基于LabVIEW与Multisim的电路实验平台设计

刘伟玲，杨彩双，杨泽青，王泽华

（河北工业大学 机械工程学院，天津 300000）

对于电子类专业的学生来说，数字电子技术与模拟电子技术是两门对动手能力和实践思维要求很强的专业课，偏重工程应用，较少研究纯理论性的问题。LabVIEW是一个以图形化语言G语言为基础的编程软件，用户可以按照自己的需求方便地搭建属于自己的仪器。网络技术和虚拟仪器技术结合所建立的基于因特网的实验搭建、电路仿真、远程操作的平台能将模拟电路实验与数字电路实验的数据采集到服务器内并进行测量与处理，因此通过Multisim的完善的电路仿真功能与LabVIEW强大的数据处理能力相结合，利用网络技术搭建B/S结构的仿真类实验平台[1-2]，能将结果发送到远程的Web界面上形成网上实验，使实验摆脱了时间与空间的制约，提高了设备利用率，也激发了同学们亲自参与实验、自主学习的热情。

1 实验平台总体设计实现

ELVIS实验平台是一款开放性的实验平台，可以结合NI Multisim进行数据采集与仿真环境，实现对板载电路的测量与仿真。学生可以利用Multsim进行3D仿真电路图的绘制并进行连通性验证，然后在ELVIS实验平台上搭建实验电路。由于ELVIS具有丰富的资源和可更换的原型设计板，学生们可以根据需要变更电路原件的参数，既加深了对实验的理解，也培养了动手实践能力。NI DAQ设备的另一个优点就是远程访问技术，利用RDA（remote device access）技术可以将DAQ设备放到网络上进行共享，即在搭建完成硬件后，学生们可以共享实验结果与实验数据，并且可以和在本地控制设备一样地在网络上对DAQ设备进行控制，提高了设备的利用率。实验平台整体结构如图1所示。

图1 整体结构Fig.1 Overall structure

1.1 Multisim电路设计与仿真流程

Multisim是美国国家仪器公司推出的一款电路仿真软件，可以进行电路原理图的绘制，拥有强大的仿真能力与电路分析能力。Multisim利用软件给客户提供与真实器件参数一致的元件库和仿真虚拟仪器进行各种数字电路与模拟电路的设计和仿真，基于Multisim的实验研究流程[3]如图2所示。

图2 基于Multisim的实验研究方法流程Fig.2 Flow chart experimental research methods based on Multisim

1.2 LabVIEW与Multisim联合仿真

虚拟实验模块设计了模拟实验和数字实验两大类型的实验模块[4]。通过在绘制好的Multisim电路中插入LabVIEW-Multisim联合仿真端子，可实现在仿真过程中修改电路参数，且可以在LabVIEW的前面板中自定义控件，显示更加直观。LabVIEW软件在数据的处理、采样与保存上有着很强大的功能。利用NI的仿真与控制模块和Multisim的HS/BC接口将LabVIEW与Multisim电路结合起来。可以实现在仿真的过程中修改电路元件的参数，观察到电路的各种不同的情况。

1.3 模拟电路实验模块设计

为了更好地配合教材，选择搭建运算放大电路、基本共射级放大电路、全桥滤波电路、电流源这4个包括信号产生、信号放大、信号处理与传输过程的实验，使学生全面了解模拟电路的脉络，把握课程的重点。下面以同相比例运算放大实验为例讲述建立过程。

同相比例运算放大实验通过例子使同学们明白集成运算放大器的使用方法和“虚短”、“虚断”的概念，熟练掌握比例运算放大电路的计算。同相运算放大电路与反相运算放大电路的差别在于信号输入端的不同，分别实现信号的同相比例和反相比例放大。图3所示的电路分别为同相比例电路和反相比例电路的一般形式。Ui是输入的正弦信号，Uo是输出的正弦信号，RF是反馈电阻，R1是同相输入端的电阻，R2是反相输入端的电阻。

图3 比例运算电路Fig.3 Proportional calculation circuit

由于采用的运算放大器是理想放大器，所以不存在非线性的失真情况。利用“虚假短路”和“虚假断路”的知识可以推导出同相比例运算电路和反相比例运算电路的输入和输出电压的关系：

在Multisim中搭建图3的比例运算电路，并添加LabVIEW交互接口来实现和LabVIEW之间数据的交流。添加HB/SC接口之后的比例运算放大电路[5]如图4所示，其中输入端子通过与LabVIEW的输入控件进行连接，为比例运算提供输入电压与工作电压，输出端子可以与LabVIEW中的输出控件进行连接，如接波形图显示控件与数值显示控件，当启动仿真以后，通过修改相关电阻的大小来修改电路的放大系数，也可以修改比例运算放大电路输入电压的大小，输出电压的波形可以在波形图中进行直观的观察。

图4 同相比例运算仿真电路Fig.4 Same proportional calculation circuit

建立新的VI，将Multisim Design拖入到控制与仿真循环中，修改仿真时间参数，设计前面板的输入与显示控件，点击运行按钮，观察到的前面板[6]如图5所示，可以看到输入电压波形与输出电压波形2条曲线，电压的放大倍数与推导的公式完全一致，从而验证了前文的推导结果。

图5 仿真电路前面板Fig.5 Front panel of emulation circuit

1.4 数字电路实验模块设计

数字电路具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称为数字逻辑电路。存储器是用来存储二进制数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。下面通过奇偶校验电路、优先编码器、38译码器、六进制计数电路这4个由浅入深的实验来介绍这2种数字电路，首先以计数器为例讲述搭建过程。

实验选择异步清零二一五进制计数器74LS90，外形为双列直插，计数脉冲由单次脉冲源提供，如果从CP2端输入，从Q3，Q2，Q1输出，则是异步五进制加法计数器，芯片的管脚图与功能表如图6和表1所示。按照管脚图所示接好外围的线路，就可以进行仿真实验[7]，在A输入接入开关，当每次按下开关并断开时代表一个计数脉冲，输出接入LED，通过观察LED灯亮的状态来观察实验的现象。经过实验发现74LS90芯片的输出是从0到5的循环，当到5后在按下开关时，输出全为0，即输出一共有6个状态，实现了6进制计数功能。

表1 74LS90功能表Tab.1 Function table of 74LS90

图6 74LS90管脚图Fig.6 74LS90 pin map

由功能表可知74LS90实现任意模数计数器的方法是反馈归零法，当74LS90的MR1与MR2管脚同时置1时，可以实现异步清零。六进制是从0000到0110，所以当计数值为0110时，利用中间的计数器异步清零，然后重新从0000开始计数就可以实现六进制计数器的功能，LabVIEW仿真实验的前面板如图7所示。按下计数按钮，数码管的数值从0增长到5后又回到0，实现了六进制计数的功能。

图7 六进制计数器实验前面板Fig.7 Experience front panel of hex counter

在利用LabVIEW进行电路仿真之后，虽然得到了实验数据，但是这是建立在虚拟元器件的基础之上的，要想获得真实的实验数据，就需要搭建真实的实验电路。以NI ELVIS为核心的电路硬件平台结合Multisim的电路，利用Multiism的3D仿真连线功能绘制出3D电路图[8]，搭建仿真电路检查连通性无误后就可在ELVIS上进行硬件的连线搭建对应的电路，从而验证仿真的结果。

1.5 实验平台远程监控模块

为了提高实验平台安全性和降低人工巡检的成本，保证实验平台服务器和ELVIS实验平台的安全，同时又不能增加相应的人力成本，开发了基于LabVIEW的远程监控系统。利用传感器与测量技术结合LabVIEW的视频采集功能开发了远程监控平台，实现了视频监控、温度测量和烟雾报警功能[9]。

1.6 实验报告提交模块

在本科的实验教学环节中，完成课后的实验报告一直是不可或缺的。然而，大部分学校的提交报告的方式仍然是提交纸质版的报告，难于实现统一的管理。为此，本实验平台在LabVIEW的Web服务器的基础上搭建了FTP服务器，用于实现对实验报告的提交和管理[11]。为了方便进行用户管理和维护服务器，选用Serv-U软件，其用户界面符合Windows的标准亲切友好，支持实时的多用户连接，可通过LabVIEW的用于执行系统命令的System Exec子VI调用执行。

1.7 远程Web访问

通过利用Web发布和动态调用远程前面板来实现实验系统的VI发布功能，即登录页面通过加载到内存中的形式发布到Web服务器中，当用户输入URL时即可进入登录页面，当输入正确的用户名与密码时，会响应远程前面板连接，实验室环境界面就会弹出，通过动态调用远程前面板可以使相应的实验VI在需要时调用并加载到内存中，当实验结束时调用结束又会释放一部分的内存，节省了内存的消耗与占用。

2 结语

基于Multisim与LabVIEW的电路仿真实验平台，实时性得到了提高，界面也更加友好，加快了对电路模型的验证，弥补了高校实验教学场地的不足，实现了用户登录界面的设计、文件服务器系统的搭建和VI程序的远程发布，实现了远程实验的功能[11]。LabVIEW具有强大的网络功能，除了与Multisim软件进行联合仿真开发电路实验外，还可以用于远程单片机实验。系统今后还可以增加FPGA模块用于实现不同种类硬件实验平台的切换，还可以进行网络结构的优化从而实现多人同时进行实验。

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