李德川+藍(lán)瀾+張永興

摘要：本文利用LabVIEW圖形化編程語言對線性電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，再現(xiàn)了電路中的電壓和電流參數(shù)。根據(jù)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(jié)點(diǎn)和Solve Linear Equations.vi子程序，便可解析出電路中的參數(shù)。結(jié)果表明，將LabVIEW應(yīng)用于電路解析中，能有效增強(qiáng)學(xué)生對電路的認(rèn)識和理解，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；線性電路；仿真

中圖分類號：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)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(gè)電路參數(shù)的求解有利于增強(qiáng)對電路的理解。但通常解析出電流參數(shù)后并不能直觀地反映在電路上，也不能直觀地反映某一個(gè)元件所占的分壓是多少。要測量這些參數(shù)，通常需要電壓源、電流源、電阻、萬用表等元件，但測量結(jié)果往往會受測量方式的影響，測量過程通常較長，時(shí)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(shù)字電路中的電信號，具有直觀、快速、形象等特點(diǎn)。[1-4]同時(shí)，它解除了硬件條件對業(yè)務(wù)水平訓(xùn)練的限制，使學(xué)生能夠通過可視化的編程，強(qiáng)化發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力，有利于其在以后的學(xué)習(xí)和研究中，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)編程的先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測試和監(jiān)控的自動化。[5-8]本文以模擬電路為研究對象，直觀地展現(xiàn)了電路中的電壓、電流及功率等電路參數(shù)。

● 模擬電路的解析

在《電工電子學(xué)》[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(dāng)U單獨(dú)作用時(shí)I開路與當(dāng)I單獨(dú)作用時(shí)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(dú)立電源單獨(dú)作用時(shí)在該電阻上流過的電流的代數(shù)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(guān)信息還要通過計(jì)算，數(shù)值上不直觀，若更改其恒壓源與恒流源的數(shù)值后，其元件上的信息還要重新計(jì)算，不夠簡潔。下面筆者將通過LabVIEW對這一過程進(jìn)行仿真，實(shí)時(shí)顯示電路中元件上的電流、電壓、功率等信息。

● LabVIEW系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1.軟件環(huán)境

要實(shí)現(xiàn)對模擬電路的仿真，應(yīng)安裝LabVIEW和MATLAB。在使用LabVIEW進(jìn)行圖形化編程時(shí)要打開MATLAB，這是MATLAB script過程中必須的操作，否則會出現(xiàn)“LabVIEW向腳本服務(wù)器發(fā)送變量失敗”的信息；或保持“MATLAB Command Window”，避免程序無法運(yùn)行的故障。[10]

2.程序前面板和后面板的設(shè)計(jì)

（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(shù)值輸入控件”隨機(jī)輸入電源電壓、電阻和電源電流的信息，把要顯示的參數(shù)用“數(shù)值顯示控件”監(jiān)控?cái)?shù)值，本文中筆者用兩個(gè)數(shù)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(shè)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(yùn)用KCL和KVL對該電路列方程：

（2）在程序后面板中，經(jīng)過連線，采用MATLAB script節(jié)點(diǎn)和Solve Linear Equations.vi子程序，解析出電路中的參數(shù)。為了使程序能夠連續(xù)運(yùn)行，可采用While循環(huán)。在數(shù)學(xué)/線性代數(shù)/求解線性方程菜單下，選取Solve Linear Equations.vi子程序。在數(shù)學(xué)/腳本與公式/腳本節(jié)點(diǎn)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(shí)候，用了兩個(gè)“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(shù)據(jù)傳遞時(shí)，加上“單位轉(zhuǎn)換”，否則連線出錯(cuò)。在需要變量的時(shí)候可以創(chuàng)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(gè)量分別為I1、I2、I3。

（3）運(yùn)行時(shí)的前面板如圖4所示。當(dāng)選擇連續(xù)運(yùn)行時(shí)，我們可以方便地改變電源電壓，隨時(shí)監(jiān)控各個(gè)電阻上的電流，圖5所示的是改變恒壓源U與恒流源I時(shí)的前面板。若想監(jiān)控各個(gè)電阻上消耗的功率，我們可以在圖4中加上“數(shù)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(jié)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(gè)電路元件的值，通過數(shù)值顯示模塊，實(shí)時(shí)顯示電路參數(shù)，比電路的解析更直觀和形象。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)電路的建立，有助于學(xué)生突破硬件條件的限制，加深對抽象知識的理解，進(jìn)一步培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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[9]葉挺秀，張伯堯.電工電子學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[10]豈興明，周建興，矯津毅.LabVIEW 8.2中文版入門與典型實(shí)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(yuǎn)人，博士，講師。