电子技术虚拟仿真实验系统的设计

俞丙威　王宇霄　黄海燕　王飞

摘  要：电子技术是电类专业学生的基础课程，是一门集理论与实践的重要课程。在信息化教学背景下，虚拟化的数字实验资源建设越来越重要。文章结合电子技术课程需求和信息化的手段，提出了一种基于LabVIEW和Multisim联合仿真的电子技术虚拟仿真实验系统的设计。该系统在Multisim端建立相关电子技术实验模型，利用应用编程接口，实现在LabVIEW端对模型的参数设置与仿真结果显示。从运行结果来看，该系统能够满足日常实验教学的需求，有效减少了实验室管理人员的工作量，提高了教师的工作效率。

关键词：LabVIEW；Multisim；联合仿真；电子技术；虚拟实验系统

中图分类号：TP391.9；TP311.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）12-0051-04

Design of Electronic Technology Virtual Simulation Experiment System

YU Bingwei， WANG Yuxiao， HUANG Haiyan， WANG Fei

（School of Intelligent Manufacturing， Zhejiang Guangsha Vocational and Technical University of Construction， Jinhua  322100， China）

Abstract： Electronic technology is a basic course for students majoring in electricity， and it is also an important course integrating theory and practice. Under the background of information teaching， the construction of virtual digital experiment resources is becoming more and more important. Combining with the requirements of electronic technology courses and the means of information， this paper puts forward a design of electronic technology virtual simulation experiment system based on LabVIEW and Multisim joint simulation. The system establishes the relevant electronic technology experiment model in Multisim terminal， and uses the application programming interface to realize the parameter setting and simulation result display of the model at the LabVIEW terminal. From the running results， the system can meet the needs of daily experimental teaching， effectively reduce the workload of laboratory managers， and improve the work efficiency of teachers.

Keywords： LabVIEW; Multisim; joint simulation; electronic technology; virtual experiment system

0  引  言

電子技术作为一门集理论和实践于一体的课程，它不仅要求学生掌握电子电路的基本分析和计算，更重要的是培养学生对电子电路的设计及实际应用的能力。因此实验教学是电子技术课程不可或缺的一部分。在我国高等教育计划中，培养适合社会和企业需求的人才所花费的硬件投入占学校投入的三分之一，尤其是在电子教学领域，每年需要采购各种电子元件以供学生的实验学习之用[1]。此外，在信息化教学和新冠疫情等背景下，借助于数字化的技术手段，建设虚拟化的教育实验资源开展线上虚拟实验教学将成为各高校刻不容缓的工作之一。

2018年教育部开始评审国家级虚拟实验项目，以项目为导向的实验虚拟技术落地课堂教学[2]。本文根据电子技术课程的实验需求，开发了基于LabVIEW和Multisim联合仿真的电子技术虚拟实验系统。

1  实验系统概述

Multisim是一款专门用于电路仿真和设计的软件，是目前较为流行的EDA（Electronic Design Automation）工具之一。它不仅有着丰富的元器件库，还提供了万用表、示波器、信号发生器等虚拟仪器，且其操作方式与真实仪器基本一致，再加上友好直观的界面，给电路相关的仿真带来很大的便利[3]。

虚拟仪器是指以通用计算机作为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统[4]。NI公司开发的LabVIEW是目前最为成功的虚拟仪器软件之一，其图形化界面可以方便地进行虚拟仪器的开发，并在测试测量、数据采集、仪器控制、数字信号处理等领域得到了广泛的应用[5]。

整个电子技术虚拟实验系统框架如图1所示，主要包含两大系统：Multisim电路仿真系统和LabVIEW交互统计系统。

其中Multisim电路仿真系统包含了4个常见电子技术模型：反相比例放大电路；同相比例放大电路；反相加法运算电路；减法运算电路。LabVIEW交互统计系统包含了4个模块：登录模块；自校验模块；联合仿真模块；仿真结果统计模块。Multisim与LabVIEW软件之间通过应用编程接口（Application Programming Interface Toolkit， API）实现数据的交互。

本文以电子技术中的反相比例放大电路为例，介绍本虚拟实验系统的组成与功能。

2  Multisim建模仿真

仅从外部端子分析，运算放大器是一种高放大倍数的电压放大器，既可用于交流电压的放大，也可用于直流电压的放大。用u+、u-分别表示同相输入端和反相输入端的节点电压，则输入端口电压ud = u+ - u-。在输出端开路的情况下，输出电压uo和输入端口电压ud的关系曲线可近似用图2所示的曲线来表示，该曲线又被称为实际运算放大器的输入输出特性曲线。曲线中的水平部分称为运算放大器的饱和区，中间的过零点的直线部分被称为运算放大器的线性区，在此区域内输出电压uo和输入端口电压ud成正比。

反相比例放大电路的基本形式如图3所示，输入信号ui经过R1加在集成运放U1的反相输入端。Rf为反馈电阻，将输出电压uo反馈至反相输入端，构成电压并联负反馈，引入合适的负反馈，可使得闭环放大电路在较大的范围内呈现线性放大状态。R2为平衡电阻，目的是使集成运放U1两输入端的对地直流电阻相等，运放的偏置电流不会产生附加的失调电压。

根据上述内容，在Multisim中建立反相比例放大电路的模型如图4所示。将其作为理想运算放大器进行分析可知：

反相比例放大虚拟仿真最重要的验证理论中运算放大器的“虚短”“虚断”和放大功能。为了更为直观的观测到仿真的效果，在模型中引入了示波器XSC2和表笔探头。上述电路模型仿真结果如图5所示，结合示波器的相关设置和插入的表笔探头，可得输出电压与输入电压的关系符合式（1）（2）（3），即仿真結果与理论分析一致。

3  LabVIEW交互统计

LabVIEW交互统计系统主要包括四个模块：登录模块；自校验模块；联合仿真模块；仿真结果统计模块，整体的程序框图如图6所示。

登录模块设置了3级权限管理：学生、管理员和教师。不同权限等级的人员登录后，可在系统主界面中执行不同的操作。学生权限登录后，仅可对必要的实验仿真参数进行设置，以反相比例放大电路为例，学生仅可对反馈电阻Rf进行设置，从而改变整个放大电路的输入输出放大倍数。管理员权限可对电路中的所有电阻、电容、电感等元器件的数值进行修改。教师权限除了基本的参数修改和仿真功能外，还可对仿真结果数据进行汇总查看。

自校验模块，在LabVIEW端通过方法节点和属性节点的方式与Multisim建立基础的连接，并获取Multisim软件的基本信息，用于仿真实验前的校验，避免在仿真时由于通信和版本等原因导致仿真失败。

联合仿真模块是本虚拟实验系统的核心。联合仿真模块通过LabVIEW Multisim API Toolkit[6]这一工具包实现在LabVIEW端对Multisim的自动连接等功能，再借助于属性节点和方法节点实现软件之间的数据交互。虚拟实验系统根据所选择的实验内容调用不同的通信仿真子vi。以反相比例放大电路为例，LabVIEW通信仿真部分程序框图如图7所示。反相比例放大电路中主要涉及的电路参数为同相输入端处的电位和电流、反相输入端处的电位和电流、反馈电阻Rf、输入和输出波形。在仿真运行前，通过List Outputs.vi设置仿真输出数据的类型；通过Set RLC Value.vi设置反馈电阻Rf大小；通过Set Output Request.vi设置仿真输出数据量的大小和采样速率。待系统仿真完成后，利用List Outputs.vi中设置的数据类型和数组索引，可从所有数据中取出实验系统所需的部分，并将其转为波形图或数值输出，具体的程序框图如图8所示。

仿真结果统计模块可将学生登录信息、系统时间和实验结果进行绑定并最终输出为excel保存到本地，从而实现实验报告的无纸化管理。为了提高实验室管理人员和教师的管理效率，本模块还加入了统计功能，可查询学生在各实验中的完成情况。

虚拟实验系统的主界面如图9所示。以电子技术中的反相比例放大电路为例，整个系统的执行步骤如下：用户选择权限并登录系统，待登录成功后，系统会在主界面中刷新用户信息，并对系统的参数和变量进行自校验和初始化；通过下拉列表选择本次实验内容并设定开放出来的实验参数；最后点击开始仿真，等待LabVIEW主程序与Multisim进行数据交互后获取当前次仿真测试的结果并将结果显示在主界面上；最后将用户的登录信息、系统时间和仿真结果3个信息汇总为excel表格保存至本地，便于后期资料的管理。

4  结  论

本系统结合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，设计了一种基于LabVIEW和Multisim联合仿真的电子技术虚拟实验系统，实现了用户登录信息的管理、LabVIEW和Multisim的联合仿真、LabVIEW端仿真结果的显示和仿真结果统计汇总的功能。整个系统操作简单、交互方便、功能强大，具有极强的可移植性和可拓展性，能很好的过渡理论知识和实践操作两部分内容，为学生提供了一种安全、无经济成本的电路设计方式，并且对于建设虚拟化的教育实验资源、开展线上虚拟实验教学具有一定意义。此外，本系统还对学生实验过程和结果实现了无纸化资源管理，有效提高了实验室管理员和教师的工作效率。

参考文献：

[1] 张藤予.基于Multisim仿真教学模式分析及应用 [J].计算机仿真，2014，31（6）：230-232+428.

[2] 吴玉春，龙小建.高校教育信息化背景下虚拟实验室应用研究——以井冈山大学为例 [J].科教导刊，2021（1）：20-22.

[3] 王开宇，卢诚，姜艳红，等.基于Multisim和LabVIEW的虚实结合数字电路实验教学 [J].实验室研究与探索，2019，38（2）：140-143+159.

[4] 连海洲，赵英俊.基于LabVIEW技术的虚拟仪器系统 [J].自动化博览，2001（3）：23-25.

[5] 关旭，张春梅，王尚锦.虚拟仪器软件Labview和数据采集 [J].微机发展，2004（3）：77-79.

[6] MAITI C K，MAITI A，MAHATA S. Integrated Simulation and Measurement-based Remotely-Triggered Electronic Circuit Laboratory for Undergraduate Education [C]//Proceedings of 2012 Third International Conference on Information，Communication and Education Application（ICEA 2012）.Singapore：Information Engineering Research Institute，2012：30-36.

作者简介：俞丙威（1992—），男，汉族，浙江诸暨人，硕士，主要研究方向：智能控制技术；王宇霄（1993—），女，汉族，浙江东阳人，硕士，主要研究方向：智能控制技术；黄海燕（1981—），女，汉族，浙江东阳人，副教授，主要研究方向：智能控制技术；王飞（1981—），男，汉族，江苏东台人，博士，主要研究方向：智能控制技术。