基于虛擬儀器的直流線性電路仿真分析

王中寶 刑海軍

摘要：虛擬儀器技術明確的數據流向和直觀的前面板顯示形式，使得分析直流線性電路更加簡便。本章以“疊加定理”為例，闡述了直流線性電路仿真分析時前面板設計、程序設計的基本步驟。該方法可以進行自由拓展，構成直流線性電路的仿真實驗平臺。

關鍵詞：虛擬儀器技術;程序設計;線性電路;仿真

直流線性電路是由線性電阻和電源共同組成的電路。本文以疊加定理為例闡述一下利用虛擬儀器技術來實現直流電路的仿真分析過程。

虛擬儀器技術是一種圖形化的編程語言，利用虛擬儀器技術進行電路仿真分析，是高職院校系列課程從“驗證型實驗”到“設計型實驗”轉變的一種有效途徑。

一、前面板設計

（一）自定義控件

在LabVIEW中是沒有電阻、電容或電感控件的，需要用戶自定義。以電阻控件為例，自定義電阻控件的一般步驟為：

1.在前面板放置一個數值輸入控件，并右鍵點擊“高級”切換到自定義模式;2.在自定義模式下，在數值輸入控件的下方放置一個修飾框;3.分別準備橫向電阻和縱向電阻的圖片，大小調整合適，格式為PNG;4.右鍵點擊修飾框，選則“從文件導入圖片”;5.進一步修整后，保存控件，后綴為.ctl形式[1]。

（二）繪制電路圖

在自定義電阻控件完成后，可以利用“新式—修飾”下的線段或有向線段來搭建具體的電路圖。如圖1所示：

二、程序設計

（一）電路分析

以圖1電路圖所示，標記出來的3個支路電流I1，I2，I3為未知量，進行疊加定理計算。根據疊加定理可知：

單獨作用時： 單獨作用時：

整理成矩陣形式如下：

（1）

（二）程序設計

在程序設計中，使用到了math script節點和求“解線性方程組vi”。math script節點是基于MatLAB語法的一類公式節點，使用時可直接輸入數學表達式，僅需要滿足語法規范即可[2]。具體程序設計步驟如下：

1.將使用到的數值輸入控件R1、R2、R3、US1、IS1排列至一側，數值輸出控件I1、I2、I3排列之另一側;

2.放置math script節點，并在左側邊框添加輸入：R1、R2、R3、US1、IS1，右側邊框添加輸出：A，b，其中A表示公式（1）中的系數矩陣，b表示公式（1）中的等式右端項;

3.在math script節點中分別輸入A=[1 0 0;0 1 0;0 01];

b=[US1/（R1+R3）+IS1*R3/（R1+R3） ? IS1 ? US1/（R1+R3）+IS1*R1/（R1+R3）];其中的“”表示矩陣的轉置;

4.放置“求解線性方程組vi”和“索引數組vi”;

5.分別將數值輸入控件R1、R2、R3、US1、IS1與math scrip節點的輸入端相連，“求解線性方程組vi”的輸入端與A和b相連，“索引數組vi”的輸出端與I1、I2、I3相連;

6.在程序的外側添加while循環結構，放置“停止按鈕”。

程序的整體設計想見圖2。

（三）結果分析

點擊運行按鈕，任意調節電路圖中的數值輸入型控件，即可查看電路中的輸出結果。

結語

本文以直流電路中常見的分析方法——疊加定理為例，闡述了虛擬儀器技術在直流線性電路中的仿真應用。在學生掌握了基本的程序設計方法后，可以搭建任意電路進行分析，加深對理論知識的理解。另外，在前面板可以采用樹型控件、列表控件或者選項卡控件，將幾種電路分析方法集成到一個程序中，構成直流線性電路仿真實驗平臺。

參考文獻

[1] 位凱朋，蒲永紅，劉志堅，等.基于LabVIEW的虛擬電路實驗系統設計[J].產業與科技論壇，2018，17（12）：43-44.

[2] 王開宇，盧誠，姜艷紅，等.基于Multisim和LabVIEW的虛實結合數字電路實驗教學[J].實驗室研究與探索，2019，（38）2：140-143，159.