LabVIEW在模拟电路课程教学中的应用-以负反馈放大电路为例

李燕龙 蔡春晓 周 巍

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

LabVIEW在模拟电路课程教学中的应用-以负反馈放大电路为例

李燕龙 蔡春晓 周 巍

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

基于LabVIEW仿真了模拟电子电路实验中的负反馈放大电路，通过信号发生器给电路提供信号源，利用数据采集卡采集电路输出信号，然后用 LabVIEW 显示分析处理了采集信号，并计算了电路的静态工作点。对其中的数据采集部分设计了两种方案，利用GDS-3152数字示波器结合LabVIEW和经济实惠的Microchip数据采集卡对电路的输出波形分别进行采集分析，通过比较两者的优缺点选择出了GDS-3152数字示波器结合LabVIEW的方案进行仿真设计，结果显示仿真效果较好。

虚拟仪器；Labview；教学实验；模拟电路

虚拟仪器是把真实的仪器搬到计算机桌面上，用户根据自己的需要在软件界面设计自己想要的功能。用户通过鼠标和键盘来代替真实仪器的按钮，从而达到测试和测量的目的。虚拟仪器具有性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集成四大优势[1]。LabVIEW作为一种虚拟仪器，利用图形化的编程语言产生的程序框图直观，能实现设计仪器的应用操作，现在已经被广泛使用[2,3]。

利用LabVIEW实现模拟电路课程教学，可以随时使学生应用仪器对实验进行操作，真正做到理论与实践结合的授课方式，实现一边上课一边操作实验，学生能现场操作仪器，立即检验理论知识，强化了教学效果。学生还可以利用课余时间反复操作仪器，老师就不用担心仪器被破坏了或者担心安全问题。LabVIEW虚拟实验能够复现电子技术实验室的内容，可以实时监测实验的动态情况和实现原理，为学生们提供大量的实验机会，对实现理论与实践相结合有很大的帮助，不仅能提高学生的创新能力，而且还节约成本，不断的更新换代，加上目前计算机的普及，实现现场设计仿真比较方便。模拟电子技术实验是电子类专业非常重要的基础课程，因此在模拟电路课程教学中有重要意义[4]。

1 负反馈放大电路介绍

反馈放大电路由基本放大电路、反馈支路和比较环节组成。负反馈的用途很广，在电子线路的应用中，对改进放大电路的性能起到很重要的作用。放大器中的负反馈就是把基本放大电路输出量的一部分或全部按一定的方式送回到输入回路，来影响净输入，对放大电路起自动调整作用，使输出量趋向于维持稳定。负反馈在电子电路中有着非常广泛的应用，虽然它使放大器的放大倍数降低，但能在多反面改善放大器的动态指标，如稳定放大倍数，改变输入、输出电阻，减少非线性失真和展宽通频带等。因此，几乎所有使用的放大器都带有负反馈[5]。

本文是基于两级共射放大电路引入电压串联负反馈来分析的。下图为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路，当A、B相连接时，在电路中通过把输出电压uo引回到输入端，加在晶体管是的发射极上，在发射极电阻上形成反馈电压fu，电路图如图1所示。

图1　负反馈原理图

（1）负反馈可使放大电路的增益下降，负反馈放大电路的闭环电压放大倍数Avf与开环电压放大倍数Av之间的关系为：

式(1)中，Fv是反馈系数；

引入负反馈后，电压放大倍数Avf比没有负反馈时的电压放大倍数Av降低了（1+AvFv)倍，并且1+AvFv越大，放大倍数降低越多。

（2）负反馈可提高增益的稳定性，当环境或者元件参数发生变化时，会引起放大器增益变动，可以用增益的相对变化量来评价放大电路增益的稳定性。引入开环放大倍数的相对变化量ΔA/A来描述开环放大倍数的程度，其中ΔA表示各种原因引起的放大电路开环放大倍数的变化量，该变化量除以放大倍数，即为开环放大倍数的相对变化量，如式(3)。ΔA/A越小就表示放大倍数越稳定。同理，ΔAf/Af反映闭环放大倍数的稳定性。

上式表明，负反馈放大电路闭环放大倍数的不稳定程度ΔAf/Af是开环放大倍数不稳定程度ΔA/A的1/(1+AF）倍，也就是说，有各种原因引起开环放大倍数产生ΔA/A的相对变化量时，引入负反馈后闭环放大倍数的相对变化量时，引入负反馈后闭环放大倍数的相对变化量ΔAf/Af将减少到前者的1/（1+AF），这将明显提高放大倍数的稳定性。

（3）串联负反馈电路对输入电阻输出电路的影响，放大电路引入负反馈后，其输入输出电阻也随之变化。不同类型的反馈对输入、输出电阻的影响个不相同，因此，在放大电路设计时可以选择不同类型的负反馈以满足对于输入、输出电阻的不同需要。凡属于串联负反馈电路，其输入电阻都会增加，增加的程度与反馈深度与（1+AvFv）有关：

凡属于电压负反馈电路，其输出电阻都减少，减少的程度与反馈深度（1+AvFv)有关：

2 基于LabVIEW的负反馈电路设计与实现

（1）GDS-3152与 Microchip数据采集卡的比较

GDS-3152系列采用VPO(Visual Persistence Oscilloscope)信号处理技术，以高速波型更新率以及多层次余晖显示来提高波型显示能力的效能。Microchip采集基于 USB 通信控制的多功能数据采集卡，集成了直流电压量，TTL 输出，TTL 输入，以及 PWM 或可编程直流电压信号输出模块，可用于产品自动化测试，工业现场监测与控制、高等院校科研与教学等多种领域。

如图2、3所示，从图形的采集来看，利用GDS-3152数字示波器所采集到的波形比 Microchip数据采集卡采集到的波形更为平滑[6]。处理数据的速度方面GDS-3152数字示波器对数据的处理是其他区普通采集卡无法达到的。Microchip数据采集卡所采集到的波形不能把负电压在波形显示控件上显示出来，必须依赖直流偏置才能把整个波形显示出来。但是从经济性来看，GDS-3152数字示波器比较昂贵，用于做普通的波形测试有点浪费，Microchip数据采集卡携带方便。通过比较两者的优缺点本文选择 GDS-3152数字示波器结合LabVIEW的方案进行后续仿真设计。

图2　Microchip数据采集卡采集的波形

图3　GDS-3152数字示波器采集的波形

（2）基于LabVIEW的负反馈放大电路实现

按照负反馈放大电路的电路参数，分别把他们输入到labVIEW的输入控件中，labVIEW的背面板照电路图编写有计算电路静态工作点的程序流程图。当运行仿真的时候，labVIEW 就会按要求计算出静态工作点和动态工作点。前面板的设计如图 4所示，后面板的示波器采集部分使用双通道采集VI[7,8]。

图4　负反馈前面板设计图

3 基于 labVIEW 的负反馈电路结果分析

由图5和图6可以看出，第一级的输出幅值比第二级的输出的幅值要小，验证了晶体管对电路具有放大作用。由图7和图8所示当电路中存在负反馈时，电路输出的波形比较稳定，虽然使电路的放大倍数下降了，但是能换取其他性能的改善。例如提高放大倍数的稳定性、扩展通频带、减少非线性失真等。当没有负反馈时电路中输出的波形有较大的噪声干扰，导致波形有毛刺。由于晶体管是非线性器件，在输入信号较大时，将引起基极电流波形的失真，从而使放大电路输出的波形也产生失真。引入负反馈后，由于反馈网络是线性网络（通常由电阻组成），不会引起失真，所以取自输出信号的反馈信号，将大大减少非线性失真[9]。

图5　负反馈第一级输出波形图

图6　负反馈第二级输出波形图

图7　有负反馈输出波形图

图8　无负反馈输出波形图

4 结束语

模拟电子电路时电子类专业必不可少的课程，理论与实验的相结合也正是现在需要探讨的教学方法。利用 labVIEW建立模拟电子电路实验仿真平台，减少了调试仪器的时间，更能直观的分析结果。应用虚拟仪器技术构建的采集、分析系统，降低了测试成本，提高了工作效率，增强了系统的灵活性，提升了教学效率。

[1] 柴慧霞,程珩,薛松.虚拟仪器浅析[J].机械管理开发,2008, 4(4):172-173.

[2] 陈国顺,张桐.精通LabVIEW程序设计[M].北京:电子工业出版社,2012.

[3] 王海宝.LabVIEW 虚拟仪器程序设计与应用[M].成都:西南交通大学出版社,2005:48-52.

[4] 周井玲,蔡文.基于 LabVIEW 的教学实验研究[J].南通工学院学报(自然科学版),2004,(3):88-90.

[5] 唐辉平,彭良玉.基于LabVIEW的模拟电路实验教学平台设计[J].现代电子技术,2013,(12):145-147.

[6] 固纬电子发表GDS-3000系列数字示波器[J].电子测量技术,2010,(10):116-119.

[7] 陈树学.LabVIEW 实用工具详解[M].北京:电子工业出版社,2014.

[8] 江晓安,董秀峰.模拟电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008:176-178.

[9] 夏锴,肖东.基于 LabVIEW 的基本放大器分析仪设计[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2011,(1):148-150.

Application of LabVIEW in Analog Circuit Course Teaching - A case study of negative feedback amplifier

Based on LabVIEW,the paper does simulation of analog electronic circuit experiment of negative feedback amplifier. The circuit signal source is provided by the signal generator. It uses data acquisition card to gather circuit output signal, and use the LabVIEW to display signal analysis and processing of the collection. Then, calculate the static operating point of the circuit. For the part of data collection, the paper designes two programs, the use of GDS-3152 Digital Oscilloscope combine LabVIEW and relatively affordable Microchip data acquisition card circuit collect output waveform and analysis were carried out respectively. By comparing the advantages and disadvantages, the program of GDS -3152 LabVIEW combining digital oscilloscope is selected to do simulation design and simulation results show better. Finally, the Web of LabVIEW is designed and the installation applications is generated. It facilitates distance learning and applications.

Visual instruments; Labview; teaching experiment; analog circuits

TP273

A

1008-1151(2015)07-0133-03

2015-06-10

桂林电子科技大学教育教学改革项目“基于LabVIEW的模拟电子技术虚拟仿真实验平台”（ZL2842）；桂林电子科技大学教育教学改革项目“针对电子认知实习现场型教学改革与实施”（JGB201529）。

李燕龙（1989－），男，桂林电子科技大学助教，硕士研究生，研究方向为无线宽带通信、信号处理。