LabVIEW模拟仿真与设计在线性电路课程中的应用

李德川+蓝澜+张永兴

摘要：本文利用LabVIEW图形化编程语言对线性电路进行设计和仿真，再现了电路中的电压和电流参数。根据基尔霍夫定律，把回路电压、电流方程整理成线性方程组，采用MATLAB script节点和Solve Linear Equations.vi子程序，便可解析出电路中的参数。结果表明，将LabVIEW应用于电路解析中，能有效增强学生对电路的认识和理解，培养学生的综合设计能力。

关键词：LabVIEW；线性电路；仿真

中图分类号：TN98 文献标识码：B 论文编号：1674-2117（2017）06-0081-03

● 引言

在模拟电路中，对电流和电压这两个电路参数的求解有利于增强对电路的理解。但通常解析出电流参数后并不能直观地反映在电路上，也不能直观地反映某一个元件所占的分压是多少。要测量这些参数，通常需要电压源、电流源、电阻、万用表等元件，但测量结果往往会受测量方式的影响，测量过程通常较长，时效性相对较差。而LabVIEW中集成了较多的VI，可以仿真模拟电路和数字电路中的电信号，具有直观、快速、形象等特点。[1-4]同时，它解除了硬件条件对业务水平训练的限制，使学生能够通过可视化的编程，强化发现问题及解决问题的能力，有利于其在以后的学习和研究中，充分发挥计算机编程的先进技术，实现测试和监控的自动化。[5-8]本文以模拟电路为研究对象，直观地展现了电路中的电压、电流及功率等电路参数。

● 模拟电路的解析

在《电工电子学》[9]中有一例题，要求用叠加定理求流过R2的电流I2，其中已知Us=10V，IS=1A，R1=10Ω，R2=R3=5Ω，如图1a所示。

按照叠加定理，图1a可以拆分为当U单独作用时I开路与当I单独作用时U被短路这两种情况（如图1b、1c），最终得到流过R2的总电流为各独立电源单独作用时在该电阻上流过的电流的代数和，即：

通过叠加定理我们可以解析出流过R2的电流值的大小，但对R2两端的电压V、消耗的功率P2等相关信息还要通过计算，数值上不直观，若更改其恒压源与恒流源的数值后，其元件上的信息还要重新计算，不够简洁。下面笔者将通过LabVIEW对这一过程进行仿真，实时显示电路中元件上的电流、电压、功率等信息。

● LabVIEW系统的设计与仿真

1.软件环境

要实现对模拟电路的仿真，应安装LabVIEW和MATLAB。在使用LabVIEW进行图形化编程时要打开MATLAB，这是MATLAB script过程中必须的操作，否则会出现“LabVIEW向脚本服务器发送变量失败”的信息；或保持“MATLAB Command Window”，避免程序无法运行的故障。[10]

2.程序前面板和后面板的设计

（1）首先，在程序前面板中画上电路图，元件的图形在“修饰”菜单下。其次，可以用“数值输入控件”随机输入电源电压、电阻和电源电流的信息，把要显示的参数用“数值显示控件”监控数值，本文中笔者用两个数值显示控件显示流过R2的电流和R2的功率。其前面板图如图2所示。

设流过R1的电流为I1，方向从上向下；流过R2的电流为I2，方向从左向右；流过R3的电流为I3，方向从上向下。运用KCL和KVL对该电路列方程：

（2）在程序后面板中，经过连线，采用MATLAB script节点和Solve Linear Equations.vi子程序，解析出电路中的参数。为了使程序能够连续运行，可采用While循环。在数学/线性代数/求解线性方程菜单下，选取Solve Linear Equations.vi子程序。在数学/脚本与公式/脚本节点子菜单下选取MATLAB脚本。在MATLAB脚本框上，右键添加输入和输出。在求功率的时候，用了两个“乘”表示I2，使其具有电流平方的单位，若用“平方”则表示不出A2。若变量有单位，则需要在数据传递时，加上“单位转换”，否则连线出错。在需要变量的时候可以创建局部变量来使用，简单便捷。后面板如图3所示。

其中R1、R2、R3、U、I为输入量，A、B表示矩阵，Solve Linear Equations.vi子程序输出的三个量分别为I1、I2、I3。

（3）运行时的前面板如图4所示。当选择连续运行时，我们可以方便地改变电源电压，随时监控各个电阻上的电流，图5所示的是改变恒压源U与恒流源I时的前面板。若想监控各个电阻上消耗的功率，我们可以在图4中加上“数值显示控件”，在后面板加入功率模块，可参考图3中的P2模块的组建。

● 结论

通过LabVIEW的线性方程组的子程序，我们可以形象地建立起模拟电路的模型，通过改变各个电路元件的值，通过数值显示模块，实时显示电路参数，比电路的解析更直观和形象。另外，虚拟实验电路的建立，有助于学生突破硬件条件的限制，加深对抽象知识的理解，进一步培养分析问题和解决问题的能力。

参考文献：

[1]耿国磊，别红霞.基于LabVIEW的高阻自动测量系统[J].电子测量与仪器学报，2009，23（3）：70-75.

[2]唐辉平，彭良玉.基于LabVIEW的模拟电路实验教学平台设计[J].现代电子技术，2013（12）：145-147.

[3]张锋，吴先球，谢海梅.基于虚拟仪器的数字电路仿真实验平台[J].汕头大学学报：自然科学版，2012，27（4）：68-74.

[4]周鹏，郭旭东，宛元生，等.LabVIEW在线性电阻电路中的应用[J].赤峰学院学报：自然科学版，2014（7）：51-53.

[5]栾美艳.采用虚拟测控软件LabVIEW实现控制系统的监控功能[D].大连：大连交通大学，2005.

[6]李鐵.基于LabVIEW的温室环境监控系统的研究[D].长春：吉林农业大学，2011.

[7]常京龙，鑫龙.基于LabVIEW的在线监控系统研究[J].长江大学学报：自然版，2011，08（10）：74-76.

[8]许珍，苏亚辉，夏懿，等.基于LabVIEW的远程视频监控系统设计与实现[J].中北大学学报：自然科学版，2015（5）：533-539.

[9]叶挺秀，张伯尧.电工电子学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[10]岂兴明，周建兴，矫津毅.LabVIEW 8.2中文版入门与典型实例[M].北京：人民邮电出版社，2010.

作者简介：李德川（1985—），男，安徽怀远人，博士，讲师。