù)值及電路的電壓放大倍數(shù)，通過波形圖表可以看到對于共射電路輸入、輸出波形是反相的。我們需要注意，系統(tǒng)運行時，Multisim中的函數(shù)發(fā)生器的前面板可以顯示在LabVIEW中，我們可以在這里設置信號源的參數(shù)，如圖6所示。

當電路參數(shù)設置不合適時輸出波形會產生失真，靜態(tài)工作點設置過高時會產生飽和失真，設置過低時會產生截止失真[11]。實驗中需要觀察偏置電阻對靜態(tài)工作點的影響。在前面板中減小Rw（即減小Rb）的阻值會出現(xiàn)如圖7（a）所示的飽和失真，設置Rw的阻值為1MΩ，增大信號源電壓會出現(xiàn)如圖7（b）所示的截止失真，這與理論分析是一致的。

電路工作在放大狀態(tài)時，Rw、Rc及RL的阻值對Au均有影響。運行系統(tǒng)分別修改Rw、Rc及RL的阻值發(fā)現(xiàn)，當Rw減小（即Rb減?。rAu增大，Rc增大時Au增大，RL增大時Au也隨著增大，從而驗證了電路參數(shù)對放大倍數(shù)的影響。

3　結論

本文運用LabVIEW虛擬儀器圖形化編程軟件和Multisim電路仿真軟件創(chuàng)建了模擬電路實驗虛擬仿真平臺，通過圖形化編程的方式，可高效地仿真出實驗結果，觀察電路中的現(xiàn)象。測試結果表明，該實驗平臺運行可靠，用戶操作界面友好，可用于彌補實驗教學中場地、設備的不足，滿足學生的實驗需求，提高學生的學習熱情，并且可及時根據(jù)教學需求的變化，通過創(chuàng)建新的子VI更改實驗項目，擴展性強。該平臺還可以發(fā)布到網絡上，學生通過遠程登錄可完成實驗項目的操作，有益于提高學生學習的主動性，更好地服務于教學。

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Design of Virtual Simulation Platform of Analog Circuit Experiment Based on LabVIEW and Multisim

ZHANG Kun,QI Cui-ya,QIAO Yu
(Industry and Commerce College,Hebei University,Hebei Baoding 071002,China)

Abstract:Using LabVIEW virtual instrument graphical programming software and Multisim circuit simulation software,the simulation platform of Analog circuit experiment is created.The simulation test of the experimental project of the analog circuit is realized through the combination of LabVIEW and Multisim.The design takes examples of the main interface and the single stage amplifier circuit sub VI.The results show that the experimental platform is reliable,and the user interface is friendly.It can be used to make up the shortage of space and equipment in the experimental teaching.

Key words:LabVIEW;Multisim;combined simulation;analog circuit experiment

作者簡介：張坤（1979-），女，河北正定人，實驗師，碩士，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)應用等。

基金項目：河北大學實驗室開放項目基金資助（sy2015004）

收稿日期：2015－11－17

文章編號：1673-2022（2016）01-0055-04

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：B