基于虚拟仪器的直流线性电路仿真分析

王中宝 刑海军

摘要：虚拟仪器技术明确的数据流向和直观的前面板显示形式，使得分析直流线性电路更加简便。本章以“叠加定理”为例，阐述了直流线性电路仿真分析时前面板设计、程序设计的基本步骤。该方法可以进行自由拓展，构成直流线性电路的仿真实验平台。

关键词：虚拟仪器技术;程序设计;线性电路;仿真

直流线性电路是由线性电阻和电源共同组成的电路。本文以叠加定理为例阐述一下利用虚拟仪器技术来实现直流电路的仿真分析过程。

虚拟仪器技术是一种图形化的编程语言，利用虚拟仪器技术进行电路仿真分析，是高职院校系列课程从“验证型实验”到“设计型实验”转变的一种有效途径。

一、前面板设计

（一）自定义控件

在LabVIEW中是没有电阻、电容或电感控件的，需要用户自定义。以电阻控件为例，自定义电阻控件的一般步骤为：

1.在前面板放置一个数值输入控件，并右键点击“高级”切换到自定义模式;2.在自定义模式下，在数值输入控件的下方放置一个修饰框;3.分别准备横向电阻和纵向电阻的图片，大小调整合适，格式为PNG;4.右键点击修饰框，选则“从文件导入图片”;5.进一步修整后，保存控件，后缀为.ctl形式[1]。

（二）绘制电路图

在自定义电阻控件完成后，可以利用“新式—修饰”下的线段或有向线段来搭建具体的电路图。如图1所示：

二、程序设计

（一）电路分析

以图1电路图所示，标记出来的3个支路电流I1，I2，I3为未知量，进行叠加定理计算。根据叠加定理可知：

单独作用时： 单独作用时：

整理成矩阵形式如下：

（1）

（二）程序设计

在程序设计中，使用到了math script节点和求“解线性方程组vi”。math script节点是基于MatLAB语法的一类公式节点，使用时可直接输入数学表达式，仅需要满足语法规范即可[2]。具体程序设计步骤如下：

1.将使用到的数值输入控件R1、R2、R3、US1、IS1排列至一侧，数值输出控件I1、I2、I3排列之另一侧;

2.放置math script节点，并在左侧边框添加输入：R1、R2、R3、US1、IS1，右侧边框添加输出：A，b，其中A表示公式（1）中的系数矩阵，b表示公式（1）中的等式右端项;

3.在math script节点中分别输入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“”表示矩阵的转置;

4.放置“求解线性方程组vi”和“索引数组vi”;

5.分别将数值输入控件R1、R2、R3、US1、IS1与math scrip节点的输入端相连，“求解线性方程组vi”的输入端与A和b相連，“索引数组vi”的输出端与I1、I2、I3相连;

6.在程序的外侧添加while循环结构，放置“停止按钮”。

程序的整体设计想见图2。

（三）结果分析

点击运行按钮，任意调节电路图中的数值输入型控件，即可查看电路中的输出结果。

结语

本文以直流电路中常见的分析方法——叠加定理为例，阐述了虚拟仪器技术在直流线性电路中的仿真应用。在学生掌握了基本的程序设计方法后，可以搭建任意电路进行分析，加深对理论知识的理解。另外，在前面板可以采用树型控件、列表控件或者选项卡控件，将几种电路分析方法集成到一个程序中，构成直流线性电路仿真实验平台。

参考文献

[1] 位凯朋，蒲永红，刘志坚，等.基于LabVIEW的虚拟电路实验系统设计[J].产业与科技论坛，2018，17（12）：43-44.

[2] 王开宇，卢诚，姜艳红，等.基于Multisim和LabVIEW的虚实结合数字电路实验教学[J].实验室研究与探索，2019，（38）2：140-143，159.