LabVIEW模擬仿真與設計在線性電路課程中的應用

李德川+藍瀾+張永興

摘要：本文利用LabVIEW圖形化編程語言對線性電路進行設計和仿真，再現了電路中的電壓和電流參數。根據基爾霍夫定律，把回路電壓、電流方程整理成線性方程組，采用MATLAB script節點和Solve Linear Equations.vi子程序，便可解析出電路中的參數。結果表明，將LabVIEW應用于電路解析中，能有效增強學生對電路的認識和理解，培養學生的綜合設計能力。

關鍵詞：LabVIEW；線性電路；仿真

中圖分類號：TN98 文獻標識碼：B 論文編號：1674-2117（2017）06-0081-03

● 引言

在模擬電路中，對電流和電壓這兩個電路參數的求解有利于增強對電路的理解。但通常解析出電流參數后并不能直觀地反映在電路上，也不能直觀地反映某一個元件所占的分壓是多少。要測量這些參數，通常需要電壓源、電流源、電阻、萬用表等元件，但測量結果往往會受測量方式的影響，測量過程通常較長，時效性相對較差。而LabVIEW中集成了較多的VI，可以仿真模擬電路和數字電路中的電信號，具有直觀、快速、形象等特點。[1-4]同時，它解除了硬件條件對業務水平訓練的限制，使學生能夠通過可視化的編程，強化發現問題及解決問題的能力，有利于其在以后的學習和研究中，充分發揮計算機編程的先進技術，實現測試和監控的自動化。[5-8]本文以模擬電路為研究對象，直觀地展現了電路中的電壓、電流及功率等電路參數。

● 模擬電路的解析

在《電工電子學》[9]中有一例題，要求用疊加定理求流過R2的電流I2，其中已知Us=10V，IS=1A，R1=10Ω，R2=R3=5Ω，如圖1a所示。

按照疊加定理，圖1a可以拆分為當U單獨作用時I開路與當I單獨作用時U被短路這兩種情況（如圖1b、1c），最終得到流過R2的總電流為各獨立電源單獨作用時在該電阻上流過的電流的代數和，即：

通過疊加定理我們可以解析出流過R2的電流值的大小，但對R2兩端的電壓V、消耗的功率P2等相關信息還要通過計算，數值上不直觀，若更改其恒壓源與恒流源的數值后，其元件上的信息還要重新計算，不夠簡潔。下面筆者將通過LabVIEW對這一過程進行仿真，實時顯示電路中元件上的電流、電壓、功率等信息。

● LabVIEW系統的設計與仿真

1.軟件環境

要實現對模擬電路的仿真，應安裝LabVIEW和MATLAB。在使用LabVIEW進行圖形化編程時要打開MATLAB，這是MATLAB script過程中必須的操作，否則會出現“LabVIEW向腳本服務器發送變量失敗”的信息；或保持“MATLAB Command Window”，避免程序無法運行的故障。[10]

2.程序前面板和后面板的設計

（1）首先，在程序前面板中畫上電路圖，元件的圖形在“修飾”菜單下。其次，可以用“數值輸入控件”隨機輸入電源電壓、電阻和電源電流的信息，把要顯示的參數用“數值顯示控件”監控數值，本文中筆者用兩個數值顯示控件顯示流過R2的電流和R2的功率。其前面板圖如圖2所示。

設流過R1的電流為I1，方向從上向下；流過R2的電流為I2，方向從左向右；流過R3的電流為I3，方向從上向下。運用KCL和KVL對該電路列方程：

（2）在程序后面板中，經過連線，采用MATLAB script節點和Solve Linear Equations.vi子程序，解析出電路中的參數。為了使程序能夠連續運行，可采用While循環。在數學/線性代數/求解線性方程菜單下，選取Solve Linear Equations.vi子程序。在數學/腳本與公式/腳本節點子菜單下選取MATLAB腳本。在MATLAB腳本框上，右鍵添加輸入和輸出。在求功率的時候，用了兩個“乘”表示I2，使其具有電流平方的單位，若用“平方”則表示不出A2。若變量有單位，則需要在數據傳遞時，加上“單位轉換”，否則連線出錯。在需要變量的時候可以創建局部變量來使用，簡單便捷。后面板如圖3所示。

其中R1、R2、R3、U、I為輸入量，A、B表示矩陣，Solve Linear Equations.vi子程序輸出的三個量分別為I1、I2、I3。

（3）運行時的前面板如圖4所示。當選擇連續運行時，我們可以方便地改變電源電壓，隨時監控各個電阻上的電流，圖5所示的是改變恒壓源U與恒流源I時的前面板。若想監控各個電阻上消耗的功率，我們可以在圖4中加上“數值顯示控件”，在后面板加入功率模塊，可參考圖3中的P2模塊的組建。

● 結論

通過LabVIEW的線性方程組的子程序，我們可以形象地建立起模擬電路的模型，通過改變各個電路元件的值，通過數值顯示模塊，實時顯示電路參數，比電路的解析更直觀和形象。另外，虛擬實驗電路的建立，有助于學生突破硬件條件的限制，加深對抽象知識的理解，進一步培養分析問題和解決問題的能力。

參考文獻：

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[10]豈興明，周建興，矯津毅.LabVIEW 8.2中文版入門與典型實例[M].北京：人民郵電出版社，2010.

作者簡介：李德川（1985—），男，安徽懷遠人，博士，講師。