基于Multisim和LabVIEW的比例运算电路联合仿真

黄奇瑞

（南阳理工学院电子与电气工程学院,河南南阳,473004）

基于Multisim和LabVIEW的比例运算电路联合仿真

黄奇瑞

（南阳理工学院电子与电气工程学院,河南南阳,473004）

针对Multisim电路仿真功能强大但实时性差和界面不够直观的缺点，利用 LabVIEW 与 Multisim 的模数联合仿真功能，设计了比例运算电路的实验仿真平台。该仿真平台操作简单、界面直观、易学易用，可以实时地对比例运算电路进行仿真、测试和验证，有效地缩短了实验时间、提高了实验效率，对类似电路的仿真实验具有重要的借鉴意义。

Multisim;LabVIEW;比例运算电路;联合仿真;仿真实验

0 引言

利用仿真软件对电子电路进行分析和仿真是电子工程师设计电路的主要手段之一，也是电子产品开发设计的重要步骤。设计人员通过仿真软件可以分析电路元件的参数和电路的原理结构，预估电路的工作结果。因此，仿真是工业设计和实际应用之间的一个桥梁，通过仿真能够使设计人员提前对电路进行检查，排除存在的缺陷和隐患，从而缩短设计周期，提高产品设计的成功率，同时也可以减少设计成本。

LabVIEW 中的“控制设计与仿真” 模块能方便地实现控制系统的数值仿真和计算，同时利用LabVIEW Multisim Co-Simulation插件能实现对 Multisim 仿真电路的实时控制。 因此，本文应用虚拟仪器软件NI LabVIEW 2011，结合电路仿真软件 NI Multisim 12.0，仿真和测试了同相和反相比例运算电路。

1 Multisim和LabVIEW介绍

美国NI公司的Multisim 是一款优秀的电路设计与仿真软件，利用其提供的仿真虚拟仪器、标准的实际元器件库和RF库等，能满足各种需求的板级的模拟/数字电路的设计、分析和仿真工作，通过仿真电路的实际运行情况，不仅大大提高了电子设计的工作效率，而且避免了设备条件的限制、减小了各种物质的消耗。Multisim 目前已被很多高校用于“电工技术”、“电子技术”及“电路分析”等课程的教学和实验中。学习者可以利用该工具将在书中学到的理论知识和自己的想法随时用计算机进行仿真和真实再现，极大地提高了学习和实验效率，对提高实践和创新能力有很好的促进作用。

LabVIEW同样是美国NI公司开发的一种功能强大的基于图形编程语言(G语言)的虚拟仪器开发环境，目前在工程领域非常流行。LabVIEW和传统的编程语言不同，其利用各种图形化的符号、图标进行编程，采用流程图作为一个编程问题的图形化解决方案。LabVIEW提供了一个友好的图形化人机界面，在其前面板上给设计人员提供了大量的开关、旋钮、仪表盘、指示灯、波形图等，非常直观形象。作为后台提供源代码的程序框图则具有强大的数据运算及处理功能，能够实现信号采集、信号传递、信号运算和处理、波形图显示和数据结果输出等多种功能，可以方便的替代实际实验中的信号发生器、电流表、电压表及示波器等仪器设备。利用LabVIEW作为开发工具设计出的虚拟仪器，不但具备强大的实验功能，其用户界面也能够做得非常友好和美观，便于实验操作。

2 比例运算电路联合仿真平台的构建

随着 Multisim和LabVIEW 软件版本的不断更新，最新的软件版本已经实现了两者部分功能的集成，以便充分发挥两个软件各自的优点。LabVIEW 与 Multisim 之间可以实现原始数据的直接交换和联合仿真，非常方便和快捷。LabVIEW可以实际采集或者利用LabVIEW SignalExpress来产生仿真数据，这些仿真数据可以作为Multisim 环境下电路分析和测试时的数据来源。

比例运算电路是以集成运算放大器为核心元件构成的，根据信号输入端的不同，可以分为同相比例运算电路和反相比例运算电路，分别实现信号的同相和反相比例放大。图1所示电路分别是同相和反相比例运算电路的一般形式，其中，Ui为输入信号，Uo为输出信号，RF为反馈电阻，R1为同相输入端电阻，R2为反相输入端电阻。

图1 比例运算电路

假设集成运放均为理想运放，利用“虚短路”、“虚断路”和“节点电流法”可以分别推导出同相和反相比例运算电路各自的输入、输出电压关系：(1)同相比例运算为Uo=(1+RF/R)Ui;反相比例运算为Uo=-(RF/R)Ui。由此可知，同相和反相比例运算电路的输入、输出电压关系式虽然不同，但都与电路反相输入端的电阻R2无关.

为了更直观的表现比例运算电路输入与输出之间的线性放大关系，可以在multisim中搭建仿真电路，通过其自带的虚拟示波器来观测输入与输出之间的波形。但是这种仿真方式有一个很大的缺陷就是在仿真的过程中，不能实时的对电路的输入波形或者电阻进行调节，这些参数每调整一次，都需要先中断仿真，然后调整好参数后重新进行仿真，实时性比较差，仿真的效率很低。为此，本文在multisim仿真电路中添加LabVIEW交互接口，用以和LabVIEW仿真引擎之间进行数据收发，实现实时联动仿真。这些Multisim中的接口是“分级模块(Hierarchical Block)和子电路(Sub-Circuit)接口”(HB/SC)。添加了HB/SC接口之后的比例运算电路如图2和图3所示。

图2 同相比例运算仿真电路

图3 反相比例运算仿真电路

在图2和图3中电阻RI、R2、RF分别选用三个压控电阻，可以通过调节对应的输入电压来调节其阻值的大小；HB/SC接口IO1为输入信号，IO2为输出信号，分别接LabVIEW中的图形显示控件，用以显示输入和输出波形；HB/SC接口IO3、IO4、IO5分别为压控电阻的电压输入端，分别接LabVIEW中的数值输入控件，其输入的数值作为模拟的电压值，用来调节对应电阻的阻值大小。HB/SC接口需要在multisim的“LabVIEW Cosimulation Terminals窗口”中进行配置，设置每个接口为输入或者输出、电压型或者电流型。

要在LabVIEW和Multisim之间实现数据的传递，首先需要在LabVIEW的程序框图中使用“控制与仿真循环”(Control & Simulation Loop)创建一个控制器。然后在函数选板中找到“Multisim Design VI”控件，将其拖放到控制与仿真循环中，此时会自动弹出一个文件选择对话框，通过对话框设置好在Muhisim中创建的比例运算电路的文件路径。Multisim Design VI放置好后，会生成与Multisim中电路对应的接线端，接线端具有相对应的输入与输出。为了实现向Multisim中的电路传递数据，需要在LabVIEW的前面板上给每个输入接线端创建一个数值输入控件，为了通过LabVIEW显示输出波形，同时需要在前面板上创建一个“波型图表” 控件，将其和输出接线端相连。本设计为了方便对比输入和输出波形，将输入信号和输出信号共同送进“波型图表” 控件进行显示。在LabVmW中创建的控制器的最终程序框图如图4所示，其对应的前面板如图5所示（以同相比例运算电路为例）。

4 仿真与分析

点击LabVIEW工具栏中的运行按钮即可进行与Multisim的联合仿真。此时并不需要打开Multisim仿真电路，在开始运行几秒钟之后在LabVIEW后台会自动运行Multisim仿真程序，实现两者之间的数据通讯和联合仿真。在仿真的过程中可以实时调整输入波形的参数，包括幅值和频率，调整之后电路的输出波形会实时的随着输入波形的变化而改变。同时还可以实时调整电路中的电阻R1和RF的阻值，以此改变电路的电压放大倍数并实时显示在前面板上，并可以从输出波形上得到验证。如图5所示，当R1=10 KΩ，RF=20 KΩ时，同相比例运算的放大倍数为3，此时输入波形的幅值为3，从仿真面板上可以看出，输出波形的幅值为9，刚好为输入波形的3倍。当调节R1和RF使电压放大倍数达到一定的值之后，输出波形会产生失真，如图6所示。除此之外，还可以通过调节电阻R2的阻值来观察输出波形的变化，通过仿真结果可知，R2阻值的改变不会引起输出波形的变化。

图4 同相比例运算程序框图

图5 仿真电路前面板

图6 输出失真的波形

4 结语

本文基于Multisim和LabVIEW搭建了比例运算电路的联合仿真实验平台。首先在Multisim中构建比例运算的仿真电路，然后通过LabVIEW产生输入信号并送入Multisim电路进行仿真运算，最后再将仿真结果回传给LabVIEW，并在LabVIEW前面板的显示控件中进行显示。电路的输入信号和电阻值等参数可以由 LabVIEW 前面板上的对应控件实时进行改变，同时改变后电路的输出结果也能实时反馈到显示控件上。相对于单纯利用Multisim进行电路仿真，其具有更好的实时性和更友好的界面，能够加快对电路模型的验证，极大的提高实验效率。

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The co-simulation of scaling circuits based on Multisim and LabVIEW

Huang Qirui
(School of Electronic and Electrical Engineering,Nanyang Institute of Technology,Nanyang,473004, China)

Aimed at the disadvantage of Multisim which has a powerful circuit emulation, that it has poor real-time capability and its interface is not intuitive enough,the simulation platform of scaling circuit is designed by using the modulus co-simulation capabilities of LabVIEW and Multisim.This simulation platform is easy to operate,has an intuitive interface and is easy to learn and to use,which could simulate,test and verify the scaling circuit in real time.This simulation platform could shorten the test time effectively and improve the efficiency of experiments,which has guidance and reference significance for similar simulation experiments of circuits.

Multisim;LabVIEW;scaling circuits;co-simulation;simulation experiments

黄奇瑞(1985-)，男，硕士，助教，主要研究方向：电子技术，数字图像处理，模式识别。