LabVIEW,在模拟电子电路设计与仿真中的应用

摘要：该文介绍了基于LabVIEW的模拟电子电路设计与仿真，阐述了LabVIEW在编程特性、图形界面、扩展功能以及虚拟仪器技术等各方面作为模拟电子电路仿真软件的优势。以LabVIEW设计一个多功能信号发生器为例，详细说明了基于模拟电子电路设计与仿真的原理和方法， 教学实践证明，将LabVIEW技术与多媒体教学相结合，能有效地增强学生对电路的感性认识，使抽象的内容形象化，培养学生的综合设计应用能力和实践能力，对培养和造就应用型工程技术人才起到较大的促进作用。

关键词：LabVIEW程序设计；模拟电子技术；电路仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）18-4328-03

模拟电子技术实验是电子技术的一门重要的，实践性很强的专业基础课程。随着模拟电路技术和计算机技术的飞速发展，EDA（electronic design automation）技术作为电子设计与制造中的主流技术，已成为理工科专业学生必备技能之一。EDA 软件引入实验教学 ，可以让学生了解新技术新方法的运用，拓展思维，培养创新能力，如基于SPICE的各种针对模电的仿真技术，能仿真电路运行时的瞬时状况，并能观察各个节点的波形变化[1]。如Pspice、Protel等，有些还配有丰富的虚拟仪器和外设，能形象直观表现和测量电路工作现Tinna，Multisim等。EDA实践教学让学生真正体验工程师的产品设计制造流程，实现对学生的工程素质培养。

作为一种不是专业的EDA开发软件，美国国家仪器公司（National Instrunents Corpotion，NI）认为[2]，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。 过去40年的时间里，美国国家仪器公司（NI）通过虚拟仪器技术为测试测量和自动化领域带来了一场革新：虚拟仪器技术把现成即用的商业技术与创新的软、硬件平台相集成，从而为嵌入式设计、工业控制以及测试和测量提供了一种独特的解决方案。使用虚拟仪器技术，工程师可以利用图形化开发软件方便、高效的创建完全自定义的解决方案，以满足灵活多变的需求趋势。

1 虚拟仪器与LabVIEW技术

虚拟仪器就是建立在软件架构上的仪器系统，通用的计算机作为仪器的硬件平台，利用计算机强大的运输、储存、调用、显示和文件管理功能，将传统仪器的功能软件化，构成与传统仪器相似而又主要依赖计算机系统的特殊仪器系统[3]。虚拟仪器的正常工作是通过软件系统完成的，软件系统既要负责硬件的正常控制，也要对数据进行分析和处理，其主要分为操作系统，仪器系统和处理应用软件。操作系统一般就是PC机自身的操作系统。由于其结合了传统的PC架构，虚拟仪器因此具有很高的可靠性和可维护性。用户可以根据自身需求来对仪器的外观和功能进行深度开发，而且由于计算机性能的强大，虚拟仪器具有测量精度高，系统搭建方便，数据采集处理能力强等一系列特点。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）是由NI（美国国家仪器）开发的图形化程序编译平台[4]。和传统编程语言不同的是，图形化编程语言的程序流程采用了"数据流"的概念，其优势是设计者在完成系统组件的搭建的同时，就完成了软件的编写。LabVIEW创新性的引入了虚拟仪器的概念，用户可以通过友好的人机交互界面直接控制仪器。LabVIEW提供了大量的库函数，包括：信号截取、信号分析、机器视觉、数值运算、逻辑运算、声音震动分析、数据存储等。由于LabVIEW具有特殊的图形程序，简单易懂的开发接口，丰富的通信接口支持，大大缩短了开发原型的速度，也提高了软件的可维护性，因此逐渐受到系统开发及研究人员的喜爱。目前广泛的被应用于工业自动化领域。

2 模拟电子电路运用LabVIEW设计的原理和方法

虚拟仪器（VI）即LABVIEW应用程序，它是使用LabVIEW开发平台编制的程序，简称为VI。VI包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标/连接器[5]。

程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（Controls），输出量被称为显示（Indicators）。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。下面是一个温度计程序（Thermometer VI）的前面板。

每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。上述温度计程序（Thermometer VI）的框图程序如下：

图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口。图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就象函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。LabVIEW具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类，为工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和功能（Functions）模板。比如模拟电子电路中常用的信号处理子模板：包括信号发生、时域及频域分析功能模块

LabVIEW的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的。与一般的EDA软件设计编程仿真下载的过程不同，模拟电子电路系统仿真功能直接由软件即可实现。硬件设计可通过LabVIEW相应的数据采集卡或GPIB、PXI、VXI等各种总线系统与外部硬件电路连接实现。

3 在模拟电子电路中的应用实例

基于LabVIEW上述特点，结合教学和科研需要，我们选择LabVIEW作为开发平台，采用北京中科泛华测控技术有限公司开发的采集器，我们构建了实验室虚拟仪器系统。

一个多功能信号发生器设计是模拟电子技术实验中一个非常重要的综合实验， 在传统的实验中，采用元器件，面包板进行设计，同时用示波器测量激励信号和响应信号的频率、幅值，再实现其他参数时需要额外增加元件，造成电路结构复杂，由于波形输出为模拟信号，输出不精确，会有过冲，杂散等一系列问题。LabVIEW的强大功能使得其成为虚拟仪器设计的最佳选择在LabVIEW的控制模板中加入相关的按键和开关，由于控制模板的自由度很高，所以选择同时放置3个显示器，这样可以同屏显示3种不同波形，较容易比对。此外，加入频率选择控件，幅值选择控件，以及开关等必要按键。频率选择控件简化为数值输入控件，这样可以直接输入需要的幅值和频率等信息，将鼠标移至旋钮单击右键选择属性选项，在随后弹出的对话框中的外观选项的标签中将这些旋钮分别命名。此外，在前面板加入了数字滤波器的相关控件，这样就可以将多功能信号发生器和数字滤波器结合起来，通过在虚拟面板上的操作，既可以输出需要的信号波形，又可分析数字滤波器在时域上的功能。

程序部分的设计是整个设计的核心，其中，每个程序框可以认为是传统编程语言中的源代码，而所有的程序框就是VI源程序的最重要的组成部分，除此之外，节点，端子，连线构成了程序框之间的联系。其中，用节点实现了对函数的功能调用；用端子用于传输前面板和后台之间的数据。连线的作用是顺序执行程序的数据流并且指明数据流动方向。

程序调试成功之后的运行结果如图5所示，如图，前面板上显示，程序输出了一个频率为1Hz，采样频率为100Hz，不使用滤波器的信号波形，从时域波形上看，信号质量很好。

4 结束语

本文主要分析了基于LabVIEW的模拟电子电路设计与仿真，通过以上的叙述，可以看出虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，为模拟电子电路设计和仿真提供了另一个高效易用的软件平台。

参考文献：

[1] 陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 刘君华，贾惠芹，丁晖等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[3] 师黎.虚拟仪器技术在实验室建设中的应用研究[J].郑州工业大学学报，1999，70（2）：30-32.

[4] 袁渊，古军.虚拟仪器基础教程[M].成都：电子科技大学出版社，2002.

[5] National Instruments.Using LabVIEWto Create Multithreaded VIs [M].Texas： National Instruments，2000.

[6] 陈锡辉，张银红.LabVIEW8.20程序设计[M].北京：清华大学出版社，2007.

[7] 董尔令.电子技术[M].北京：科学出版社，2006.

[8] 雷震山，赵晨光，魏丽，等.LabVlEw8.20基础教程[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[9] 赵立新，郭利强，盛振旗.信号发生器中的宽带调频技术研究[J].国外电子测量技术，2009，28（5）：35-37.

[10] NI.LabVIEW user Manual[M].America：National Instrument Corporation，1998.

[11] NI.NI DAQ User Manual for PC Compatibles[M].America：National Instrument Corporation，2001.

[12] 杨乐平，等.LabVIEW高级程序设计[M].北京：清华大学出版社，2003.

[13] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[14] 赵剑锋，等.基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统[J].电气电子教学学报，2007（2）：35-40.

[15] 祁雪梅，潘东明.LabVIEW在数字信号处理教学中的应用[J].现在电子技术，2006，14（7）：70-72.

[16] 王俊峰，等.基于LabVIEW的信号处理虚拟实验系统[J].国外电子测量技术，2006（10）：52-56.