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(shù)明確的數(shù)據(jù)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(jiǎn)便。本章以“疊加定理”為例，闡述了直流線性電路仿真分析時(shí)前面板設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)的基本步驟。該方法可以進(jìn)行自由拓展，構(gòu)成直流線性電路的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù);程序設(shè)計(jì);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(shù)來實(shí)現(xiàn)直流電路的仿真分析過程。

虛擬儀器技術(shù)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，利用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行電路仿真分析，是高職院校系列課程從“驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)”到“設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)變的一種有效途徑。

一、前面板設(shè)計(jì)

（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(gè)數(shù)值輸入控件，并右鍵點(diǎn)擊“高級(jí)”切換到自定義模式;2.在自定義模式下，在數(shù)值輸入控件的下方放置一個(gè)修飾框;3.分別準(zhǔn)備橫向電阻和縱向電阻的圖片，大小調(diào)整合適，格式為PNG;4.右鍵點(diǎn)擊修飾框，選則“從文件導(dǎo)入圖片”;5.進(jìn)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(shè)計(jì)

（一）電路分析

以圖1電路圖所示，標(biāo)記出來的3個(gè)支路電流I1，I2，I3為未知量，進(jìn)行疊加定理計(jì)算。根據(jù)疊加定理可知：

單獨(dú)作用時(shí)： 單獨(dú)作用時(shí)：

整理成矩陣形式如下：

（1）

（二）程序設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)中，使用到了math script節(jié)點(diǎn)和求“解線性方程組vi”。math script節(jié)點(diǎn)是基于MatLAB語(yǔ)法的一類公式節(jié)點(diǎn)，使用時(shí)可直接輸入數(shù)學(xué)表達(dá)式，僅需要滿足語(yǔ)法規(guī)范即可[2]。具體程序設(shè)計(jì)步驟如下：

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

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

3.在math script節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)置;

4.放置“求解線性方程組vi”和“索引數(shù)組vi”;

5.分別將數(shù)值輸入控件R1、R2、R3、US1、IS1與math scrip節(jié)點(diǎn)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(shù)組vi”的輸出端與I1、I2、I3相連;

6.在程序的外側(cè)添加while循環(huán)結(jié)構(gòu)，放置“停止按鈕”。

程序的整體設(shè)計(jì)想見圖2。

（三）結(jié)果分析

點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，任意調(diào)節(jié)電路圖中的數(shù)值輸入型控件，即可查看電路中的輸出結(jié)果。

結(jié)語(yǔ)

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(shù)在直流線性電路中的仿真應(yīng)用。在學(xué)生掌握了基本的程序設(shè)計(jì)方法后，可以搭建任意電路進(jìn)行分析，加深對(duì)理論知識(shí)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(xiàng)卡控件，將幾種電路分析方法集成到一個(gè)程序中，構(gòu)成直流線性電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 位凱朋，蒲永紅，劉志堅(jiān)，等.基于LabVIEW的虛擬電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2018，17（12）：43-44.

[2] 王開宇，盧誠(chéng)，姜艷紅，等.基于Multisim和LabVIEW的虛實(shí)結(jié)合數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，（38）2：140-143，159.