基于Multisim和LabVIEW的模擬電路虛擬實驗平臺的設計*

楊立娜，崔文華，王順俞

（嘉興學院機電工程學院，浙江嘉興314001）

一、引言

在中國這個正在迅速發(fā)展的社會中，由于經(jīng)濟水平的不斷提高和科學技術的全面發(fā)展，進入高校的高素質高質量人才日益增加。全國的高校人數(shù)隨著高等教育的普及正飛速上漲。隨著近些年來互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展和國家教學技術的更新，以及高等教育的改革，在高校理論教學的創(chuàng)新和加強的同時，實驗教學也受到相當關注。實驗教學尤其是在高等工科教育中起著關鍵的實踐教學意義，只有通過理論和實踐的結合，才能夠培養(yǎng)學生的實際動手能力，深入了解理論原理，這樣就更好地掌握課程基礎和應用。[1]這對于提高學生實踐操作能力至關重要。

目前，各類高校都存在著先進理論知識和實驗方案與落后的實驗器材和傳統(tǒng)實驗儀器不匹配的矛盾。而學生的大基數(shù)和儀器的緊缺也使得實驗教學出現(xiàn)了相當大的缺陷。這使得中國實驗教育落后于發(fā)達國家，嚴重制約著實驗教學的發(fā)展和學生實踐能力的提升。

近年來，在國家的大力支持下，高校為滿足培養(yǎng)高素質人才的需求，實驗教學也在不斷加強，最主要的就是引進新型遠程教育媒體、設計原理和新型程序設計軟件來加強實驗的可操作性和利用性?！疤摂M實驗室(virtual lab)”的概念就是由美國弗吉尼亞大學的教授威廉·沃爾夫于1989年率先提出的，它與一般的真實實驗室類似，都提供了相關設備和器材供學生自己動手配置、連接、調節(jié)和使用。同時，教師也可以利用虛擬器材庫中的器材自由的搭建任意可操作的實驗或實驗案例，使得學生和教師只要存在電子計算機和相關軟件就可以進行相應的實驗教學，這是虛擬實驗室有別于一般實驗教學課件的重要屬性。隨著教學儀器的發(fā)展和高校新時期實驗教學所面臨的新要求，將虛擬儀器引入實驗教學將成為高等學校未來教學科研的重要方法和手段。本設計就著力于制作一種可以替代傳統(tǒng)實驗室的基于電子軟件的虛擬實驗平臺，通過構建虛擬實驗平臺使得學生能夠經(jīng)過簡單的學習可以接近真實的還原傳統(tǒng)實驗操作和學習。

二、實驗平臺的設計思路

在模擬電子電路實驗平臺設計過程中，由于其中的一些電路設計存在相關計算性的問題，所以本平臺采用兩種仿真軟件同時進行設計和運用。[2]

首先是LabVIEW的運用，由于LabVIEW的圖形化設計能夠很清晰地提供簡單的界面和實驗平臺，使得LabVIEW可以在這里作為學生交互式界面的主體，學生可以在LabVIEW的前面板上設計并且組裝模擬電子電路實驗所需要的自定義控件并且進行仿真。

其次，通過Multisim可以方便地對模擬電路進行全方面的仿真，[3]其中的主要元件和電路都由軟件自帶，而且仿真真實性非常高，操作簡單易懂，本實驗平臺主要用Multisim進行對電路的主體設計和計算，并且作為主體設計的比對，更好的對實驗結果和設計結果進行分析。通過兩種軟件的結合，得出正確的實驗結果。

三、實驗平臺的開發(fā)環(huán)境

美國NI公司的LabVIEW是世界工程界著名的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，設計中所采用的LabVIEW2012是一種基于圖形編程語言的功能強大的開發(fā)平臺，它類似于C語言和VB等編程語言開發(fā)，但是LabVIEW和其他的計算機編程語言的明顯區(qū)別是：其他匯編語言基本上是采用文本類型的的語言生成代碼，而LabVIEW使用的則是圖形化的G語言程序編程，由此產(chǎn)生的程序類型和代碼是以耳熟能詳?shù)目驁D形式呈現(xiàn)的。LabVIEW是利用其數(shù)據(jù)流向來辨別程序的執(zhí)行方向，這個主要體現(xiàn)在程序框圖中的不同節(jié)點間的數(shù)據(jù)流向。

LabVIEW自身設計會提供多種與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表等）相似的控件模型供用戶來方便的使用創(chuàng)建主要界面。在軟件中用戶界面統(tǒng)稱為前面板。通過其中的圖標和連線可以對前面板上的主體對象進行操作和控制。采用LabVIEW設計開發(fā)出的虛擬儀器，具有強大的數(shù)據(jù)運算和處理功能，而且儀器界面也可以做得非常逼真和美觀。虛擬儀器能夠進行實時的分析處理，并生動、直觀地顯示出數(shù)據(jù)、波形、圖像和分析處理的結果，如學生對結果不滿意，可以修改電路或調整電路參數(shù)，很快就能得到新的結果，使用非常方便。

Multisim軟件也是由美國NI公司上世紀末研發(fā)并且出世的以Windows為藍本的仿真工具，其主要功能是用于板間模電、數(shù)電電路板的設計和開發(fā)，主要包括了電路原理圖圖形鍵入、電路硬件描述語言輸入等功能，具有豐富的仿真分析能力。Multisim以界面的形象直觀、操作方便、分析功能強大、仿真優(yōu)秀等優(yōu)點，20世紀末在我國就已經(jīng)發(fā)揮著重要的作用并且得到推崇，并作為電子信息以及工科類課程教學和實驗教育的重要仿真軟件之一。而在21世紀初，隨著Multisim從2001發(fā)展到如今，經(jīng)過不斷的升級和發(fā)展，如今的Multisim已經(jīng)能勝任各種主要的電路分析，如模擬電路、數(shù)字電路、高頻電路、電力電子以及自動控制等主要電子電路的虛擬仿真，而且能夠提供多種分析方法和報告生成方法。目前在各高校教學和實驗中都普遍使用Multisim，該平臺能夠使得虛擬儀器技術的靈活性發(fā)展和連接到全部的電子仿真軟件設計平臺上，通過Multisim和虛擬儀器技術的完美結合，現(xiàn)今的軟件仿真設計可以更加流暢的由簡單的原理圖設計、繪圖、仿真檢測，到完成報告并且制作PCB板，硬件、軟件測試一體化的全程設計，大大減短了設計人員的設計時間，使得虛擬儀器發(fā)展踏出了重要的一步。

四、實驗平臺的設計與實現(xiàn)

1.Multisim中的設計說明

以BJT共射級放大電路為例來介紹建立以及仿真電路原理圖的基本操作。典型的BJT共射極放大電路的原理圖如圖1所示。

圖1 BJT共射極放大電路

電路中用到的元件都為常用元件，其中用到的有電阻、電容、AC交流電源、接地端、Vcc電源輸入端、二極管以及雙蹤示波器儀表。

通過建立新電路圖，元件操作與調整，元件參數(shù)的設置，元件的連接和電路仿真這5步可以確定，對電路進行仿真可檢驗電路的工作特性，如圖2所示為該電路的輸入輸出雙蹤跟蹤結果仿真圖。

圖2 BJT共射極放大電路仿真結果

2.LabVIEW中的設計說明

LabVIEW提供了專門的控件編輯器窗口來用以對LabVIEW的標準控件進行外觀編輯。用戶可以在控件編輯器中對控件各部分的大小、顏色、相對位置任意調整甚至添加文本或者導入圖片等等。創(chuàng)建自定義控件的一般步驟是：

（1）打開控件編輯器并放入所需的標準控件；

（2）按照所需對控件外觀進行編輯和定制，包括控件整體以及各個部分的顏色、大小、相對位置等等；

（3）選擇主菜單中的“文件--應用改動”。應用剛才所做的改動，如果是從前面板控件上打開的控件編輯器，那么新外觀會立即應用到原控件上，最后關閉控件編輯器；

（4）如果需要以后重用這個控件，則可以選擇保存自定義控件文件，之后可以在控件選板中選擇“選擇控件”，并選擇該文件可添加這個自定義空間。如圖3所示為制作電阻控件的步驟圖。

圖3 制作電阻控件步驟及結果圖

3.LabVIEW計算框圖設計

計算框圖是本次設計最重要的部分，通過對模擬電子電路實驗中實驗內(nèi)容的理解和運用，需要利用其中的公式和求解方式在LabVIEW中體現(xiàn)。當然對于Lab-VIEW來說，對于這些較復雜的數(shù)學和邏輯過程，使用圖形化的符號描述往往會顯得有點繁瑣，增加了代碼閱讀的困難程度，為了解決這個問題，LabVIEW中設計了基于文本的編程節(jié)點，統(tǒng)稱為腳本和公式節(jié)點。

公式節(jié)點是一種結構，用于使用類似于C語言的文本代碼進行編程，對于復雜的邏輯和數(shù)學運算過程的表達尤為有用。這里就以公式節(jié)點模式來完成本次設計的計算框圖設計。

首先必須創(chuàng)建一個新的VI作為子VI，在前面板中添加設計所需要的波形圖，除此之外，計算框圖還需要本次設計需要顯示的數(shù)據(jù)類型，如BJT共射極放大電路中需要的Av（放大系數(shù)）值和輸入電阻和輸出電阻，以及可以自定義所需要的數(shù)據(jù)類型，本次就為上述3個數(shù)據(jù)類型添加3個數(shù)值顯示控件，并且命名為上述3個控件名稱。布局設計好后前面板如圖4所示。

圖5所示為程序計算框圖，所有計算都在一個while循環(huán)中進行，在正確進行計算的部分，即條件結構為“真”時，將輸入數(shù)據(jù)和相應在公式節(jié)點上的數(shù)據(jù)輸入相連，輸出亦是如此。還有一步則是通過波形圖表和乘法計算相連的輸出Av值連接仿真信號，這樣就能在波形圖表中顯示出輸入波形Ui和輸出波形Uo。

圖4 前面板設計

圖5 程序框圖設計

通過以上所述的自制控件組裝成電路后，改變其中各個元件的數(shù)值進行程序計算。在BJT共射極放大電路中，主要是通過調節(jié)公式節(jié)點中的計算來進行的。BJT設置為β=80的情況下，通過調節(jié)Re、Rb1、R1、Rc、Rb2的值實現(xiàn)Av、Ri、Ro的計算。右邊的波形圖表則可以顯示輸入、輸出波形的形狀。如圖6所示為設計完成后的前面板運行狀態(tài)。

圖6 運行中的前面板

本實驗平臺的登錄對話框和實驗選擇操作界面如圖7和圖8所示。

圖7 登錄對話框

圖8 實驗選擇操作界面運行效果圖

在設計并且正常運行整個模擬電子電路設計之后，需要把所有設計好的子VI進行封裝和嵌入，從而把整個設計制作成一個統(tǒng)一的程序。在本次設計中，主要通過.llb格式，也就是將所有需要的Multisim應用程序和在LabVIEW的VI都存放在一個項目下，如圖9所示。

圖9 項目瀏覽器

五、結束語

本設計主要運用LabVIEW虛擬儀器圖形化編程軟件和Multisim電路仿真軟件在計算機上開發(fā)了一個虛擬模擬電子實驗平臺。在該虛擬實驗平臺中，學生為主要的虛擬實驗室的終端用戶，每個學生可以通過自己的學號和密碼出入虛擬實驗平臺，進入平臺后，學生可以通過平臺中已經(jīng)存在的參考電路，或者通過已經(jīng)制作好的自定義控件來搭建所要進行實驗的電路，之后對電路進行連接和參數(shù)設置，能夠自主的對VI進行運行和仿真，在平臺上可以清晰簡潔的展示電路的仿真結果。該虛擬實驗平臺的使用是對傳統(tǒng)實驗教學模式的改革，它大大簡化了實驗的操作過程，節(jié)省了實驗中各種儀器的使用費用，實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的電子化，打破了傳統(tǒng)實驗室在地域空間和時間上的約束，提高了實驗教學的質量。它不但為實驗類課程的教學改革提供了條件和技術支持，還可以隨時為學生提供更多、更新、更好的儀器。

[1]楊磊.虛擬實驗及其教學管理平臺的設計與研究[D].西安：陜西師范大學，2006.

[2]張杰,彭祖建,李娟,盛士寬.Multism中虛擬儀器的使用方法[J].大學物理實驗,2004(3).

[3]劉君,楊曉蘋,呂聯(lián)榮等.Multisim 11在模擬電子技術實驗中的應用[J].實驗室研究與探索,2013(2):103-106.