LabVIEW在模擬電路課程教學中的應用-以負反饋放大電路為例

李燕龍 蔡春曉 周 巍

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

LabVIEW在模擬電路課程教學中的應用-以負反饋放大電路為例

李燕龍 蔡春曉 周 巍

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

基于LabVIEW仿真了模擬電子電路實驗中的負反饋放大電路，通過信號發生器給電路提供信號源，利用數據采集卡采集電路輸出信號，然后用 LabVIEW 顯示分析處理了采集信號，并計算了電路的靜態工作點。對其中的數據采集部分設計了兩種方案，利用GDS-3152數字示波器結合LabVIEW和經濟實惠的Microchip數據采集卡對電路的輸出波形分別進行采集分析，通過比較兩者的優缺點選擇出了GDS-3152數字示波器結合LabVIEW的方案進行仿真設計，結果顯示仿真效果較好。

虛擬儀器；Labview；教學實驗；模擬電路

虛擬儀器是把真實的儀器搬到計算機桌面上，用戶根據自己的需要在軟件界面設計自己想要的功能。用戶通過鼠標和鍵盤來代替真實儀器的按鈕，從而達到測試和測量的目的。虛擬儀器具有性能高、擴展性強、開發時間少、無縫集成四大優勢[1]。LabVIEW作為一種虛擬儀器，利用圖形化的編程語言產生的程序框圖直觀，能實現設計儀器的應用操作，現在已經被廣泛使用[2,3]。

利用LabVIEW實現模擬電路課程教學，可以隨時使學生應用儀器對實驗進行操作，真正做到理論與實踐結合的授課方式，實現一邊上課一邊操作實驗，學生能現場操作儀器，立即檢驗理論知識，強化了教學效果。學生還可以利用課余時間反復操作儀器，老師就不用擔心儀器被破壞了或者擔心安全問題。LabVIEW虛擬實驗能夠復現電子技術實驗室的內容，可以實時監測實驗的動態情況和實現原理，為學生們提供大量的實驗機會，對實現理論與實踐相結合有很大的幫助，不僅能提高學生的創新能力，而且還節約成本，不斷的更新換代，加上目前計算機的普及，實現現場設計仿真比較方便。模擬電子技術實驗是電子類專業非常重要的基礎課程，因此在模擬電路課程教學中有重要意義[4]。

1 負反饋放大電路介紹

反饋放大電路由基本放大電路、反饋支路和比較環節組成。負反饋的用途很廣，在電子線路的應用中，對改進放大電路的性能起到很重要的作用。放大器中的負反饋就是把基本放大電路輸出量的一部分或全部按一定的方式送回到輸入回路，來影響凈輸入，對放大電路起自動調整作用，使輸出量趨向于維持穩定。負反饋在電子電路中有著非常廣泛的應用，雖然它使放大器的放大倍數降低，但能在多反面改善放大器的動態指標，如穩定放大倍數，改變輸入、輸出電阻，減少非線性失真和展寬通頻帶等。因此，幾乎所有使用的放大器都帶有負反饋[5]。

本文是基于兩級共射放大電路引入電壓串聯負反饋來分析的。下圖為帶有負反饋的兩級阻容耦合放大電路，當A、B相連接時，在電路中通過把輸出電壓uo引回到輸入端，加在晶體管是的發射極上，在發射極電阻上形成反饋電壓fu，電路圖如圖1所示。

圖1　負反饋原理圖

（1）負反饋可使放大電路的增益下降，負反饋放大電路的閉環電壓放大倍數Avf與開環電壓放大倍數Av之間的關系為：

式(1)中，Fv是反饋系數；

引入負反饋后，電壓放大倍數Avf比沒有負反饋時的電壓放大倍數Av降低了（1+AvFv)倍，并且1+AvFv越大，放大倍數降低越多。

（2）負反饋可提高增益的穩定性，當環境或者元件參數發生變化時，會引起放大器增益變動，可以用增益的相對變化量來評價放大電路增益的穩定性。引入開環放大倍數的相對變化量ΔA/A來描述開環放大倍數的程度，其中ΔA表示各種原因引起的放大電路開環放大倍數的變化量，該變化量除以放大倍數，即為開環放大倍數的相對變化量，如式(3)。ΔA/A越小就表示放大倍數越穩定。同理，ΔAf/Af反映閉環放大倍數的穩定性。

上式表明，負反饋放大電路閉環放大倍數的不穩定程度ΔAf/Af是開環放大倍數不穩定程度ΔA/A的1/(1+AF）倍，也就是說，有各種原因引起開環放大倍數產生ΔA/A的相對變化量時，引入負反饋后閉環放大倍數的相對變化量時，引入負反饋后閉環放大倍數的相對變化量ΔAf/Af將減少到前者的1/（1+AF），這將明顯提高放大倍數的穩定性。

（3）串聯負反饋電路對輸入電阻輸出電路的影響，放大電路引入負反饋后，其輸入輸出電阻也隨之變化。不同類型的反饋對輸入、輸出電阻的影響個不相同，因此，在放大電路設計時可以選擇不同類型的負反饋以滿足對于輸入、輸出電阻的不同需要。凡屬于串聯負反饋電路，其輸入電阻都會增加，增加的程度與反饋深度與（1+AvFv）有關：

凡屬于電壓負反饋電路，其輸出電阻都減少，減少的程度與反饋深度（1+AvFv)有關：

2 基于LabVIEW的負反饋電路設計與實現

（1）GDS-3152與 Microchip數據采集卡的比較

GDS-3152系列采用VPO(Visual Persistence Oscilloscope)信號處理技術，以高速波型更新率以及多層次余暉顯示來提高波型顯示能力的效能。Microchip采集基于 USB 通信控制的多功能數據采集卡，集成了直流電壓量，TTL 輸出，TTL 輸入，以及 PWM 或可編程直流電壓信號輸出模塊，可用于產品自動化測試，工業現場監測與控制、高等院校科研與教學等多種領域。

如圖2、3所示，從圖形的采集來看，利用GDS-3152數字示波器所采集到的波形比 Microchip數據采集卡采集到的波形更為平滑[6]。處理數據的速度方面GDS-3152數字示波器對數據的處理是其他區普通采集卡無法達到的。Microchip數據采集卡所采集到的波形不能把負電壓在波形顯示控件上顯示出來，必須依賴直流偏置才能把整個波形顯示出來。但是從經濟性來看，GDS-3152數字示波器比較昂貴，用于做普通的波形測試有點浪費，Microchip數據采集卡攜帶方便。通過比較兩者的優缺點本文選擇 GDS-3152數字示波器結合LabVIEW的方案進行后續仿真設計。

圖2　Microchip數據采集卡采集的波形

圖3　GDS-3152數字示波器采集的波形

（2）基于LabVIEW的負反饋放大電路實現

按照負反饋放大電路的電路參數，分別把他們輸入到labVIEW的輸入控件中，labVIEW的背面板照電路圖編寫有計算電路靜態工作點的程序流程圖。當運行仿真的時候，labVIEW 就會按要求計算出靜態工作點和動態工作點。前面板的設計如圖 4所示，后面板的示波器采集部分使用雙通道采集VI[7,8]。

圖4　負反饋前面板設計圖

3 基于 labVIEW 的負反饋電路結果分析

由圖5和圖6可以看出，第一級的輸出幅值比第二級的輸出的幅值要小，驗證了晶體管對電路具有放大作用。由圖7和圖8所示當電路中存在負反饋時，電路輸出的波形比較穩定，雖然使電路的放大倍數下降了，但是能換取其他性能的改善。例如提高放大倍數的穩定性、擴展通頻帶、減少非線性失真等。當沒有負反饋時電路中輸出的波形有較大的噪聲干擾，導致波形有毛刺。由于晶體管是非線性器件，在輸入信號較大時，將引起基極電流波形的失真，從而使放大電路輸出的波形也產生失真。引入負反饋后，由于反饋網絡是線性網絡（通常由電阻組成），不會引起失真，所以取自輸出信號的反饋信號，將大大減少非線性失真[9]。

圖5　負反饋第一級輸出波形圖

圖6　負反饋第二級輸出波形圖

圖7　有負反饋輸出波形圖

圖8　無負反饋輸出波形圖

4 結束語

模擬電子電路時電子類專業必不可少的課程，理論與實驗的相結合也正是現在需要探討的教學方法。利用 labVIEW建立模擬電子電路實驗仿真平臺，減少了調試儀器的時間，更能直觀的分析結果。應用虛擬儀器技術構建的采集、分析系統，降低了測試成本，提高了工作效率，增強了系統的靈活性，提升了教學效率。

[1] 柴慧霞,程珩,薛松.虛擬儀器淺析[J].機械管理開發,2008, 4(4):172-173.

[2] 陳國順,張桐.精通LabVIEW程序設計[M].北京:電子工業出版社,2012.

[3] 王海寶.LabVIEW 虛擬儀器程序設計與應用[M].成都:西南交通大學出版社,2005:48-52.

[4] 周井玲,蔡文.基于 LabVIEW 的教學實驗研究[J].南通工學院學報(自然科學版),2004,(3):88-90.

[5] 唐輝平,彭良玉.基于LabVIEW的模擬電路實驗教學平臺設計[J].現代電子技術,2013,(12):145-147.

[6] 固緯電子發表GDS-3000系列數字示波器[J].電子測量技術,2010,(10):116-119.

[7] 陳樹學.LabVIEW 實用工具詳解[M].北京:電子工業出版社,2014.

[8] 江曉安,董秀峰.模擬電子技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008:176-178.

[9] 夏鍇,肖東.基于 LabVIEW 的基本放大器分析儀設計[J].重慶科技學院學報(自然科學版),2011,(1):148-150.

Application of LabVIEW in Analog Circuit Course Teaching - A case study of negative feedback amplifier

Based on LabVIEW,the paper does simulation of analog electronic circuit experiment of negative feedback amplifier. The circuit signal source is provided by the signal generator. It uses data acquisition card to gather circuit output signal, and use the LabVIEW to display signal analysis and processing of the collection. Then, calculate the static operating point of the circuit. For the part of data collection, the paper designes two programs, the use of GDS-3152 Digital Oscilloscope combine LabVIEW and relatively affordable Microchip data acquisition card circuit collect output waveform and analysis were carried out respectively. By comparing the advantages and disadvantages, the program of GDS -3152 LabVIEW combining digital oscilloscope is selected to do simulation design and simulation results show better. Finally, the Web of LabVIEW is designed and the installation applications is generated. It facilitates distance learning and applications.

Visual instruments; Labview; teaching experiment; analog circuits

TP273

A

1008-1151(2015)07-0133-03

2015-06-10

桂林電子科技大學教育教學改革項目“基于LabVIEW的模擬電子技術虛擬仿真實驗平臺”（ZL2842）；桂林電子科技大學教育教學改革項目“針對電子認知實習現場型教學改革與實施”（JGB201529）。

李燕龍（1989－），男，桂林電子科技大學助教，碩士研究生，研究方向為無線寬帶通信、信號處理。