电子电路虚拟仪器实验平台的设计

陈福彬 姜 钧 王久和

北京信息科技大学 北京 100101

电子电路实验是电子信息类工程专业包括一些非电工专业(如计算机、机械等)的基础实验课，它关系到学生工程意识的建立、工作作风的养成、工程技术及基本技能的掌握。传统的硬件电路实验方法，可以培养学生动手能力，但存在着技术手段陈旧、学习效率不高等问题，并且限制了学生的主动性、探索性、创造性的发挥[1,2]。目前流行的、单纯的电路仿真设计软件，对学生的实践训练来说，有真实感不强的问题。因此实验手段要不断更新，应该做到：软件的虚拟仿真与实际硬件电路的设计制作测试相结合。虚拟仪器改变了传统的实验方法，利用程控仪器、虚拟仪器和计算机技术进行电路特性的自动分析测试[3,4]，为学生提供了现代的电路分析与测试手段[5]。

随着教学改革的深入，全国各高校对电子电路实验课在教学体系与内容、教学方法方面进行不断创新。电子电路虚拟仪器实验并非要取代传统仪器实验，而是对传统仪器实验的“补充”和“增强”。旨在建立一种新型的实验教学模式，提高学生的探索创新能力。

1 电子电路虚拟实验的内容

电子电路虚拟仪器实验包含的内容见表1。

表1　电子电路虚拟仪器实验内容

2 电子电路虚拟实验平台的构成

电子电路虚拟实验平台[5]由计算机(带有LabVIEW软件平台)、程控仪器、总线接口和电子电路四部分组成，如图1所示。

图1　实验平台的构成

虚拟实验平台基于计算机LabVIEW软件平台，完成电子电路参数自动化测试和测试结果的输出。在整个实验平台中，程控仪器担负着实际测量的任务，程控仪器的扩展性直接影响测试平台的系统设计，主要包括数字示波器、波形发生器、数字万用表和数字电源，采用的总线接口全部是USB接口。LabVIEW软件提供了与常用普通仪器总线(如GPIB、串行总线和以太网)相连接的函数库。

3 基于LabVIEW的测试软件设计

LabVIEW[6]是美国NI公司推出的一种基于图形化编程的软件开发工具，是一个高效的数据采集、分析和仪器控制软件开发平台。LabVIEW可以方便地建立自己的虚拟仪器，成为测试、测量和控制设计的专用工具，因此现以LabVIEW为虚拟仪器开发平台，设计虚拟仪器测试软件。

程控波形发生器软件设计LabVIEW程序图如图2所示，程序首先获得VISA资源名称，进行初始化，根据所需设定参数，例如输出的通道、电压幅度和频率等。然后进行数据的输出。

图2　程控波形发生器程序图

程控波形发生器前面板如图3所示，通过设定相关参数产生波形。

图3　程控波形发生器前面板

4 电子电路实验应用实例

应用实例：二阶电路的特性研究。该实验主要研究二阶动态电路响应的特点，分析二阶动态电路参数变化与过渡过程类型的关系。针对该实验我们强调实验过程的研究性，对比真实电路信号与仿真信号，深入理解真实物理系统特性。

4.1 仿真信号实验

图4　二阶电路

实验二阶电路如图4所示，在Multisim中进行仿真欠阻尼状态下，在Scope(XSC1)中使用T1，T2观察波形如图5所示，并保存数据为second order circuit.lvm。

图5　Multisim中仿真波形

4.2 真实电路信号实验

步骤一：通过程控波形发生器产生激励信号方波1 KHz，Vpp=5 V，占空比50%，前面板输入配置参数，运行程序输出激励信号。

步骤二：通过程控示波器获取系统响应信号，前面板如图6所示。

图6　示波器获取响应信号

4.3 数据分析

步骤一：波形特性提取：右键选择波形显示控件(Waveform graph)→显示项→游标→单点；通过标数据计算获取波形特性数据，如图7所示。

图7　二阶电路真实信号提取

步骤二：导入Multisim仿真波形，对比仿真信号与真实信号的响应特性。在LabVIEW程序框图中，添加函数→文件I/O→读取测量文件second order circuit.lvm，

获取系统响应特性如图8所示。

图8　仿真信号提取

5 结语

随着电子电路实验教学手段的不断发展和现代自动化测试的迫切需要，虚拟仪器实验成为专业实验室的重要教学模式。本文采用虚拟仪器技术，充分利用了已有的实验室资源，设计开发了电子电路虚拟仪器实验，不仅有助于提高电子电路系列课程的教学效果，加深学生对课程知识点的理解，更有助于学生学习主动性的提高和创新意识的培养。