李燕龍 蔡春曉 周 巍

(桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004)

LabVIEW在模擬電路課程教學(xué)中的應(yīng)用-以負(fù)反饋放大電路為例

李燕龍 蔡春曉 周 巍

(桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004)

基于LabVIEW仿真了模擬電子電路實驗中的負(fù)反饋放大電路，通過信號發(fā)生器給電路提供信號源，利用數(shù)據(jù)采集卡采集電路輸出信號，然后用 LabVIEW 顯示分析處理了采集信號，并計算了電路的靜態(tài)工作點。對其中的數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計了兩種方案，利用GDS-3152數(shù)字示波器結(jié)合LabVIEW和經(jīng)濟(jì)實惠的Microchip數(shù)據(jù)采集卡對電路的輸出波形分別進(jìn)行采集分析，通過比較兩者的優(yōu)缺點選擇出了GDS-3152數(shù)字示波器結(jié)合LabVIEW的方案進(jìn)行仿真設(shè)計，結(jié)果顯示仿真效果較好。

虛擬儀器；Labview；教學(xué)實驗；模擬電路

虛擬儀器是把真實的儀器搬到計算機(jī)桌面上，用戶根據(jù)自己的需要在軟件界面設(shè)計自己想要的功能。用戶通過鼠標(biāo)和鍵盤來代替真實儀器的按鈕，從而達(dá)到測試和測量的目的。虛擬儀器具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少、無縫集成四大優(yōu)勢[1]。LabVIEW作為一種虛擬儀器，利用圖形化的編程語言產(chǎn)生的程序框圖直觀，能實現(xiàn)設(shè)計儀器的應(yīng)用操作，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛使用[2,3]。

利用LabVIEW實現(xiàn)模擬電路課程教學(xué)，可以隨時使學(xué)生應(yīng)用儀器對實驗進(jìn)行操作，真正做到理論與實踐結(jié)合的授課方式，實現(xiàn)一邊上課一邊操作實驗，學(xué)生能現(xiàn)場操作儀器，立即檢驗理論知識，強(qiáng)化了教學(xué)效果。學(xué)生還可以利用課余時間反復(fù)操作儀器，老師就不用擔(dān)心儀器被破壞了或者擔(dān)心安全問題。LabVIEW虛擬實驗?zāi)軌驈?fù)現(xiàn)電子技術(shù)實驗室的內(nèi)容，可以實時監(jiān)測實驗的動態(tài)情況和實現(xiàn)原理，為學(xué)生們提供大量的實驗機(jī)會，對實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合有很大的幫助，不僅能提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，而且還節(jié)約成本，不斷的更新?lián)Q代，加上目前計算機(jī)的普及，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)計仿真比較方便。模擬電子技術(shù)實驗是電子類專業(yè)非常重要的基礎(chǔ)課程，因此在模擬電路課程教學(xué)中有重要意義[4]。

1 負(fù)反饋放大電路介紹

反饋放大電路由基本放大電路、反饋支路和比較環(huán)節(jié)組成。負(fù)反饋的用途很廣，在電子線路的應(yīng)用中，對改進(jìn)放大電路的性能起到很重要的作用。放大器中的負(fù)反饋就是把基本放大電路輸出量的一部分或全部按一定的方式送回到輸入回路，來影響凈輸入，對放大電路起自動調(diào)整作用，使輸出量趨向于維持穩(wěn)定。負(fù)反饋在電子電路中有著非常廣泛的應(yīng)用，雖然它使放大器的放大倍數(shù)降低，但能在多反面改善放大器的動態(tài)指標(biāo)，如穩(wěn)定放大倍數(shù)，改變輸入、輸出電阻，減少非線性失真和展寬通頻帶等。因此，幾乎所有使用的放大器都帶有負(fù)反饋[5]。

本文是基于兩級共射放大電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋來分析的。下圖為帶有負(fù)反饋的兩級阻容耦合放大電路，當(dāng)A、B相連接時，在電路中通過把輸出電壓uo引回到輸入端，加在晶體管是的發(fā)射極上，在發(fā)射極電阻上形成反饋電壓fu，電路圖如圖1所示。

圖1　負(fù)反饋原理圖

（1）負(fù)反饋可使放大電路的增益下降，負(fù)反饋放大電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Avf與開環(huán)電壓放大倍數(shù)Av之間的關(guān)系為：

式(1)中，F(xiàn)v是反饋系數(shù)；

引入負(fù)反饋后，電壓放大倍數(shù)Avf比沒有負(fù)反饋時的電壓放大倍數(shù)Av降低了（1+AvFv)倍，并且1+AvFv越大，放大倍數(shù)降低越多。

（2）負(fù)反饋可提高增益的穩(wěn)定性，當(dāng)環(huán)境或者元件參數(shù)發(fā)生變化時，會引起放大器增益變動，可以用增益的相對變化量來評價放大電路增益的穩(wěn)定性。引入開環(huán)放大倍數(shù)的相對變化量ΔA/A來描述開環(huán)放大倍數(shù)的程度，其中ΔA表示各種原因引起的放大電路開環(huán)放大倍數(shù)的變化量，該變化量除以放大倍數(shù)，即為開環(huán)放大倍數(shù)的相對變化量，如式(3)。ΔA/A越小就表示放大倍數(shù)越穩(wěn)定。同理，ΔAf/Af反映閉環(huán)放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。

上式表明，負(fù)反饋放大電路閉環(huán)放大倍數(shù)的不穩(wěn)定程度ΔAf/Af是開環(huán)放大倍數(shù)不穩(wěn)定程度ΔA/A的1/(1+AF）倍，也就是說，有各種原因引起開環(huán)放大倍數(shù)產(chǎn)生ΔA/A的相對變化量時，引入負(fù)反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化量時，引入負(fù)反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化量ΔAf/Af將減少到前者的1/（1+AF），這將明顯提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。

（3）串聯(lián)負(fù)反饋電路對輸入電阻輸出電路的影響，放大電路引入負(fù)反饋后，其輸入輸出電阻也隨之變化。不同類型的反饋對輸入、輸出電阻的影響個不相同，因此，在放大電路設(shè)計時可以選擇不同類型的負(fù)反饋以滿足對于輸入、輸出電阻的不同需要。凡屬于串聯(lián)負(fù)反饋電路，其輸入電阻都會增加，增加的程度與反饋深度與（1+AvFv）有關(guān)：

凡屬于電壓負(fù)反饋電路，其輸出電阻都減少，減少的程度與反饋深度（1+AvFv)有關(guān)：

2 基于LabVIEW的負(fù)反饋電路設(shè)計與實現(xiàn)

（1）GDS-3152與 Microchip數(shù)據(jù)采集卡的比較

GDS-3152系列采用VPO(Visual Persistence Oscilloscope)信號處理技術(shù)，以高速波型更新率以及多層次余暉顯示來提高波型顯示能力的效能。Microchip采集基于 USB 通信控制的多功能數(shù)據(jù)采集卡，集成了直流電壓量，TTL 輸出，TTL 輸入，以及 PWM 或可編程直流電壓信號輸出模塊，可用于產(chǎn)品自動化測試，工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測與控制、高等院?？蒲信c教學(xué)等多種領(lǐng)域。

如圖2、3所示，從圖形的采集來看，利用GDS-3152數(shù)字示波器所采集到的波形比 Microchip數(shù)據(jù)采集卡采集到的波形更為平滑[6]。處理數(shù)據(jù)的速度方面GDS-3152數(shù)字示波器對數(shù)據(jù)的處理是其他區(qū)普通采集卡無法達(dá)到的。Microchip數(shù)據(jù)采集卡所采集到的波形不能把負(fù)電壓在波形顯示控件上顯示出來，必須依賴直流偏置才能把整個波形顯示出來。但是從經(jīng)濟(jì)性來看，GDS-3152數(shù)字示波器比較昂貴，用于做普通的波形測試有點浪費，Microchip數(shù)據(jù)采集卡攜帶方便。通過比較兩者的優(yōu)缺點本文選擇 GDS-3152數(shù)字示波器結(jié)合LabVIEW的方案進(jìn)行后續(xù)仿真設(shè)計。

圖2　Microchip數(shù)據(jù)采集卡采集的波形

圖3　GDS-3152數(shù)字示波器采集的波形

（2）基于LabVIEW的負(fù)反饋放大電路實現(xiàn)

按照負(fù)反饋放大電路的電路參數(shù)，分別把他們輸入到labVIEW的輸入控件中，labVIEW的背面板照電路圖編寫有計算電路靜態(tài)工作點的程序流程圖。當(dāng)運行仿真的時候，labVIEW 就會按要求計算出靜態(tài)工作點和動態(tài)工作點。前面板的設(shè)計如圖 4所示，后面板的示波器采集部分使用雙通道采集VI[7,8]。

圖4　負(fù)反饋前面板設(shè)計圖

3 基于 labVIEW 的負(fù)反饋電路結(jié)果分析

由圖5和圖6可以看出，第一級的輸出幅值比第二級的輸出的幅值要小，驗證了晶體管對電路具有放大作用。由圖7和圖8所示當(dāng)電路中存在負(fù)反饋時，電路輸出的波形比較穩(wěn)定，雖然使電路的放大倍數(shù)下降了，但是能換取其他性能的改善。例如提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性、擴(kuò)展通頻帶、減少非線性失真等。當(dāng)沒有負(fù)反饋時電路中輸出的波形有較大的噪聲干擾，導(dǎo)致波形有毛刺。由于晶體管是非線性器件，在輸入信號較大時，將引起基極電流波形的失真，從而使放大電路輸出的波形也產(chǎn)生失真。引入負(fù)反饋后，由于反饋網(wǎng)絡(luò)是線性網(wǎng)絡(luò)（通常由電阻組成），不會引起失真，所以取自輸出信號的反饋信號，將大大減少非線性失真[9]。

圖5　負(fù)反饋第一級輸出波形圖

圖6　負(fù)反饋第二級輸出波形圖

圖7　有負(fù)反饋輸出波形圖

圖8　無負(fù)反饋輸出波形圖

4 結(jié)束語

模擬電子電路時電子類專業(yè)必不可少的課程，理論與實驗的相結(jié)合也正是現(xiàn)在需要探討的教學(xué)方法。利用 labVIEW建立模擬電子電路實驗仿真平臺，減少了調(diào)試儀器的時間，更能直觀的分析結(jié)果。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的采集、分析系統(tǒng)，降低了測試成本，提高了工作效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，提升了教學(xué)效率。

[1] 柴慧霞,程珩,薛松.虛擬儀器淺析[J].機(jī)械管理開發(fā),2008, 4(4):172-173.

[2] 陳國順,張桐.精通LabVIEW程序設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[3] 王海寶.LabVIEW 虛擬儀器程序設(shè)計與應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2005:48-52.

[4] 周井玲,蔡文.基于 LabVIEW 的教學(xué)實驗研究[J].南通工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,(3):88-90.

[5] 唐輝平,彭良玉.基于LabVIEW的模擬電路實驗教學(xué)平臺設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,(12):145-147.

[6] 固緯電子發(fā)表GDS-3000系列數(shù)字示波器[J].電子測量技術(shù),2010,(10):116-119.

[7] 陳樹學(xué).LabVIEW 實用工具詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[8] 江曉安,董秀峰.模擬電子技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008:176-178.

[9] 夏鍇,肖東.基于 LabVIEW 的基本放大器分析儀設(shè)計[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,(1):148-150.

Application of LabVIEW in Analog Circuit Course Teaching - A case study of negative feedback amplifier

Based on LabVIEW,the paper does simulation of analog electronic circuit experiment of negative feedback amplifier. The circuit signal source is provided by the signal generator. It uses data acquisition card to gather circuit output signal, and use the LabVIEW to display signal analysis and processing of the collection. Then, calculate the static operating point of the circuit. For the part of data collection, the paper designes two programs, the use of GDS-3152 Digital Oscilloscope combine LabVIEW and relatively affordable Microchip data acquisition card circuit collect output waveform and analysis were carried out respectively. By comparing the advantages and disadvantages, the program of GDS -3152 LabVIEW combining digital oscilloscope is selected to do simulation design and simulation results show better. Finally, the Web of LabVIEW is designed and the installation applications is generated. It facilitates distance learning and applications.

Visual instruments; Labview; teaching experiment; analog circuits

TP273

A

1008-1151(2015)07-0133-03

2015-06-10

桂林電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革項目“基于LabVIEW的模擬電子技術(shù)虛擬仿真實驗平臺”（ZL2842）；桂林電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革項目“針對電子認(rèn)知實習(xí)現(xiàn)場型教學(xué)改革與實施”（JGB201529）。

李燕龍（1989－），男，桂林電子科技大學(xué)助教，碩士研究生，研究方向為無線寬帶通信、信號處理。