電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)的設(shè)計

俞丙威　王宇霄　黃海燕　王飛

摘? 要：電子技術(shù)是電類專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課程，是一門集理論與實(shí)踐的重要課程。在信息化教學(xué)背景下，虛擬化的數(shù)字實(shí)驗資源建設(shè)越來越重要。文章結(jié)合電子技術(shù)課程需求和信息化的手段，提出了一種基于LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真的電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)在Multisim端建立相關(guān)電子技術(shù)實(shí)驗?zāi)Ｐ停脩?yīng)用編程接口，實(shí)現(xiàn)在LabVIEW端對模型的參數(shù)設(shè)置與仿真結(jié)果顯示。從運(yùn)行結(jié)果來看，該系統(tǒng)能夠滿足日常實(shí)驗教學(xué)的需求，有效減少了實(shí)驗室管理人員的工作量，提高了教師的工作效率。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；Multisim；聯(lián)合仿真；電子技術(shù)；虛擬實(shí)驗系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.9；TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

電子技術(shù)作為一門集理論和實(shí)踐于一體的課程，它不僅要求學(xué)生掌握電子電路的基本分析和計算，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對電子電路的設(shè)計及實(shí)際應(yīng)用的能力。因此實(shí)驗教學(xué)是電子技術(shù)課程不可或缺的一部分。在我國高等教育計劃中，培養(yǎng)適合社會和企業(yè)需求的人才所花費(fèi)的硬件投入占學(xué)校投入的三分之一，尤其是在電子教學(xué)領(lǐng)域，每年需要采購各種電子元件以供學(xué)生的實(shí)驗學(xué)習(xí)之用[1]。此外，在信息化教學(xué)和新冠疫情等背景下，借助于數(shù)字化的技術(shù)手段，建設(shè)虛擬化的教育實(shí)驗資源開展線上虛擬實(shí)驗教學(xué)將成為各高校刻不容緩的工作之一。

2018年教育部開始評審國家級虛擬實(shí)驗項目，以項目為導(dǎo)向的實(shí)驗虛擬技術(shù)落地課堂教學(xué)[2]。本文根據(jù)電子技術(shù)課程的實(shí)驗需求，開發(fā)了基于LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真的電子技術(shù)虛擬實(shí)驗系統(tǒng)。

1? 實(shí)驗系統(tǒng)概述

Multisim是一款專門用于電路仿真和設(shè)計的軟件，是目前較為流行的EDA（Electronic Design Automation）工具之一。它不僅有著豐富的元器件庫，還提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器等虛擬儀器，且其操作方式與真實(shí)儀器基本一致，再加上友好直觀的界面，給電路相關(guān)的仿真帶來很大的便利[3]。

虛擬儀器是指以通用計算機(jī)作為系統(tǒng)控制器，由軟件來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和大部分儀器功能的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)[4]。NI公司開發(fā)的LabVIEW是目前最為成功的虛擬儀器軟件之一，其圖形化界面可以方便地進(jìn)行虛擬儀器的開發(fā)，并在測試測量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

整個電子技術(shù)虛擬實(shí)驗系統(tǒng)框架如圖1所示，主要包含兩大系統(tǒng)：Multisim電路仿真系統(tǒng)和LabVIEW交互統(tǒng)計系統(tǒng)。

其中Multisim電路仿真系統(tǒng)包含了4個常見電子技術(shù)模型：反相比例放大電路；同相比例放大電路；反相加法運(yùn)算電路；減法運(yùn)算電路。LabVIEW交互統(tǒng)計系統(tǒng)包含了4個模塊：登錄模塊；自校驗?zāi)K；聯(lián)合仿真模塊；仿真結(jié)果統(tǒng)計模塊。Multisim與LabVIEW軟件之間通過應(yīng)用編程接口（Application Programming Interface Toolkit， API）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

本文以電子技術(shù)中的反相比例放大電路為例，介紹本虛擬實(shí)驗系統(tǒng)的組成與功能。

2? Multisim建模仿真

僅從外部端子分析，運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)的電壓放大器，既可用于交流電壓的放大，也可用于直流電壓的放大。用u+、u-分別表示同相輸入端和反相輸入端的節(jié)點(diǎn)電壓，則輸入端口電壓ud = u+ - u-。在輸出端開路的情況下，輸出電壓uo和輸入端口電壓ud的關(guān)系曲線可近似用圖2所示的曲線來表示，該曲線又被稱為實(shí)際運(yùn)算放大器的輸入輸出特性曲線。曲線中的水平部分稱為運(yùn)算放大器的飽和區(qū)，中間的過零點(diǎn)的直線部分被稱為運(yùn)算放大器的線性區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)輸出電壓uo和輸入端口電壓ud成正比。

反相比例放大電路的基本形式如圖3所示，輸入信號ui經(jīng)過R1加在集成運(yùn)放U1的反相輸入端。Rf為反饋電阻，將輸出電壓uo反饋至反相輸入端，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋，引入合適的負(fù)反饋，可使得閉環(huán)放大電路在較大的范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性放大狀態(tài)。R2為平衡電阻，目的是使集成運(yùn)放U1兩輸入端的對地直流電阻相等，運(yùn)放的偏置電流不會產(chǎn)生附加的失調(diào)電壓。

根據(jù)上述內(nèi)容，在Multisim中建立反相比例放大電路的模型如圖4所示。將其作為理想運(yùn)算放大器進(jìn)行分析可知：

反相比例放大虛擬仿真最重要的驗證理論中運(yùn)算放大器的“虛短”“虛斷”和放大功能。為了更為直觀的觀測到仿真的效果，在模型中引入了示波器XSC2和表筆探頭。上述電路模型仿真結(jié)果如圖5所示，結(jié)合示波器的相關(guān)設(shè)置和插入的表筆探頭，可得輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系符合式（1）（2）（3），即仿真結(jié)果與理論分析一致。

3? LabVIEW交互統(tǒng)計

LabVIEW交互統(tǒng)計系統(tǒng)主要包括四個模塊：登錄模塊；自校驗?zāi)K；聯(lián)合仿真模塊；仿真結(jié)果統(tǒng)計模塊，整體的程序框圖如圖6所示。

登錄模塊設(shè)置了3級權(quán)限管理：學(xué)生、管理員和教師。不同權(quán)限等級的人員登錄后，可在系統(tǒng)主界面中執(zhí)行不同的操作。學(xué)生權(quán)限登錄后，僅可對必要的實(shí)驗仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以反相比例放大電路為例，學(xué)生僅可對反饋電阻Rf進(jìn)行設(shè)置，從而改變整個放大電路的輸入輸出放大倍數(shù)。管理員權(quán)限可對電路中的所有電阻、電容、電感等元器件的數(shù)值進(jìn)行修改。教師權(quán)限除了基本的參數(shù)修改和仿真功能外，還可對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總查看。

自校驗?zāi)K，在LabVIEW端通過方法節(jié)點(diǎn)和屬性節(jié)點(diǎn)的方式與Multisim建立基礎(chǔ)的連接，并獲取Multisim軟件的基本信息，用于仿真實(shí)驗前的校驗，避免在仿真時由于通信和版本等原因?qū)е路抡媸　?/p>

聯(lián)合仿真模塊是本虛擬實(shí)驗系統(tǒng)的核心。聯(lián)合仿真模塊通過LabVIEW Multisim API Toolkit[6]這一工具包實(shí)現(xiàn)在LabVIEW端對Multisim的自動連接等功能，再借助于屬性節(jié)點(diǎn)和方法節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)軟件之間的數(shù)據(jù)交互。虛擬實(shí)驗系統(tǒng)根據(jù)所選擇的實(shí)驗內(nèi)容調(diào)用不同的通信仿真子vi。以反相比例放大電路為例，LabVIEW通信仿真部分程序框圖如圖7所示。反相比例放大電路中主要涉及的電路參數(shù)為同相輸入端處的電位和電流、反相輸入端處的電位和電流、反饋電阻Rf、輸入和輸出波形。在仿真運(yùn)行前，通過List Outputs.vi設(shè)置仿真輸出數(shù)據(jù)的類型；通過Set RLC Value.vi設(shè)置反饋電阻Rf大小；通過Set Output Request.vi設(shè)置仿真輸出數(shù)據(jù)量的大小和采樣速率。待系統(tǒng)仿真完成后，利用List Outputs.vi中設(shè)置的數(shù)據(jù)類型和數(shù)組索引，可從所有數(shù)據(jù)中取出實(shí)驗系統(tǒng)所需的部分，并將其轉(zhuǎn)為波形圖或數(shù)值輸出，具體的程序框圖如圖8所示。

仿真結(jié)果統(tǒng)計模塊可將學(xué)生登錄信息、系統(tǒng)時間和實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行綁定并最終輸出為excel保存到本地，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗報告的無紙化管理。為了提高實(shí)驗室管理人員和教師的管理效率，本模塊還加入了統(tǒng)計功能，可查詢學(xué)生在各實(shí)驗中的完成情況。

虛擬實(shí)驗系統(tǒng)的主界面如圖9所示。以電子技術(shù)中的反相比例放大電路為例，整個系統(tǒng)的執(zhí)行步驟如下：用戶選擇權(quán)限并登錄系統(tǒng)，待登錄成功后，系統(tǒng)會在主界面中刷新用戶信息，并對系統(tǒng)的參數(shù)和變量進(jìn)行自校驗和初始化；通過下拉列表選擇本次實(shí)驗內(nèi)容并設(shè)定開放出來的實(shí)驗參數(shù)；最后點(diǎn)擊開始仿真，等待LabVIEW主程序與Multisim進(jìn)行數(shù)據(jù)交互后獲取當(dāng)前次仿真測試的結(jié)果并將結(jié)果顯示在主界面上；最后將用戶的登錄信息、系統(tǒng)時間和仿真結(jié)果3個信息匯總為excel表格保存至本地，便于后期資料的管理。

4? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)結(jié)合LabVIEW控件操作自由、顯示方式多樣和Multisim設(shè)計電路簡單實(shí)用等特點(diǎn)，設(shè)計了一種基于LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真的電子技術(shù)虛擬實(shí)驗系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用戶登錄信息的管理、LabVIEW和Multisim的聯(lián)合仿真、LabVIEW端仿真結(jié)果的顯示和仿真結(jié)果統(tǒng)計匯總的功能。整個系統(tǒng)操作簡單、交互方便、功能強(qiáng)大，具有極強(qiáng)的可移植性和可拓展性，能很好的過渡理論知識和實(shí)踐操作兩部分內(nèi)容，為學(xué)生提供了一種安全、無經(jīng)濟(jì)成本的電路設(shè)計方式，并且對于建設(shè)虛擬化的教育實(shí)驗資源、開展線上虛擬實(shí)驗教學(xué)具有一定意義。此外，本系統(tǒng)還對學(xué)生實(shí)驗過程和結(jié)果實(shí)現(xiàn)了無紙化資源管理，有效提高了實(shí)驗室管理員和教師的工作效率。

參考文獻(xiàn)：

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[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.

作者簡介：俞丙威（1992—），男，漢族，浙江諸暨人，碩士，主要研究方向：智能控制技術(shù)；王宇霄（1993—），女，漢族，浙江東陽人，碩士，主要研究方向：智能控制技術(shù)；黃海燕（1981—），女，漢族，浙江東陽人，副教授，主要研究方向：智能控制技術(shù)；王飛（1981—），男，漢族，江蘇東臺人，博士，主要研究方向：智能控制技術(shù)。