基于LabVIEW和Multisim的模拟电路实验虚拟仿真平台的设计

张　坤，秦翠亚，乔　宇（河北大学工商学院，河北保定071002）



基于LabVIEW和Multisim的模拟电路实验虚拟仿真平台的设计

张坤，秦翠亚，乔宇
（河北大学工商学院，河北保定071002）

摘要：运用LabVIEW虚拟仪器图形化编程软件和Multisim电路仿真软件创建了模拟电路实验虚拟仿真平台。通过LabVIEW与Multisim联合仿真的方法实现模拟电路实验项目的仿真测试，给出了主界面及单级放大电路子VI的设计实例，并进行了实验测试。结果表明，该实验平台运行可靠，用户操作界面友好，可用于弥补实验教学中场地、设备的不足，满足学生的实验需求，提高学生的学习热情。

关键词：LabVIEW；Multisim；联合仿真；模拟电路实验

0　引言

模拟电路是培养电子信息类应用型人才硬件能力的一门重要的专业基础课程，其工程性和实践性都很强[1-2]。模拟电路实验是巩固和加深理解模拟电路理论、提高分析问题和解决实际问题能力的重要手段。学生通过实验课程的学习，不仅可以理解常用电子元器件参数，还可以通过熟悉电子技术基础的实验原理，学会读基本电路图，增强分析电路功能的能力，从而进一步巩固课堂教学的理论知识，培养学生自主学习的能力。目前，随着高等教育的普及，各高校都存在着学生基数大、仪器设备相对紧缺和实验课时不足的问题，严重制约着实验教学的发展和学生实践能力的提升。由于场地和课时的限制，学生课上只是机械地完成操作，缺乏思考的空间和时间，以至于对部分实验内容的理解不够充分，不利于更深层次的学习和提高。近年来，随着虚拟仪器技术和现场总线技术的发展，虚拟实验系统应运而生。将虚拟实验系统应用于实验教学能较好地解决仪器和场地不足的问题，满足学生的实验需求，并将在远程教育中发挥独特的优势。

1　虚拟实验系统开发环境

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering workbench）是美国国家仪器公司（NI）专门为开发虚拟仪器应用软件而设计的图形化编程环境[3-4]。它提供很多外观与传统仪器（如示波器、信号源）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。使用图标和连线，可以通过编程对界面上的对象进行控制，实现数据的运算和处理。采用Lab－VIEW开发的虚拟实验系统，通过输入控件实现对电路参数的调整，并生动、直观地显示出数据、波形和分析处理的结果。

Multisim是NI推出的以Windows为基础的仿真工具，包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力[5-6]。Multisim为用户提供了一个良好的集成化仿真环境，选用的元器件和测量工具切合实际，元器件及仪器、仪表以图标存在，调用方便，可以边设计边仿真，使得设计与实验得以同步进行[7]，无需消耗实际元器件和仪器，实验成本低，速度快。

LabVIEW和Multisim允许在系统层面上进行联合设计，两者通过Co-Simulation插件可以完成交互[8-9]。在Multisim环境下可以调用由LabVIEW软件提供的20种仪器，还可以运用LabVIEW实现自定义的虚拟仪器，并将这些仪器用在Multisim环境中。在LabVIEW环境下可以将Multisim的仿真结果导入，利用LabVIEW中的输入控件设置仿真参数并回传给Multisim，从而控制模拟仿真，同时利用LabVIEW分析，显示仿真结果[10]。

2　基于LabVIEW和Multisim的模拟电路虚拟实验平台的构建

2.1模拟电路虚拟实验平台设计方案

本文提出的模拟电路虚拟仿真平台结合教学大纲设计了单管放大电路、负反馈放大电路、运算电路、滞回比较器、方波三角波发生器、直流稳压电源等几个实验项目。虚拟平台采用Lab－VIEW2011开发平台实现交互界面的设计，Lab－VIEW中各个实验项目以子VI的形式嵌入实验系统中，在子VI中通过控制与仿真模块实现与Multisim的联合仿真。主界面中有相应的按钮分别连接各子VI，通过程序控制将各个实验项目对应的子VI载入。虚拟平台利用Multisim12.0实现各实验项目主体电路的搭建和参数的测量，通过在电路中放置LabVIEW交互接口，实现与LabVIEW仿真引擎之间的数据收发。

2.2主界面的设计

主界面的前面板如图1所示。系统运行后点击各实验项目相对应的布尔按钮即可载入相应的子VI，进行虚拟实验测试。

图1　主界面前面板

主界面的程序框图如图2所示。在While循环中添加事件结构，为每个实验项目添加事件分支，在相应的事件分支中添加布尔按钮和子VI。布尔按钮触发事件采用“值改变”方式，通过对子VI节点的设置实现布尔按钮对子VI的载入控制。

2.3单管放大电路子VI设计实例

单管放大电路实验采用阻容耦合的共发射级放大电路，主要观察偏置电阻对静态工作点的影响及电路参数对电压放大倍数的影响。在Multisim中搭建的测试电路如图3所示。电路中采用了压控电阻，控制端口连接HB/SC接口，电路的输入、输出端也连接了HB/SC接口。这些HB/SC接口是LabVIEW交互接口，用以实现与LabVIEW之间的数据传递。通过LabVIEW输入控件可以改变Multisim仿真模型中电阻的阻值，并将输入电压、输出电压返回给LabVIEW，以图形方式显示在前面板控件上。

图2　主界面程序框图

图3　 Multisim仿真电路

单管放大电路子VI的前面板及程序框图分别如图4、图5所示。为了实现LabVIEW与Multisim之间的交互仿真，在程序框图中添加控制与仿真循环，配置仿真参数，然后将Multisim design VI放入仿真循环中。为各输入端口创建输入控件，系统运行时可通过前面板的输入控件配置电路参数。在程序框图中创建仿真时间波形函数，将Multisim design VI中的输入、输出电压接口通过数组与仿真时间波形函数相连，用以实现输入、输出波形的显示。在程序框图中创建公式节点，通过数学运算实现对电路的直流工作点参数及电压放大倍数的显示。

图4　单管放大电路前面板

图5　单管放大电路程序框图

图6　函数发生器面板

图7　失真波形

2.4实验测试

单管放大电路工作在放大状态的前提是设置合适的工作点。在前面板中设置电路的各项参数，设置信号源频率为1KHz，峰值为10mV，Vcc设为12 V，Rw的阻值设为800 kΩ，Rbb'的阻值设为300 Ω，Rc的阻值设为5 kΩ，Rl的阻值设为2 kΩ，RL设为3 kΩ，三极管Ube设为0.7 V，β设为150倍。运行结果如图4所示。在前面板中我们可以得到静态工作点所对应的参数值及电路的电压放大倍数，通过波形图表可以看到对于共射电路输入、输出波形是反相的。我们需要注意，系统运行时，Multisim中的函数发生器的前面板可以显示在LabVIEW中，我们可以在这里设置信号源的参数，如图6所示。

当电路参数设置不合适时输出波形会产生失真，静态工作点设置过高时会产生饱和失真，设置过低时会产生截止失真[11]。实验中需要观察偏置电阻对静态工作点的影响。在前面板中减小Rw（即减小Rb）的阻值会出现如图7（a）所示的饱和失真，设置Rw的阻值为1MΩ，增大信号源电压会出现如图7（b）所示的截止失真，这与理论分析是一致的。

电路工作在放大状态时，Rw、Rc及RL的阻值对Au均有影响。运行系统分别修改Rw、Rc及RL的阻值发现，当Rw减小（即Rb减小）时Au增大，Rc增大时Au增大，RL增大时Au也随着增大，从而验证了电路参数对放大倍数的影响。

3　结论

本文运用LabVIEW虚拟仪器图形化编程软件和Multisim电路仿真软件创建了模拟电路实验虚拟仿真平台，通过图形化编程的方式，可高效地仿真出实验结果，观察电路中的现象。测试结果表明，该实验平台运行可靠，用户操作界面友好，可用于弥补实验教学中场地、设备的不足，满足学生的实验需求，提高学生的学习热情，并且可及时根据教学需求的变化，通过创建新的子VI更改实验项目，扩展性强。该平台还可以发布到网络上，学生通过远程登录可完成实验项目的操作，有益于提高学生学习的主动性，更好地服务于教学。

参考文献：

［1］曾鹤琼，胡骏.“模拟电子电路”课程教学改革思考［J］.电气电子教学学报，2010，32（4）：73-74，83.

［2］兰振平，金凤莲，牛悦苓.模拟电路课程及实践教学改革的探索与实践［J］.中国现代教育装备，2007（7）：70-71.

［3］曹秀爽，刘鹏.基于LabVIEW的模拟电子技术课程远程实验平台的设计［J］.科技咨询，2014（5）：36-37.

［4］向学军，杨盛，刘平.两种LabVIEW、MATLAB结合的控制系统数字仿真方法比较［J］.自动化与仪器仪表，2006（5）：83-85.

［5］郑宾.Multisim仿真在模拟电路实验教学中的应用［J］.实验室研究与探索，2013，32（2）：103-105，122.

［6］张志立.基于Multisim技术的电路实验［J］.实验室科学与技术，2010，8（1）：15-18.

［7］黄智伟，李传琦，邹其洪.基于Multisim2001的电子电路计算机仿真设计与分析［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［8］陈海生，王峰，郭晓云，等.一种LabVIEW和NIMultisim联合仿真的方法［J］.电气电子教学学报，2014，36（2）：118-120.

［9］韦青燕.基于LabVIEW和Multisim的串联校正实验软件平台开发［J］.实验室研究与探索，2015，34（2）：128-131.

［10］周艳，陈永建.基于LabVIEW和Multisim的虚拟电子实验系统［J］.计算机系统应用，2013，22（11）：70-73.

［11］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，2013，36（12）:145-147.

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

作者简介：张坤（1979-），女，河北正定人，实验师，硕士，主要研究方向为通信与信息系统、嵌入式系统应用等。

基金项目：河北大学实验室开放项目基金资助（sy2015004）

收稿日期：2015－11－17

文章编号：1673-2022（2016）01-0055-04

中图分类号：TP391.9

文献标志码：B