基于Multisim和LabVIEW的模拟电路虚拟实验平台的设计

杨立娜+崔文华+王顺俞

摘 要：随着电子技术的迅猛发展以及相应的课程教学内容的不断更新，传统教学中的实验仪器日益暴露出一些缺点和不足，如果运用LabVIEW 虚拟仪器图形化编程平台和 Multisim 电路仿真软件，则可以在电子计算机上开发并建立虚拟仪器。本次设计将重点对线性模拟电子线路的直流分析、交流分析、瞬态分析等的实现作相关研究，最终实现《模拟电子电路》实验课的教学目标。

关键词：LabVIEW；虚拟仪器；模拟电子电路；Multisim；虚拟实验室

中图分类号：TP391.9 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2014）02-0066-04

一、引言

在中国这个正在迅速发展的社会中，由于经济水平的不断提高和科学技术的全面发展，进入高校的高素质高质量人才日益增加。全国的高校人数随着高等教育的普及正飞速上涨。随着近些年来互联网的高速发展和国家教学技术的更新，以及高等教育的改革，在高校理论教学的创新和加强的同时，实验教学也受到相当关注。实验教学尤其是在高等工科教育中起着关键的实践教学意义，只有通过理论和实践的结合，才能够培养学生的实际动手能力，深入了解理论原理，这样就更好地掌握课程基础和应用。[1]这对于提高学生实践操作能力至关重要。

目前，各类高校都存在着先进理论知识和实验方案与落后的实验器材和传统实验仪器不匹配的矛盾。而学生的大基数和仪器的紧缺也使得实验教学出现了相当大的缺陷。这使得中国实验教育落后于发达国家，严重制约着实验教学的发展和学生实践能力的提升。

近年来，在国家的大力支持下，高校为满足培养高素质人才的需求，实验教学也在不断加强，最主要的就是引进新型远程教育媒体、设计原理和新型程序设计软件来加强实验的可操作性和利用性。“虚拟实验室（virtual lab）”的概念就是由美国弗吉尼亚大学的教授威廉·沃尔夫于1989年率先提出的，它与一般的真实实验室类似，都提供了相关设备和器材供学生自己动手配置、连接、调节和使用。同时，教师也可以利用虚拟器材库中的器材自由的搭建任意可操作的实验或实验案例，使得学生和教师只要存在电子计算机和相关软件就可以进行相应的实验教学，这是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要属性。随着教学仪器的发展和高校新时期实验教学所面临的新要求，将虚拟仪器引入实验教学将成为高等学校未来教学科研的重要方法和手段。本设计就着力于制作一种可以替代传统实验室的基于电子软件的虚拟实验平台，通过构建虚拟实验平台使得学生能够经过简单的学习可以接近真实的还原传统实验操作和学习。

二、实验平台的设计思路

在模拟电子电路实验平台设计过程中，由于其中的一些电路设计存在相关计算性的问题，所以本平台采用两种仿真软件同时进行设计和运用。[2]

首先是LabVIEW的运用，由于LabVIEW的图形化设计能够很清晰地提供简单的界面和实验平台，使得LabVIEW可以在这里作为学生交互式界面的主体，学生可以在LabVIEW的前面板上设计并且组装模拟电子电路实验所需要的自定义控件并且进行仿真。

其次，通过Multisim可以方便地对模拟电路进行全方面的仿真，[3]其中的主要元件和电路都由软件自带，而且仿真真实性非常高，操作简单易懂，本实验平台主要用Multisim进行对电路的主体设计和计算，并且作为主体设计的比对，更好的对实验结果和设计结果进行分析。通过两种软件的结合，得出正确的实验结果。

三、实验平台的开发环境

美国NI 公司的LabVIEW 是世界工程界著名的虚拟仪器开发环境，设计中所采用的LabVIEW2012是一种基于图形编程语言的功能强大的开发平台，它类似于C语言和VB等编程语言开发，但是LabVIEW和其他的计算机编程语言的明显区别是：其他汇编语言基本上是采用文本类型的的语言生成代码，而LabVIEW使用的则是图形化的G语言程序编程，由此产生的程序类型和代码是以耳熟能详的框图形式呈现的。LabVIEW是利用其数据流向来辨别程序的执行方向，这个主要体现在程序框图中的不同节点间的数据流向。

LabVIEW自身设计会提供多种与传统仪器（如示波器、万用表等）相似的控件模型供用户来方便的使用创建主要界面。在软件中用户界面统称为前面板。通过其中的图标和连线可以对前面板上的主体对象进行操作和控制。采用LabVIEW 设计开发出的虚拟仪器，具有强大的数据运算和处理功能，而且仪器界面也可以做得非常逼真和美观。虚拟仪器能够进行实时的分析处理，并生动、直观地显示出数据、波形、图像和分析处理的结果，如学生对结果不满意，可以修改电路或调整电路参数，很快就能得到新的结果，使用非常方便。

Multisim软件也是由美国NI公司上世纪末研发并且出世的以Windows为蓝本的仿真工具，其主要功能是用于板间模电、数电电路板的设计和开发，主要包括了电路原理图图形键入、电路硬件描述语言输入等功能，具有丰富的仿真分析能力。Multisim以界面的形象直观、操作方便、分析功能强大、仿真优秀等优点，20世纪末在我国就已经发挥着重要的作用并且得到推崇，并作为电子信息以及工科类课程教学和实验教育的重要仿真软件之一。而在21世纪初，随着Multisim从2001发展到如今，经过不断的升级和发展，如今的Multisim已经能胜任各种主要的电路分析，如模拟电路、数字电路、高频电路、电力电子以及自动控制等主要电子电路的虚拟仿真，而且能够提供多种分析方法和报告生成方法。目前在各高校教学和实验中都普遍使用Multisim，该平台能够使得虚拟仪器技术的灵活性发展和连接到全部的电子仿真软件设计平台上，通过Multisim和虚拟仪器技术的完美结合，现今的软件仿真设计可以更加流畅的由简单的原理图设计、绘图、仿真检测，到完成报告并且制作PCB板，硬件、软件测试一体化的全程设计，大大减短了设计人员的设计时间，使得虚拟仪器发展踏出了重要的一步。endprint

四、实验平台的设计与实现

1.Multisim中的设计说明

以BJT共射级放大电路为例来介绍建立以及仿真电路原理图的基本操作。典型的BJT共射极放大电路的原理图如图1所示。

电路中用到的元件都为常用元件，其中用到的有电阻、电容、AC交流电源、接地端、Vcc电源输入端、二极管以及双踪示波器仪表。

通过建立新电路图，元件操作与调整，元件参数的设置，元件的连接和电路仿真这5步可以确定，对电路进行仿真可检验电路的工作特性，如图2所示为该电路的输入输出双踪跟踪结果仿真图。

2.LabVIEW中的设计说明

LabVIEW提供了专门的控件编辑器窗口来用以对LabVIEW的标准控件进行外观编辑。用户可以在控件编辑器中对控件各部分的大小、颜色、相对位置任意调整甚至添加文本或者导入图片等等。创建自定义控件的一般步骤是：

（1）打开控件编辑器并放入所需的标准控件；

（2）按照所需对控件外观进行编辑和定制，包括控件整体以及各个部分的颜色、大小、相对位置等等；

（3）选择主菜单中的“文件--应用改动”。应用刚才所做的改动，如果是从前面板控件上打开的控件编辑器，那么新外观会立即应用到原控件上，最后关闭控件编辑器；

（4）如果需要以后重用这个控件，则可以选择保存自定义控件文件，之后可以在控件选板中选择“选择控件”，并选择该文件可添加这个自定义空间。如图3所示为制作电阻控件的步骤图。

3.LabVIEW计算框图设计

计算框图是本次设计最重要的部分，通过对模拟电子电路实验中实验内容的理解和运用，需要利用其中的公式和求解方式在LabVIEW中体现。当然对于LabVIEW来说，对于这些较复杂的数学和逻辑过程，使用图形化的符号描述往往会显得有点繁琐，增加了代码阅读的困难程度，为了解决这个问题，LabVIEW中设计了基于文本的编程节点，统称为脚本和公式节点。

公式节点是一种结构，用于使用类似于C语言的文本代码进行编程，对于复杂的逻辑和数学运算过程的表达尤为有用。这里就以公式节点模式来完成本次设计的计算框图设计。

首先必须创建一个新的VI作为子VI，在前面板中添加设计所需要的波形图，除此之外，计算框图还需要本次设计需要显示的数据类型，如BJT共射极放大电路中需要的Av（放大系数）值和输入电阻和输出电阻，以及可以自定义所需要的数据类型，本次就为上述3个数据类型添加3个数值显示控件，并且命名为上述3个控件名称。布局设计好后前面板如图4所示。

图5所示为程序计算框图，所有计算都在一个while循环中进行，在正确进行计算的部分，即条件结构为“真”时，将输入数据和相应在公式节点上的数据输入相连，输出亦是如此。还有一步则是通过波形图表和乘法计算相连的输出Av值连接仿真信号，这样就能在波形图表中显示出输入波形Ui和输出波形Uo。

通过以上所述的自制控件组装成电路后，改变其中各个元件的数值进行程序计算。在BJT共射极放大电路中，主要是通过调节公式节点中的计算来进行的。BJT设置为β=80的情况下，通过调节Re、Rb1、R1、Rc、Rb2的值实现Av、Ri、Ro的计算。右边的波形图表则可以显示输入、输出波形的形状。如图6所示为设计完成后的前面板运行状态。

本实验平台的登录对话框和实验选择操作界面如图7和图8所示。

在设计并且正常运行整个模拟电子电路设计之后，需要把所有设计好的子VI进行封装和嵌入，从而把整个设计制作成一个统一的程序。在本次设计中，主要通过.llb格式，也就是将所有需要的Multisim应用程序和在LabVIEW的VI都存放在一个项目下，如图9所示。

五、结束语

本设计主要运用LabVIEW 虚拟仪器图形化编程软件和 Multisim 电路仿真软件在计算机上开发了一个虚拟模拟电子实验平台。在该虚拟实验平台中，学生为主要的虚拟实验室的终端用户，每个学生可以通过自己的学号和密码出入虚拟实验平台，进入平台后，学生可以通过平台中已经存在的参考电路，或者通过已经制作好的自定义控件来搭建所要进行实验的电路，之后对电路进行连接和参数设置，能够自主的对VI进行运行和仿真，在平台上可以清晰简洁的展示电路的仿真结果。该虚拟实验平台的使用是对传统实验教学模式的改革，它大大简化了实验的操作过程，节省了实验中各种仪器的使用费用，实现了实验数据的电子化，打破了传统实验室在地域空间和时间上的约束，提高了实验教学的质量。它不但为实验类课程的教学改革提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。

参考文献：

[1]杨磊.虚拟实验及其教学管理平台的设计与研究[D].西安：陕西师范大学，2006.

[2]张杰，彭祖建，李娟，盛士宽.Multism中虚拟仪器的使用方法[J].大学物理实验，2004（3）.

[3]刘君，杨晓苹，吕联荣等.Multisim 11在模拟电子技术实验中的应用[J].实验室研究与探索，2013（2）：103-106.

（编辑：鲁利瑞）endprint

四、实验平台的设计与实现

1.Multisim中的设计说明

以BJT共射级放大电路为例来介绍建立以及仿真电路原理图的基本操作。典型的BJT共射极放大电路的原理图如图1所示。

电路中用到的元件都为常用元件，其中用到的有电阻、电容、AC交流电源、接地端、Vcc电源输入端、二极管以及双踪示波器仪表。

通过建立新电路图，元件操作与调整，元件参数的设置，元件的连接和电路仿真这5步可以确定，对电路进行仿真可检验电路的工作特性，如图2所示为该电路的输入输出双踪跟踪结果仿真图。

2.LabVIEW中的设计说明

LabVIEW提供了专门的控件编辑器窗口来用以对LabVIEW的标准控件进行外观编辑。用户可以在控件编辑器中对控件各部分的大小、颜色、相对位置任意调整甚至添加文本或者导入图片等等。创建自定义控件的一般步骤是：

（1）打开控件编辑器并放入所需的标准控件；

（2）按照所需对控件外观进行编辑和定制，包括控件整体以及各个部分的颜色、大小、相对位置等等；

（3）选择主菜单中的“文件--应用改动”。应用刚才所做的改动，如果是从前面板控件上打开的控件编辑器，那么新外观会立即应用到原控件上，最后关闭控件编辑器；

（4）如果需要以后重用这个控件，则可以选择保存自定义控件文件，之后可以在控件选板中选择“选择控件”，并选择该文件可添加这个自定义空间。如图3所示为制作电阻控件的步骤图。

3.LabVIEW计算框图设计

计算框图是本次设计最重要的部分，通过对模拟电子电路实验中实验内容的理解和运用，需要利用其中的公式和求解方式在LabVIEW中体现。当然对于LabVIEW来说，对于这些较复杂的数学和逻辑过程，使用图形化的符号描述往往会显得有点繁琐，增加了代码阅读的困难程度，为了解决这个问题，LabVIEW中设计了基于文本的编程节点，统称为脚本和公式节点。

公式节点是一种结构，用于使用类似于C语言的文本代码进行编程，对于复杂的逻辑和数学运算过程的表达尤为有用。这里就以公式节点模式来完成本次设计的计算框图设计。

首先必须创建一个新的VI作为子VI，在前面板中添加设计所需要的波形图，除此之外，计算框图还需要本次设计需要显示的数据类型，如BJT共射极放大电路中需要的Av（放大系数）值和输入电阻和输出电阻，以及可以自定义所需要的数据类型，本次就为上述3个数据类型添加3个数值显示控件，并且命名为上述3个控件名称。布局设计好后前面板如图4所示。

图5所示为程序计算框图，所有计算都在一个while循环中进行，在正确进行计算的部分，即条件结构为“真”时，将输入数据和相应在公式节点上的数据输入相连，输出亦是如此。还有一步则是通过波形图表和乘法计算相连的输出Av值连接仿真信号，这样就能在波形图表中显示出输入波形Ui和输出波形Uo。

通过以上所述的自制控件组装成电路后，改变其中各个元件的数值进行程序计算。在BJT共射极放大电路中，主要是通过调节公式节点中的计算来进行的。BJT设置为β=80的情况下，通过调节Re、Rb1、R1、Rc、Rb2的值实现Av、Ri、Ro的计算。右边的波形图表则可以显示输入、输出波形的形状。如图6所示为设计完成后的前面板运行状态。

本实验平台的登录对话框和实验选择操作界面如图7和图8所示。

在设计并且正常运行整个模拟电子电路设计之后，需要把所有设计好的子VI进行封装和嵌入，从而把整个设计制作成一个统一的程序。在本次设计中，主要通过.llb格式，也就是将所有需要的Multisim应用程序和在LabVIEW的VI都存放在一个项目下，如图9所示。

五、结束语

本设计主要运用LabVIEW 虚拟仪器图形化编程软件和 Multisim 电路仿真软件在计算机上开发了一个虚拟模拟电子实验平台。在该虚拟实验平台中，学生为主要的虚拟实验室的终端用户，每个学生可以通过自己的学号和密码出入虚拟实验平台，进入平台后，学生可以通过平台中已经存在的参考电路，或者通过已经制作好的自定义控件来搭建所要进行实验的电路，之后对电路进行连接和参数设置，能够自主的对VI进行运行和仿真，在平台上可以清晰简洁的展示电路的仿真结果。该虚拟实验平台的使用是对传统实验教学模式的改革，它大大简化了实验的操作过程，节省了实验中各种仪器的使用费用，实现了实验数据的电子化，打破了传统实验室在地域空间和时间上的约束，提高了实验教学的质量。它不但为实验类课程的教学改革提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。

参考文献：

[1]杨磊.虚拟实验及其教学管理平台的设计与研究[D].西安：陕西师范大学，2006.

[2]张杰，彭祖建，李娟，盛士宽.Multism中虚拟仪器的使用方法[J].大学物理实验，2004（3）.

[3]刘君，杨晓苹，吕联荣等.Multisim 11在模拟电子技术实验中的应用[J].实验室研究与探索，2013（2）：103-106.

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四、实验平台的设计与实现

1.Multisim中的设计说明

以BJT共射级放大电路为例来介绍建立以及仿真电路原理图的基本操作。典型的BJT共射极放大电路的原理图如图1所示。

电路中用到的元件都为常用元件，其中用到的有电阻、电容、AC交流电源、接地端、Vcc电源输入端、二极管以及双踪示波器仪表。

通过建立新电路图，元件操作与调整，元件参数的设置，元件的连接和电路仿真这5步可以确定，对电路进行仿真可检验电路的工作特性，如图2所示为该电路的输入输出双踪跟踪结果仿真图。

2.LabVIEW中的设计说明

LabVIEW提供了专门的控件编辑器窗口来用以对LabVIEW的标准控件进行外观编辑。用户可以在控件编辑器中对控件各部分的大小、颜色、相对位置任意调整甚至添加文本或者导入图片等等。创建自定义控件的一般步骤是：

（1）打开控件编辑器并放入所需的标准控件；

（2）按照所需对控件外观进行编辑和定制，包括控件整体以及各个部分的颜色、大小、相对位置等等；

（3）选择主菜单中的“文件--应用改动”。应用刚才所做的改动，如果是从前面板控件上打开的控件编辑器，那么新外观会立即应用到原控件上，最后关闭控件编辑器；

（4）如果需要以后重用这个控件，则可以选择保存自定义控件文件，之后可以在控件选板中选择“选择控件”，并选择该文件可添加这个自定义空间。如图3所示为制作电阻控件的步骤图。

3.LabVIEW计算框图设计

计算框图是本次设计最重要的部分，通过对模拟电子电路实验中实验内容的理解和运用，需要利用其中的公式和求解方式在LabVIEW中体现。当然对于LabVIEW来说，对于这些较复杂的数学和逻辑过程，使用图形化的符号描述往往会显得有点繁琐，增加了代码阅读的困难程度，为了解决这个问题，LabVIEW中设计了基于文本的编程节点，统称为脚本和公式节点。

公式节点是一种结构，用于使用类似于C语言的文本代码进行编程，对于复杂的逻辑和数学运算过程的表达尤为有用。这里就以公式节点模式来完成本次设计的计算框图设计。

首先必须创建一个新的VI作为子VI，在前面板中添加设计所需要的波形图，除此之外，计算框图还需要本次设计需要显示的数据类型，如BJT共射极放大电路中需要的Av（放大系数）值和输入电阻和输出电阻，以及可以自定义所需要的数据类型，本次就为上述3个数据类型添加3个数值显示控件，并且命名为上述3个控件名称。布局设计好后前面板如图4所示。

图5所示为程序计算框图，所有计算都在一个while循环中进行，在正确进行计算的部分，即条件结构为“真”时，将输入数据和相应在公式节点上的数据输入相连，输出亦是如此。还有一步则是通过波形图表和乘法计算相连的输出Av值连接仿真信号，这样就能在波形图表中显示出输入波形Ui和输出波形Uo。

通过以上所述的自制控件组装成电路后，改变其中各个元件的数值进行程序计算。在BJT共射极放大电路中，主要是通过调节公式节点中的计算来进行的。BJT设置为β=80的情况下，通过调节Re、Rb1、R1、Rc、Rb2的值实现Av、Ri、Ro的计算。右边的波形图表则可以显示输入、输出波形的形状。如图6所示为设计完成后的前面板运行状态。

本实验平台的登录对话框和实验选择操作界面如图7和图8所示。

在设计并且正常运行整个模拟电子电路设计之后，需要把所有设计好的子VI进行封装和嵌入，从而把整个设计制作成一个统一的程序。在本次设计中，主要通过.llb格式，也就是将所有需要的Multisim应用程序和在LabVIEW的VI都存放在一个项目下，如图9所示。

五、结束语

本设计主要运用LabVIEW 虚拟仪器图形化编程软件和 Multisim 电路仿真软件在计算机上开发了一个虚拟模拟电子实验平台。在该虚拟实验平台中，学生为主要的虚拟实验室的终端用户，每个学生可以通过自己的学号和密码出入虚拟实验平台，进入平台后，学生可以通过平台中已经存在的参考电路，或者通过已经制作好的自定义控件来搭建所要进行实验的电路，之后对电路进行连接和参数设置，能够自主的对VI进行运行和仿真，在平台上可以清晰简洁的展示电路的仿真结果。该虚拟实验平台的使用是对传统实验教学模式的改革，它大大简化了实验的操作过程，节省了实验中各种仪器的使用费用，实现了实验数据的电子化，打破了传统实验室在地域空间和时间上的约束，提高了实验教学的质量。它不但为实验类课程的教学改革提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。

参考文献：

[1]杨磊.虚拟实验及其教学管理平台的设计与研究[D].西安：陕西师范大学，2006.

[2]张杰，彭祖建，李娟，盛士宽.Multism中虚拟仪器的使用方法[J].大学物理实验，2004（3）.

[3]刘君，杨晓苹，吕联荣等.Multisim 11在模拟电子技术实验中的应用[J].实验室研究与探索，2013（2）：103-106.

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