借助​NI Multisim​和​NI ELVIS​进行​模拟​电路​教学

概览

该​教程​将​为​你​介绍​如何​使用​NI​电路​教学​解决​方案,​包括​了​NI Multisim, NI ELVIS​和​NI myDAQ​设备,​来​为​学生​讲授​有源​模拟​滤波​器​的​知识。​本文​着重​介绍​一个​有源​RC​高​通​滤波​器。​通过​这个​指导,​学生​可以​在​Multisim​这个​相同​的​环境​中将​RC​滤波​器​的​仿真​结果​与​真实​原型​机​的​实验​结果​进行​对比。

RLC Circuit Design

RLC Circuit Design

NI​电路​教学​解决​方案​的​优势

通常​情况​下,​电路​理论​教学​包含​三​种​不同​的​手段: 课本​与​讲座、​软件​仿真​以及​实验​室​试验​板​与​测试。​这​三​种​教学​方法​互​不相干,​往往会​让​学生​们​在​教室​和​实验​室​之间​来回​奔波,​在​理论​与​实践​之间​苦苦​挣扎。​这种“喂养”或​每一​阶段​相互“隔离”的​教学​方式​不利​于​学生​获取​经验,​抑制​了​他们​发展​成为​工程​师​和​科学​家​的​可能。

 

 

NI​电路​教学​解决​方案​是​一个​完整​的​软​硬件​及​课程​平台,​教育​者​可​通过​设计、​原型​开发​和​电子​电路​测试​等​方面​的​实际​应用​培养​学生​的​专业​技能。​该​解决​方案​将​理论​与​仿真​的​真实​元​器件​直接​相连,​且​在​试验​中​快速​整合​物理​分析。​借助​于​NI Multisim​电路​设计​软件、​NI ELVIS 、​NI myDAQ​原型​和​测量​硬件​以及​NI LabVIEW​图形​系统​设计​软件,​教育​工作​者​能够​为​学生​奠定​强大​直觉​基础,​并​为​他们​提供​学习​和​职业​生涯​中​所需​的​理论。

 

所需​的​软件​和​硬件​环境

NI 教学​实验​虚拟​仪器​套​件​II(NI ELVIS II)​与​原型​实验​板​(供​学生​在​实验​室​使用)

NI myDAQ​和​原型​实验​板​(供​学生​在​课​后​使用)

NI Multisim

NI ELVISmx​仪器​驱动

电路​元件​(参考​第​三步​中的​器件​清单)

第​一步. 在​NI Multisim​中​创建​一个​电路

下​图​展示​了​Multisim​中的​一个​电路​设计​文件:

 

 

注意:​如果​你想​直接​搭建​电路,​请​跳到​第​三步。​同时,​如果​你​想要​在​同​一个​条件下​对比​仿真​数据​和​实际​实验​数据,​请​保证​你的​NI ELVIS II​设备​已经​和​你的​电脑​正确​相连​并​可以​检测​到,​然后​打开​Multisim。​Multisim​在​启动​的​时候​会​检测​所有​已经​连接​的​NI​设备。​所以​如果​你​新​连接​了​设备,​必须​关闭​Multisim​再​重新​打开。

 

1. 浏览​到​系统​菜单 Start»All Programs»National Instruments»Circuit Design Suite»Multisim​打开​Multisim。

 

 

2. 浏览​到​菜单​File»New»NI ELVIS II Design 来​创建​一个​新的​NI ELVIS II​或者​NI myDAQ​设计​文件​(本文​使用​的是​NI ELVIS II​设计​文件​范​例)。

 

 

 

3. 观察​电路​图,​NI ELVIS II​设备​具有​所有​的​接​线​端​口。​所以​你​可以​在​虚拟​的​环境​中​完整​地​仿真​硬件​仪器。

 

 

4.​右​键​点​击,​选择​Place component​来​放置​一个​需要​的​运算​放大器​(本​例​中​使用​的​一片​324)​构​建​有源​滤波​器。

 

 

在 Select a Component 对话​框​中​选择​以下​参数:
​数据​库: Master Database
​元件​组: Analog
​类别: OPAMP
​元件:  LM324N

 

点​击 OK 来​选择​元件​并​回到​电路​编辑​界面,​然后​放置​该​元件。

 

5. 左键​点​击​放置 LM324 运算​放大器​到​电路​图​上。​从​弹出​的​窗口​中​选择​A​型​运​放。

 

 

6. 当 Select a Component​对话​框​出现​以后,​你​可以​放置​下​一个​元件。​接​下来,​我们​放置​一个 220 nF 的​电容。

​在 Select a Component 对话​框​中​选择​以下​的​参数
​数据​库: Master Database
​元件​组: Basic
​类型:  CAPACITOR
​元件: 220n

 

 

7. 点​击 OK 来​选择​元件​并​回到​电路​编辑​界面,​然后​放置​该​元件,​重复​如上​的​操作​再​放置​一个​电容​元件。

 

 

8.  接​下来,​放置​10 kΩ 和 2 kΩ 的​电阻。

​在 Select a Component 对话​框​中​选择​以下​参数:
​数据​库: Master Database
​元件​组: Basic
​类别:  RESISTOR
​元件: 10k, 2k

 




9.  点​击 OK 来​选择​元件​并​回到​电路​编辑​界面,​然后​放置​电阻。



 

10. 现在​的​电阻​是​水平​放置​的,​但是​我们​需要​他​垂直​放置。​选择​中​该​电阻,​并​按下 <Ctrl-​R> 来​将​该​电阻​旋转​90​度。



 


​11.​使用 On-​page connectors 这个​比较​整洁​的​方式​来​为​运算​放大器​连接​电源,​这样​就​可以​避免​直接​从​NI ELVIS II​的​+15V​和-15V​端​口​处​连​线。 浏览​到​Place»Connectors»On-​page connector​菜单​来​完成​放置。


 

12. 在​NI ELVIS II​虚拟​仪器​附近​点​击​左键​放置​接口​作为​直流​电源。​如下​的​对话​框​窗口​会​弹出。​为​第​一个​接口​选择​+15,​第二个​接口​选择-15。



 

13. 将 On-​board connectors 连接​到​直流​电源​接口​上。



 

14. 如下​图​放置 On-​board connectors  并与​运算​放大器​的​第​4​脚​和​第​11​脚​相连,​为​运算​放大器​提供​电源。

 


 

15. 将​元件​连接​在一起​完成​该​电路。​NI ELVIS II Function Generator​作为​滤波​器​电路​的​输入,​在​输出​端,​你​可以​提供​一个​2 kΩ​的​负载​到​地。​将​NI ELVIS II Bode Analyzer 连接​到​电路​中​来​观察​输入​源​的​电压​和​滤波​以后​的​输出​电压。





​现在,​电路​已经​完成,​下​一节​将​介绍​如果​在​Multisim​中​仿真​NI ELVIS II​硬件​实现​波特​特性​分析,​并​观察​电路​行为。

 

注意:​该​电路​连接​到了​Scope 0 和 Scope 1,​同时​还​连接​到​Analog Input 0 和 Analog Input 1,​因为​仿真​的​NI ELVIS II​设备​使用​了​示波器​仪器,​另外​你将​物理​电路​连接​到了​模拟​输入​口。​你​可以​使用​示波器​通道​来​完成​物理​测试,​但是​这个​操作​需要​一条​信号​线​与​地​线​一分​二​的​BNC​电缆。

第二​步. 仿真​NI ELVIS II​仪器​实现​波特​特性​分析

1. 要​对​该​滤波​器​进行​正弦波​扫​频​测试,​首先​需要​启用​函数​发生​器。​双击 NI ELVIS II Function Generator 来​启用​该​虚拟​仪器,​打开​软​前​面板。



 

2. 现在​NI ELVIS II Function Generator​已经​成功​启用,​你​就​可以​关闭​软​前​面板​窗口,​函数​发生​器​将​保持​启用​的​状态。



 

3. 下面,​你​需要​启用​NI ELVIS II Bode Analyzer。​相同​的​办法,​找到​Bode Analyzer 以后​双击​启用​该​仪器。




 

4.​现在​NI ELVIS II Bode Analyzer​已经​启用。



 

在​开始​仿真​之前,​你​需要​检查​所有​的​设置​都是​正确​的。​如果​需要​的话,​修改​开始​频率,​停止​频率​和​步​长。​现在,​就​让​Device​控​件​选择​为​Simulate NI ELVIS II,​因为​首先​你​需要​仿真​该​设备。 

 

5. 要​开始​波特​特性​分析,​点​击​Multisim​工具​栏​上​的 Simulate​按钮​开始​扫​频​仿真​并​注意​观察​电压​变化。



 

6. 下​图​展示​的是​对​一个​有源​高​通​RC​滤波​器​进行​波特​特性​分析​的​仿真​数据​结果。.





​现在​你​已经​准备​好​在​NI ELVIS II​原型​实验​板​上​搭建​有源​RC​高​通​滤波​器​电路​来​比较​实际​电路​实验​数据​和​仿真​数据。

第​三步. 在​NI ELVIS II​实验​原型​板​上​搭建​电路​并​采集​实际​数据

1. Multisim​设计​文件​可以​产生​如下​的​元件​清单。​通过​Multisim​中的​菜单​Tools»Bill of Materials​可以​得到。

 

数量 说明
2 电容, 220 nF
2 电阻, 10 kΩ
1 电阻, 2 kΩ
1 运算​放大器, LM324A​或​类似​器件

 

2. 下一步​是在​NI ELVIS II​实验​原型​板​的​适当​位置​放置​这些​元件。​如果​你是​在​面包​板​上​连接​元件​和​导线​的​新手,​请在​Multisim​中​通过​菜单​Tools»View Breadboard​打开​3D​面包​板​工具​来​帮助​你​完成。

 

 

下​图​是​Multisim​中​NI ELVIS II​实验​原型​板​的​3D​视图。​通过​它,​你​可以​在​虚拟​的​面包​板​上​正确​地​放置​电路​元件。​在​相关​链接NI Multisim 3D Environment中有​更​详细​的​关于​这​部分​内容​的​信息

 

 

3.​当​物理​电路​搭建​好​之后,​你​需要​保证​你的​NI ELVIS II​设备​已经​正确​地​通过​USB​电缆​连接​到了​你的​电脑​上,​并且​可以​检测​到。​另外,​主​电源​和​实验​原型​板​的​电源​应该​打开。

 

4. 在​Multisim​环境​中,​你​可以​选择​从​你的​NI ELVIS II​设备​上​采集​数据。​打开​Multisim​中的​NI ELVIS II Bode Analyzer ,​你​应该​仍然​可以​看到​仿真​的​波特​分析​数据。​如果​你​没有​看到​仿真​数据,​请​按照​第二​步​中的​步骤​重要​进行​波特​特性​分析​仿真。

 

5. 在​波特​分析​仪​中,​根据​你​连接​的​设备​的​不同,​选择​Dev# (NI ELVIS II) 或者 Dev# (NI ELVIS II​+)。​这​就是​你的​物理​仪器。​接​下来,​Multisim​会​使用​你的​NI ELVIS II​器件​上​的​物理​仪器​来​产生​和​采集​数据,​目标​将会​是​你在​实验​原型​板​上​搭建​的​有源​RC​高​通​滤波​器​电路。

 

注意:​如果​你的​NI ELVIS II​设备​没有​在​列表​中​显示​出来,​请​保存​你的​Multisim​文件,​关闭​程序​以后​再​重新​打开。​会​将会​重新​生成​你的​电脑​系统​中​活动​的​NI​设备​列表。

 

 

6. 在​运行​程序​之前,​确保​你​已经​正确​选择​了​激励​和​响应​通道。​对​波特​特性​分析​来说,​要​开始​分析,​点​击​NI ELVISmx Bode Analyzer 窗口​中的​绿色​的​运行​按钮。

 

 

7. 现在​你​应该​可以​在​同​一个​图形​显示​控​件​中​看到​实际​电路​的​响应​数据​与​仿真​响应​数据​的​对比,​你​甚至​不需要​离开​Multisim​环境​就​可以​完成​所有​这些​操作。

 

 

结论

NI​电路​教学​解决​方案​是​专门​针对​学生​和​讲师​的​需求​设计​的​点到​点​的​工具​链。​它​具有​完美​的​软件​和​硬件​的​集成,​可以​引导​学生​完成​从​了解​电路​原理​到​开发​仿真​设计​再到​原型​验证​这​一系列​工程​和​设计​流程。

 

该​平台​包括​Multisim,​NI ELVIS II,​NI myDAQ,​LabVIEW​和​LabVIEW SignalExpress。​Multisim​提供​了​直观​的​电路​设计​和​SPICE​仿真​环境,​帮助​学生​探索​电路​原理,​观察​电路​行为。​它​具有​3D​原型​化​环境,​可以​帮助​学生​平滑​地​从​软件​环境​过渡​到​实验​室​环境。​使用​NI ELVIS II​和​NI myDAQ​原型​化​平台,​学生​可以​在​实验​室​或者​课外​使用​内​建​的​虚拟​仪器​(如​示波器,​万​用​表,​可变​电源,​函数​发生​器​等)​快速​并​方便​地​开发​他们​自己​的​电路,​并​进行​交互​式​地​测试。​LabVIEW​和​LabVIEW Signal Express​环境​提供​了​直观​的​界面​来​进行​测量,​帮助​学生​将​他们​的​实验​测量​数据​与​仿真​数据​在​同​一个​界面​中​进行​对比。