基于虚拟仿真技术的模拟电子技术实验教学模式改革
时间：2023-04-21 23:45:01 来源：千叶帆 本文已影响人
王永玲，李剑锋，赵玉杰，刘功亮，王季刚，赵 扬
(哈尔滨工业大学(威海)，山东 威海 264209)
模拟电子技术实验是模拟电子技术课程的重要环节，是验证课堂理论、锻炼动手能力、培养创新能力的重要途径。
模拟电子技术实验的开展方式可分为实验箱、便携式“口袋实验室”[1-3]和虚拟仿真系统[4-5]3 类。随着现在信息技术的发展，以及《教育信息化十年发展规划(2011—2020 年)》《关于一流本科课程建设的实施意见》等文件的发布，通过LabVIEW、Matlab、Multisim 和Unity3D 等技术手段实现的电子技术虚拟仿真系统应运而生[6-9]。特别是在新冠感染疫情期间，线下实物实验难以开展，仿真实验系统极大地解决了学生异地完成课程实验的需求，且具有形象生动、易于操作、结果直观和安全性高等优点[10]。
本文利用LabVIEW 的图形化编程能力和Multisim的仿真功能，以联合仿真和模块化的方式设计了模拟电子仿真实验系统，并探讨了基于虚拟仿真技术的模拟电子技术实验的开展方法。
仿真实验系统利用Access 数据库进行用户登录验证，利用LabVIEW 进行系统的界面和功能设计。用户进入实验系统后，系统会自动连接至Multisim 进行联合仿真，从而获得相应的实验数据，并逐步完成整个实验过程。系统的总体结构如图1 所示。
图1 仿真实验系统的总体结构
（一）数据库模块
数据库作为实验系统搭建的底层需要，用来存储实验系统的用户信息。数据库的读写操作全部在Lab－VIEW 中控制，借助第三方数据库工具包，配合SQL 语言对数据库进行读写操作。数据库操作的流程如图2所示。
图2 数据库操作流程图
系统利用Access 数据库，并用第三方LabVIEW SQL 工具包实现数据库连接。利用安装后的工具包可完成Access 数据库的读写操作，如图3 所示。
图3 数据库连接工具包控件
（二）仿真实验系统功能模块
仿真实验系统的功能设计通过模块化的子VI 完成。学生登录实验系统后，可选择需要完成的实验，并根据实验目的、实验步骤等信息完成本次实验的各个环节，记录实验数据，最后生成实验报告，仿真实验系统的功能流程如4 所示。
图4 仿真实验系统的功能流程图
（三）Multisim 与LabVIEW 的联合仿真
系统利用LabVIEW 2020 与Multisim 13.0 联合仿真的方式实现LabVIEW 与Multisim 之间的数据交互，其原理如图5 所示。
图5 联合仿真原理图
在需要联合仿真的Multisim 电路原理图中放置Hierarchical Connector，通过LabVIEW 协同仿真终端设置接口的名称、输入输出状态和类型，然后将其连接至需要测量或操作的电路中。
在LabVIEW 仿真实验系统的程序框图中放置控制与仿真循环模块，设置电路仿真的模拟参数和定时参数，然后在控制与仿真循环模块中放置Multisim Design VI，导入设置好的Multisim 仿真文件，放置数值控件和XY 图来调整电路参数和显示输出波形。
系统除采用LabVIEW 官方的联合仿真模块外，还采用第三方联合仿真工具包 LabVIEW Multisim Connectivity Toolkit BETA，用以检测LabVIEW 与Multisim 的连接状态。
静态工作点是否合理与晶体三极管的动态性能息息相关，本实验的基本任务是设计带分压偏置的共射放大电路，设置合理的静态工作点，测量晶体三极管的放大倍数、输入电阻和输出电阻，掌握静态工作点的位置对输出波形的影响，其实验步骤如图6 所示。
图6 晶体三极管共射放大电路设计分析的实验步骤
（一）晶体三极管共射放大电路的静态工作点调整实验
根据实验原理和要求，在Multisim 中设计带分压偏置的共射放大电路，加入压控电压源和压控电阻，放置并设置Hierarchical Connector，如图7 所示。其在LabVIEW 中的联合仿真控件如图8 所示。
图7 静态工作点调整实验的仿真电路图
图8 静态工作点调整实验的联合仿真控件接口
在LabVIEW中，选择Sine Signal 控件，将其设置为输出频率l kHz、峰峰值30 mV 的正弦交流信号；
选择旋钮控件控制电阻RP1的电阻值；
选择XY 图实时显示电压波形；
选择表格控件记录实验数据，便于实验报告的生成。静态工作点调整实验的系统界面如图9 所示。静态工作点调整实验系统的程序框图如图10 所示。
图9 静态工作点调整实验系统界面
图10 静态工作点调整实验系统程序框图
（二）晶体三极管共射放大电路的动态特性实验
为了研究晶体三极管共射放大电路的反馈电阻Re1、负载电阻RL和集电极电阻RC对三极管动态性能的影响，这些电阻均设置为压控电阻，并加入基极电阻Rs以间接测量三极管的输入电阻，并将放大电路的输入信号设置为输出频率和幅值均可调的正弦交流信号，其在Multisim 中的仿真电路图如11 所示。
晶体三极管共射放大电路动态特性实验系统中的波形发生器幅值调节和频率调节通过数值滑动控件和乘法器实现；
反馈电阻Re1通过单选按钮实现是否接入；
集电极电阻RC通过单选按钮实现接入1.5 kΩ 或3 kΩ；
负载电阻RL通过条件结构和枚举控件实现开路、接入3 kΩ 或10 kΩ。参数调整部分的程序框图如图12 所示。
图11 共射放大电路的动态特性实验的仿真电路图
图12 参数调整部分的程序框图
（三）实验报告的生成
实验完成后，利用NI 插件库中自带的LabVIEW Report Generation 工具包生成实验报告。实验报告会自动生成用户的学号、姓名、实验数据及实验报告的提交时间等，其程序框图如图13 所示。
图13 实验报告生成模块的程序框图
（一）静态工作点调整
在图9 所示系统界面中点击“开始仿真”按钮，选择“接入波形发生器”，观察输出电压Uo的波形，如图14所示。
图14 静态工作点过高，输出波形失真
由图14 可知，由于静态工作点过高，输出波形失真较为严重。然后逐渐增大控制电阻RP1的值，直至获得不失真且幅值最大的电压输出，此时为最佳静态工作点，如图15 所示。
图15 最佳静态工作点，输出波形无失真且幅值最大
选择“断开波形发生器”，记录基极电压UB、集电极电压UC和发射极电压UE，并计算静态集电极电流ICQ，见表1。
表1 静态工作点的调整实验数据
（二）电压放大倍数的测量
保持静态工作点不变，波形发生器调节至频率1 kHz，输入电压Ui的峰峰值为10 mV，分别测量反馈电阻Re1是否接入，集电极电阻RC为1.5 kΩ 或3 kΩ，负载电阻RL为3 kΩ、10 kΩ 或无穷大时对应的输出电压Uo的波形，部分实验结果如图16 所示。
图16 电压放大倍数测量的部分输出电压波形
在XY 波形图中，移动游标，记录输出电压的峰峰值Uopp，并计算放大倍数|Au|，见表2。
表2 电压放大倍数的测量实验数据
从表2 中可以看出，接入电阻Re1后，系统的放大倍数减小；
集电极电阻RC越大，系统的放大倍数越大；
负载电阻RL越大，系统的放大倍数越大。
（三）输入/输出电阻测量
输入电阻测量时，保持静态工作点不变，波形发生器为调节至频率1 kHz，输入电压Ui的峰峰值10 mV，分别测量反馈电阻Re1是否接入，负载电阻RL为3 kΩ或无穷大时对应的输入电压Us的波形，部分实验结果如图17 所示。
图17 输入电阻测量的部分输入电压波形
在XY 波形图中，移动游标，记录输入电压的峰峰值Uspp，并计算输入电阻ri，如公式(1)所示
输入电阻的测量实验数据见表3。
表3 输入电阻的测量实验数据
从表3 中可以看出，接入电阻Re1后，放大电路的输入电阻增大；
负载电阻RL对放大电路的输入电阻基本没有影响。
输出电阻的测量方法与输入电阻的测量方法类似，不再累述。
（四）静态工作点的位置对输出波形的影响
波形发生器调节至频率1 kHz，输入电压Ui的峰峰值80 mV，不接入反馈电阻Re1，集电极电阻RC设置为3 kΩ，负载电阻RL为无穷大，调整Rp1的值，不同情况的波形输出如图18 所示。
图18 静态工作点的位置对输出波形的影响
从图18 中可以看出，Rp1过小，静态工作点过高，放大电路饱和失真；
Rp1过大，静态工作点过低，放大电路截止失真；
Rp1合适，静态工作点适中，放大电路无失真。
（五）实验报告的生成
实验完成后，点击“报告生成”，可生成本次实验的实验报告，如图19 所示。
图19 生成的部分实验报告
表1 静态工作点的测试实验数据
传统的模拟电子技术实验课程存在时空限制、器材老化、数据不准和统计困难等不足。基于LabVIEW 和Multisim 联合仿真的模拟电子技术虚拟仿真实验系统突破了硬件实验系统的限制，满足了高校在硬件设备短缺的条件下，特别是在疫情期间开展模拟电子技术实验的需求，实现了课程实验的全天候、高效开展，激发了学生的兴趣和学习积极性，提高了实验教学的质量。
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