基于虛擬仿真技術的模擬電子技術實驗教學模式改革

王永玲，李劍鋒，趙玉杰，劉功亮，王季剛，趙 揚

(哈爾濱工業大學(威海)，山東 威海 264209)

模擬電子技術實驗是模擬電子技術課程的重要環節，是驗證課堂理論、鍛煉動手能力、培養創新能力的重要途徑。

模擬電子技術實驗的開展方式可分為實驗箱、便攜式“口袋實驗室”[1-3]和虛擬仿真系統[4-5]3 類。隨著現在信息技術的發展，以及《教育信息化十年發展規劃(2011—2020 年)》《關于一流本科課程建設的實施意見》等文件的發布，通過LabVIEW、Matlab、Multisim 和Unity3D 等技術手段實現的電子技術虛擬仿真系統應運而生[6-9]。特別是在新冠感染疫情期間，線下實物實驗難以開展，仿真實驗系統極大地解決了學生異地完成課程實驗的需求，且具有形象生動、易于操作、結果直觀和安全性高等優點[10]。

本文利用LabVIEW 的圖形化編程能力和Multisim的仿真功能，以聯合仿真和模塊化的方式設計了模擬電子仿真實驗系統，并探討了基于虛擬仿真技術的模擬電子技術實驗的開展方法。

一 仿真實驗系統設計

仿真實驗系統利用Access 數據庫進行用戶登錄驗證，利用LabVIEW 進行系統的界面和功能設計。用戶進入實驗系統后，系統會自動連接至Multisim 進行聯合仿真，從而獲得相應的實驗數據，并逐步完成整個實驗過程。系統的總體結構如圖1 所示。

圖1 仿真實驗系統的總體結構

（一）數據庫模塊

數據庫作為實驗系統搭建的底層需要，用來存儲實驗系統的用戶信息。數據庫的讀寫操作全部在Lab－VIEW 中控制，借助第三方數據庫工具包，配合SQL 語言對數據庫進行讀寫操作。數據庫操作的流程如圖2所示。

圖2 數據庫操作流程圖

系統利用Access 數據庫，并用第三方LabVIEW SQL 工具包實現數據庫連接。利用安裝后的工具包可完成Access 數據庫的讀寫操作，如圖3 所示。

圖3 數據庫連接工具包控件

（二）仿真實驗系統功能模塊

仿真實驗系統的功能設計通過模塊化的子VI 完成。學生登錄實驗系統后，可選擇需要完成的實驗，并根據實驗目的、實驗步驟等信息完成本次實驗的各個環節，記錄實驗數據，最后生成實驗報告，仿真實驗系統的功能流程如4 所示。

圖4 仿真實驗系統的功能流程圖

（三）Multisim 與LabVIEW 的聯合仿真

系統利用LabVIEW 2020 與Multisim 13.0 聯合仿真的方式實現LabVIEW 與Multisim 之間的數據交互，其原理如圖5 所示。

圖5 聯合仿真原理圖

在需要聯合仿真的Multisim 電路原理圖中放置Hierarchical Connector，通過LabVIEW 協同仿真終端設置接口的名稱、輸入輸出狀態和類型，然后將其連接至需要測量或操作的電路中。

在LabVIEW 仿真實驗系統的程序框圖中放置控制與仿真循環模塊，設置電路仿真的模擬參數和定時參數，然后在控制與仿真循環模塊中放置Multisim Design VI，導入設置好的Multisim 仿真文件，放置數值控件和XY 圖來調整電路參數和顯示輸出波形。

系統除采用LabVIEW 官方的聯合仿真模塊外，還采用第三方聯合仿真工具包 LabVIEW Multisim Connectivity Toolkit BETA，用以檢測LabVIEW 與Multisim 的連接狀態。

二 基于聯合仿真的晶體三極管共射放大電路設計分析實驗系統設計

靜態工作點是否合理與晶體三極管的動態性能息息相關，本實驗的基本任務是設計帶分壓偏置的共射放大電路，設置合理的靜態工作點，測量晶體三極管的放大倍數、輸入電阻和輸出電阻，掌握靜態工作點的位置對輸出波形的影響，其實驗步驟如圖6 所示。

圖6 晶體三極管共射放大電路設計分析的實驗步驟

（一）晶體三極管共射放大電路的靜態工作點調整實驗

根據實驗原理和要求，在Multisim 中設計帶分壓偏置的共射放大電路，加入壓控電壓源和壓控電阻，放置并設置Hierarchical Connector，如圖7 所示。其在LabVIEW 中的聯合仿真控件如圖8 所示。

圖7 靜態工作點調整實驗的仿真電路圖

圖8 靜態工作點調整實驗的聯合仿真控件接口

在LabVIEW中，選擇Sine Signal 控件，將其設置為輸出頻率l kHz、峰峰值30 mV 的正弦交流信號；選擇旋鈕控件控制電阻RP1的電阻值；選擇XY 圖實時顯示電壓波形；選擇表格控件記錄實驗數據，便于實驗報告的生成。靜態工作點調整實驗的系統界面如圖9 所示。靜態工作點調整實驗系統的程序框圖如圖10 所示。

圖9 靜態工作點調整實驗系統界面

圖10 靜態工作點調整實驗系統程序框圖

（二）晶體三極管共射放大電路的動態特性實驗

為了研究晶體三極管共射放大電路的反饋電阻Re1、負載電阻RL和集電極電阻RC對三極管動態性能的影響，這些電阻均設置為壓控電阻，并加入基極電阻Rs以間接測量三極管的輸入電阻，并將放大電路的輸入信號設置為輸出頻率和幅值均可調的正弦交流信號，其在Multisim 中的仿真電路圖如11 所示。

晶體三極管共射放大電路動態特性實驗系統中的波形發生器幅值調節和頻率調節通過數值滑動控件和乘法器實現；反饋電阻Re1通過單選按鈕實現是否接入；集電極電阻RC通過單選按鈕實現接入1.5 kΩ 或3 kΩ；負載電阻RL通過條件結構和枚舉控件實現開路、接入3 kΩ 或10 kΩ。參數調整部分的程序框圖如圖12 所示。

圖11 共射放大電路的動態特性實驗的仿真電路圖

圖12 參數調整部分的程序框圖

（三）實驗報告的生成

實驗完成后，利用NI 插件庫中自帶的LabVIEW Report Generation 工具包生成實驗報告。實驗報告會自動生成用戶的學號、姓名、實驗數據及實驗報告的提交時間等，其程序框圖如圖13 所示。

圖13 實驗報告生成模塊的程序框圖

三 晶體三極管共射放大電路設計分析的虛擬仿真與參數調整

（一）靜態工作點調整

在圖9 所示系統界面中點擊“開始仿真”按鈕，選擇“接入波形發生器”，觀察輸出電壓Uo的波形，如圖14所示。

圖14 靜態工作點過高，輸出波形失真

由圖14 可知，由于靜態工作點過高，輸出波形失真較為嚴重。然后逐漸增大控制電阻RP1的值，直至獲得不失真且幅值最大的電壓輸出，此時為最佳靜態工作點，如圖15 所示。

圖15 最佳靜態工作點，輸出波形無失真且幅值最大

選擇“斷開波形發生器”，記錄基極電壓UB、集電極電壓UC和發射極電壓UE，并計算靜態集電極電流ICQ，見表1。

表1 靜態工作點的調整實驗數據

（二）電壓放大倍數的測量

保持靜態工作點不變，波形發生器調節至頻率1 kHz，輸入電壓Ui的峰峰值為10 mV，分別測量反饋電阻Re1是否接入，集電極電阻RC為1.5 kΩ 或3 kΩ，負載電阻RL為3 kΩ、10 kΩ 或無窮大時對應的輸出電壓Uo的波形，部分實驗結果如圖16 所示。

圖16 電壓放大倍數測量的部分輸出電壓波形

在XY 波形圖中，移動游標，記錄輸出電壓的峰峰值Uopp，并計算放大倍數|Au|，見表2。

表2 電壓放大倍數的測量實驗數據

從表2 中可以看出，接入電阻Re1后，系統的放大倍數減小；集電極電阻RC越大，系統的放大倍數越大；負載電阻RL越大，系統的放大倍數越大。

（三）輸入/輸出電阻測量

輸入電阻測量時，保持靜態工作點不變，波形發生器為調節至頻率1 kHz，輸入電壓Ui的峰峰值10 mV，分別測量反饋電阻Re1是否接入，負載電阻RL為3 kΩ或無窮大時對應的輸入電壓Us的波形，部分實驗結果如圖17 所示。

圖17 輸入電阻測量的部分輸入電壓波形

在XY 波形圖中，移動游標，記錄輸入電壓的峰峰值Uspp，并計算輸入電阻ri，如公式(1)所示

輸入電阻的測量實驗數據見表3。

表3 輸入電阻的測量實驗數據

從表3 中可以看出，接入電阻Re1后，放大電路的輸入電阻增大；負載電阻RL對放大電路的輸入電阻基本沒有影響。

輸出電阻的測量方法與輸入電阻的測量方法類似，不再累述。

（四）靜態工作點的位置對輸出波形的影響

波形發生器調節至頻率1 kHz，輸入電壓Ui的峰峰值80 mV，不接入反饋電阻Re1，集電極電阻RC設置為3 kΩ，負載電阻RL為無窮大，調整Rp1的值，不同情況的波形輸出如圖18 所示。

圖18 靜態工作點的位置對輸出波形的影響

從圖18 中可以看出，Rp1過小，靜態工作點過高，放大電路飽和失真；Rp1過大，靜態工作點過低，放大電路截止失真；Rp1合適，靜態工作點適中，放大電路無失真。

（五）實驗報告的生成

實驗完成后，點擊“報告生成”，可生成本次實驗的實驗報告，如圖19 所示。

圖19 生成的部分實驗報告

表1 靜態工作點的測試實驗數據

四 結論

傳統的模擬電子技術實驗課程存在時空限制、器材老化、數據不準和統計困難等不足。基于LabVIEW 和Multisim 聯合仿真的模擬電子技術虛擬仿真實驗系統突破了硬件實驗系統的限制，滿足了高校在硬件設備短缺的條件下，特別是在疫情期間開展模擬電子技術實驗的需求，實現了課程實驗的全天候、高效開展，激發了學生的興趣和學習積極性，提高了實驗教學的質量。