基于Multisim和LabVIEW的比例運算電路聯(lián)合仿真

黃奇瑞

（南陽理工學院電子與電氣工程學院,河南南陽,473004）

基于Multisim和LabVIEW的比例運算電路聯(lián)合仿真

黃奇瑞

（南陽理工學院電子與電氣工程學院,河南南陽,473004）

針對Multisim電路仿真功能強大但實時性差和界面不夠直觀的缺點，利用 LabVIEW 與 Multisim 的模數(shù)聯(lián)合仿真功能，設計了比例運算電路的實驗仿真平臺。該仿真平臺操作簡單、界面直觀、易學易用，可以實時地對比例運算電路進行仿真、測試和驗證，有效地縮短了實驗時間、提高了實驗效率，對類似電路的仿真實驗具有重要的借鑒意義。

Multisim;LabVIEW;比例運算電路;聯(lián)合仿真;仿真實驗

0 引言

利用仿真軟件對電子電路進行分析和仿真是電子工程師設計電路的主要手段之一，也是電子產(chǎn)品開發(fā)設計的重要步驟。設計人員通過仿真軟件可以分析電路元件的參數(shù)和電路的原理結構，預估電路的工作結果。因此，仿真是工業(yè)設計和實際應用之間的一個橋梁，通過仿真能夠使設計人員提前對電路進行檢查，排除存在的缺陷和隱患，從而縮短設計周期，提高產(chǎn)品設計的成功率，同時也可以減少設計成本。

LabVIEW 中的“控制設計與仿真” 模塊能方便地實現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)值仿真和計算，同時利用LabVIEW Multisim Co-Simulation插件能實現(xiàn)對 Multisim 仿真電路的實時控制。 因此，本文應用虛擬儀器軟件NI LabVIEW 2011，結合電路仿真軟件 NI Multisim 12.0，仿真和測試了同相和反相比例運算電路。

1 Multisim和LabVIEW介紹

美國NI公司的Multisim 是一款優(yōu)秀的電路設計與仿真軟件，利用其提供的仿真虛擬儀器、標準的實際元器件庫和RF庫等，能滿足各種需求的板級的模擬/數(shù)字電路的設計、分析和仿真工作，通過仿真電路的實際運行情況，不僅大大提高了電子設計的工作效率，而且避免了設備條件的限制、減小了各種物質(zhì)的消耗。Multisim 目前已被很多高校用于“電工技術”、“電子技術”及“電路分析”等課程的教學和實驗中。學習者可以利用該工具將在書中學到的理論知識和自己的想法隨時用計算機進行仿真和真實再現(xiàn)，極大地提高了學習和實驗效率，對提高實踐和創(chuàng)新能力有很好的促進作用。

LabVIEW同樣是美國NI公司開發(fā)的一種功能強大的基于圖形編程語言(G語言)的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，目前在工程領域非常流行。LabVIEW和傳統(tǒng)的編程語言不同，其利用各種圖形化的符號、圖標進行編程，采用流程圖作為一個編程問題的圖形化解決方案。LabVIEW提供了一個友好的圖形化人機界面，在其前面板上給設計人員提供了大量的開關、旋鈕、儀表盤、指示燈、波形圖等，非常直觀形象。作為后臺提供源代碼的程序框圖則具有強大的數(shù)據(jù)運算及處理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)信號采集、信號傳遞、信號運算和處理、波形圖顯示和數(shù)據(jù)結果輸出等多種功能，可以方便的替代實際實驗中的信號發(fā)生器、電流表、電壓表及示波器等儀器設備。利用LabVIEW作為開發(fā)工具設計出的虛擬儀器，不但具備強大的實驗功能，其用戶界面也能夠做得非常友好和美觀，便于實驗操作。

2 比例運算電路聯(lián)合仿真平臺的構建

隨著 Multisim和LabVIEW 軟件版本的不斷更新，最新的軟件版本已經(jīng)實現(xiàn)了兩者部分功能的集成，以便充分發(fā)揮兩個軟件各自的優(yōu)點。LabVIEW 與 Multisim 之間可以實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的直接交換和聯(lián)合仿真，非常方便和快捷。LabVIEW可以實際采集或者利用LabVIEW SignalExpress來產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)，這些仿真數(shù)據(jù)可以作為Multisim 環(huán)境下電路分析和測試時的數(shù)據(jù)來源。

比例運算電路是以集成運算放大器為核心元件構成的，根據(jù)信號輸入端的不同，可以分為同相比例運算電路和反相比例運算電路，分別實現(xiàn)信號的同相和反相比例放大。圖1所示電路分別是同相和反相比例運算電路的一般形式，其中，Ui為輸入信號，Uo為輸出信號，RF為反饋電阻，R1為同相輸入端電阻，R2為反相輸入端電阻。

圖1 比例運算電路

假設集成運放均為理想運放，利用“虛短路”、“虛斷路”和“節(jié)點電流法”可以分別推導出同相和反相比例運算電路各自的輸入、輸出電壓關系：(1)同相比例運算為Uo=(1+RF/R)Ui;反相比例運算為Uo=-(RF/R)Ui。由此可知，同相和反相比例運算電路的輸入、輸出電壓關系式雖然不同，但都與電路反相輸入端的電阻R2無關.

為了更直觀的表現(xiàn)比例運算電路輸入與輸出之間的線性放大關系，可以在multisim中搭建仿真電路，通過其自帶的虛擬示波器來觀測輸入與輸出之間的波形。但是這種仿真方式有一個很大的缺陷就是在仿真的過程中，不能實時的對電路的輸入波形或者電阻進行調(diào)節(jié)，這些參數(shù)每調(diào)整一次，都需要先中斷仿真，然后調(diào)整好參數(shù)后重新進行仿真，實時性比較差，仿真的效率很低。為此，本文在multisim仿真電路中添加LabVIEW交互接口，用以和LabVIEW仿真引擎之間進行數(shù)據(jù)收發(fā)，實現(xiàn)實時聯(lián)動仿真。這些Multisim中的接口是“分級模塊(Hierarchical Block)和子電路(Sub-Circuit)接口”(HB/SC)。添加了HB/SC接口之后的比例運算電路如圖2和圖3所示。

圖2 同相比例運算仿真電路

圖3 反相比例運算仿真電路

在圖2和圖3中電阻RI、R2、RF分別選用三個壓控電阻，可以通過調(diào)節(jié)對應的輸入電壓來調(diào)節(jié)其阻值的大小；HB/SC接口IO1為輸入信號，IO2為輸出信號，分別接LabVIEW中的圖形顯示控件，用以顯示輸入和輸出波形；HB/SC接口IO3、IO4、IO5分別為壓控電阻的電壓輸入端，分別接LabVIEW中的數(shù)值輸入控件，其輸入的數(shù)值作為模擬的電壓值，用來調(diào)節(jié)對應電阻的阻值大小。HB/SC接口需要在multisim的“LabVIEW Cosimulation Terminals窗口”中進行配置，設置每個接口為輸入或者輸出、電壓型或者電流型。

要在LabVIEW和Multisim之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，首先需要在LabVIEW的程序框圖中使用“控制與仿真循環(huán)”(Control & Simulation Loop)創(chuàng)建一個控制器。然后在函數(shù)選板中找到“Multisim Design VI”控件，將其拖放到控制與仿真循環(huán)中，此時會自動彈出一個文件選擇對話框，通過對話框設置好在Muhisim中創(chuàng)建的比例運算電路的文件路徑。Multisim Design VI放置好后，會生成與Multisim中電路對應的接線端，接線端具有相對應的輸入與輸出。為了實現(xiàn)向Multisim中的電路傳遞數(shù)據(jù)，需要在LabVIEW的前面板上給每個輸入接線端創(chuàng)建一個數(shù)值輸入控件，為了通過LabVIEW顯示輸出波形，同時需要在前面板上創(chuàng)建一個“波型圖表” 控件，將其和輸出接線端相連。本設計為了方便對比輸入和輸出波形，將輸入信號和輸出信號共同送進“波型圖表” 控件進行顯示。在LabVmW中創(chuàng)建的控制器的最終程序框圖如圖4所示，其對應的前面板如圖5所示（以同相比例運算電路為例）。

4 仿真與分析

點擊LabVIEW工具欄中的運行按鈕即可進行與Multisim的聯(lián)合仿真。此時并不需要打開Multisim仿真電路，在開始運行幾秒鐘之后在LabVIEW后臺會自動運行Multisim仿真程序，實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通訊和聯(lián)合仿真。在仿真的過程中可以實時調(diào)整輸入波形的參數(shù)，包括幅值和頻率，調(diào)整之后電路的輸出波形會實時的隨著輸入波形的變化而改變。同時還可以實時調(diào)整電路中的電阻R1和RF的阻值，以此改變電路的電壓放大倍數(shù)并實時顯示在前面板上，并可以從輸出波形上得到驗證。如圖5所示，當R1=10 KΩ，RF=20 KΩ時，同相比例運算的放大倍數(shù)為3，此時輸入波形的幅值為3，從仿真面板上可以看出，輸出波形的幅值為9，剛好為輸入波形的3倍。當調(diào)節(jié)R1和RF使電壓放大倍數(shù)達到一定的值之后，輸出波形會產(chǎn)生失真，如圖6所示。除此之外，還可以通過調(diào)節(jié)電阻R2的阻值來觀察輸出波形的變化，通過仿真結果可知，R2阻值的改變不會引起輸出波形的變化。

圖4 同相比例運算程序框圖

圖5 仿真電路前面板

圖6 輸出失真的波形

4 結語

本文基于Multisim和LabVIEW搭建了比例運算電路的聯(lián)合仿真實驗平臺。首先在Multisim中構建比例運算的仿真電路，然后通過LabVIEW產(chǎn)生輸入信號并送入Multisim電路進行仿真運算，最后再將仿真結果回傳給LabVIEW，并在LabVIEW前面板的顯示控件中進行顯示。電路的輸入信號和電阻值等參數(shù)可以由 LabVIEW 前面板上的對應控件實時進行改變，同時改變后電路的輸出結果也能實時反饋到顯示控件上。相對于單純利用Multisim進行電路仿真，其具有更好的實時性和更友好的界面，能夠加快對電路模型的驗證，極大的提高實驗效率。

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The co-simulation of scaling circuits based on Multisim and LabVIEW

Huang Qirui
(School of Electronic and Electrical Engineering,Nanyang Institute of Technology,Nanyang,473004, China)

Aimed at the disadvantage of Multisim which has a powerful circuit emulation, that it has poor real-time capability and its interface is not intuitive enough,the simulation platform of scaling circuit is designed by using the modulus co-simulation capabilities of LabVIEW and Multisim.This simulation platform is easy to operate,has an intuitive interface and is easy to learn and to use,which could simulate,test and verify the scaling circuit in real time.This simulation platform could shorten the test time effectively and improve the efficiency of experiments,which has guidance and reference significance for similar simulation experiments of circuits.

Multisim;LabVIEW;scaling circuits;co-simulation;simulation experiments

黃奇瑞(1985-)，男，碩士，助教，主要研究方向：電子技術，數(shù)字圖像處理，模式識別。