基于LabVIEW和Multisim虚拟电子实验系统的设计

闫国忠，于亚萍，卫勇

由于实验课程和动手实践在电类教学中所占比例日益增加，电工电子技术课程作为电类专业基础课程，实验器件损耗极大，在很大程度上限制了通过动手实践了解所学知识和实验结果的准确性[1]，制约了对学生实践技能的培养。随着计算机技术和虚拟仪器技术的高速发展，虚拟实验仿真系统可以使仪器设备“软件化”，在教学中获得广泛应用，这也为解决上述问题提供了一种很好的方法[2]。LabVIEW 因其图形化编程、操作界面友好被广泛用于教学、航空和自动化等领域[3]，用LabVIEW开发的电子电路实验，只能将其他软件设计好的电路图以图片形式插入LabVIEW软件中，利用输入和输出之间的函数关系设计程序框图，计算显示结果[4-5]。Multisim也应用于电工、电子实验电路的仿真，作为学生课余自学的好帮手，但是对输入信号的调节还需点击开信号源进行设定，输出信号的显示方式比较简单[6]。本文结合LabVIEW和Multisim的优点，利用LabVIEW控件操作自由、显示方式多样和 Multisim设计电路简单实用等特点，采用LabVIEW跟踪采集Multisim电路参数调整前后相关数据的变化，进行图形化处理后并建立显示，为实验教学和理论知识的结合提供验证平台。

1 系统总体设计

本实验系统的构建是在LabVIEW和Multisim软件中共同实现。首先，在Multisim软件中设计出待实验的电路图，并进行调试，待调试电路正确后，对输入信号和输出信号进行相应的设置，并保存好电路；然后，打开 LabVIEW软件，根据实验要求及目的设计控件及显示器件，开发实验者进行实验操作的友好交互界面，像调节仪表按钮一样，实验者可以通过调整输入参数来实现；最后，将调试好的 Multisim 文件导入到LabVIEW 软件中，通过HB/SC交互接口进行参数传递，然后进行联合仿真，即可实现基于LabVIEW和Multisim软件下的虚拟实验[7]，系统组成如图1所示。

图1 系统组成

2 联合仿真

LabVIEW开发常用的3个模板分别是：控制模板、函数模板和工具模板[8]。进行系统设计时，需要向LabVIEW中添加控制设计与仿真电路模块，在Multisim中安装NI LabVIEW-Multisim Co-Simulation插件，为 LabVIEW和 Multisim的电路联合仿真构建的虚拟实验系统提供所需的开发环境。

本文从实际电路设计出发，讨论了如何由Multisim和LabVIEW联合仿真来代替实际电路实验。联合仿真程序流程如图2所示。

图2 联合仿真程序框图

2.1 Multisim画电路图

以差分放大电路仿真为例。差分放大电路不仅能有效放大交、直流信号，而且能抑制因外界干扰、晶体管随温度变化和供电电源波动而引起的零点漂移现象，常被用作多级放大器的前置级而获得广泛的应用[9]。经典的四电阻差分放大电路似乎很简单，但其在实际的电工电子实验教学中，由于电路的对称性能不佳，加之长时间的使用会导致实验结果的误差，从而达不到实践教学的目的。为了使学生更好地了解差动放大器，实现电路的仿真，首先，在Multisim画出待仿真电路图，如图 3 所示，其中 R1、R2为 10 kW，R3、R4为 20 kW。

图3 Multisim中差分放大电路图

由于是采用结点法对LabVIEW和Multisim进行联合仿真，在Multisim软件中将电路设计完后，打开LabVIEW Co-simulation Terminals将HB/SC接口设置为可以与LabVIEW通讯的输入或者输出口[10-11]。在模式设置中选择所需要的选项，可以选择Negative Connection，将差分放大电路两输入端IO1、IO2配置为输入方式，输出端IO3配置为输出方式。IO1、IO2采用两个压控电压源，这样在LabVIEW和Multisim软件联合过程中就可以通过LabVIEW输入控件来调整Multisim电路的信号源输入电压的大小。改变控制电压与输入电压比率的大小，当LabVIEW改变1 V的时候，Multisim中的压控电压源也会跟随改变1 V。

2.2 LabVIEW控件电路

2.2.1 创建数字控制器数据通讯链接

为了在LabVIEW和Multisim两软件之间进行数据传送，还需要使用LabVIEW的控制与仿真循环（Control&Simulation Loop）。将 Multisim Design VI放置到程序框图中，打开函数选板，查找External Models》Multisim》Multisim Design，并将其拖放到控制与仿真循环之中，必须注意的是，这个VI必须放置到控制仿真循环中。将Multisim Design VI放置到程序框图上以后，接下来会弹出一个对话框，选择一个Multisim设计（Select a Multisim Design）。可以在对话框中直接输入待仿真文件的路径，或者通过浏览查询文件所在的具体位置来进行选择。此时 Multisim Design VI会生成接线端，接线端的形式与Multisim环境中的Multisim Design VI预览一致，具有相对应的输入与输出。如果接线端没有显示出来，需要左键点击双箭头，就可以展开接线端。

2.2.2 仿真数据输入

在LabVIEW 前面板上创建数字控件，LabVIEW就可以控制Multisim中电路的输入数据，通过选择 Create»Control来方便地完成创建命令，建立所需要的输入按键、开关或信号源。数字控件的接线端已经连接到了 Multisim VI电路的输入端。程序框图中的控件在前面板上有一个对应的控件，实验者可以控制电路输入的大小和状态。差动放大电路仿真系统在LabVIEW中的程序框图如图4。

图4 差动放大电路程序图

2.3 LabVIEW和Multisim通讯显示

进行以上设定之后，利用LabVIEW 输入控件来改变 Multisim仿真电路中输入电压的大小,并将输出电压的大小与波形返回给LabVIEW，以数值或图形方式一起显示在前面板控件上。LabVIEW软件中人机交互前面板如图5所示。

图5 前面板实验结果显示

实验验证：将6 V和2 V两个直流信号输入电路，根据电路图差动放大器的传递函数计算，理论分析，得出 outV ＝8 V。图5验证了上述实验分析结果。学生可以随时通过旋钮改变输入电压值，进行不同信号输入时电路输出结果的验证。

3 结论

系统实现了LabVIEW和Multisim软件对电路进行联合仿真。在Multisim软件中设计并画出电路图，LabVIEW软件中设计控件和显示，然后进行仿真。可以随机控制激励信号的大小，并直观显示其变化，本系统的实现重点在于两软件之间的数据通讯。该系统具有可移植性和可扩展性，对解决实验课硬件资源紧缺和提高学生自主学习兴趣具有一定的意义，并对传统的实验方法进行了补充。

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