透過 NI Multisim、​NI ELVIS、​NI myDAQ 輔助​類比​電路​教學

綜覽

此​線上​教學​示範​如何​使用 NI Multisim、​NI ELVIS、​NI myDAQ 組成​的 NI 電路​教學​解決​方案,​協助​學生​了解​主動​式​類比​濾波器, 重點​尤其​放在​主動​式 RC 高​通​濾波器。 有了​這些​教學​指南,​學生​即可​透過​相同​的 Multisim 環境,​比較​主動​式 RC 濾波器​的​模擬​結果​與​原型​製作​結果。

RLC Circuit Design

RLC Circuit Design

使用 NI 電路​教學​解決​方案​的​優點

一般​而言,​電路​理論​的​教學​工具​有 3 種: 教科書​與​課堂​講解、​軟體​模擬、​實驗室​內​的​麵包​板​製作​與​測試。 如果​這些​工具​之間​毫無​關聯,​學生會​很難​把​課堂​所​學​落實​到​實驗室,​更​別說​要​活用​理論。 在​這樣​的​情況​下,​各種​學習​階段​無法​彼此​銜接,​因此​學生​沒辦法​累積​必要​的​實力,​更別​說是​成為​未來​的​偉大​工程師​或​科學家。

 

 

NI 電路​教學​解決​方案​屬於​軟​硬體​與​課程​教材​的​完整​平台;​教師​可​針對​電子​電路​的​設計、​原型​製作、​測試​等​實際​應用,​建立起​學生​的​專業​知識。 此​解決​方案​可​透過​模擬​方式​銜接​理論​與​實際​元件,​並且​在​實驗​過程​中​整合​實際​的​分析​作業。 有了 NI Multisim 電路​設計​軟體、​NI ELVIS 與 NI myDAQ 原型​製作​與​量​測​硬體、​NI LabVIEW 圖形​化​系統​設計 (GSD) 軟體,​即可​協助​學生​打下​厚實​的​理論​基礎,​在​學校​與​職​涯​受用無窮。

 

建議​使用​的​軟​硬體

NI 教育​實驗室​虛擬​儀​控​套餐 II (NI ELVIS II) 與​原型​製作​機​板 (學生​可在​實驗室​使用)

NI myDAQ 與​原型​製作​機​板 (學生​可在​家​使用)

NI Multisim

NI ELVISmx 裝置​驅動​程式

電路板​元件 (請​參閱​步驟 3 的​元件​清單)

步驟 1. 使用 NI Multisim 建立​電路

下​圖為​使用 Multisim 設計​出來​的​電路:

 

 

注意: 如果​想要​先​建​置​電路,​請​直接​執行​步驟 3。 此外,​如果​想要​比較​相同​設定​的​模擬​資料​與​實際​資料,​請在​啟動 Multisim 之前​確保 NI ELVIS II 裝置​已​連接​至​電腦​並​檢查​設定。 Multisim 啟動​時會​自動​檢查​所有​已​連接​的 NI 裝置。 所以​必須​關閉 Multisim 然後​重新​開啟,​才能​偵測​新增​裝置。

 

1. 點​選​開始»所有​程式»National Instruments»Circuit Design Suite»Multisim 即可​啟動 Multisim。

 

 

2. 點​選 File»New»NI ELVIS II Design 即可​建立​新的 NI ELVIS II 或 NI myDAQ 設計 (這裡​以 NI ELVIS II 做​示範)。

 

 

 

3. 觀察​電路圖。​NI ELVIS II 裝置​具有​所有​端點​的​接頭,​因此​使用者​可以​在​虛擬​環境​中​充分​模擬​硬體​儀器。

 

 

4. 以​右鍵​點​選 Place component,​置​入​濾波器​所需​的​運算​放大器 (Op-​amp)。

 

 

在 Select a Component 對話​方塊​中​選取​下列​參數:
​Database: Master Database
​Group: Analog
​Family: OPAMP
​Component: LM324N

 

點​選 OK 以​完成​元件​選取,​返回​電路圖​並置​入​元件。

5. 以​左鍵​將 LM324 運算​放大器​置​入​電路圖。 在​彈出​式​視窗​點​選 A 以​選取 Type A 放大器。

 

 

6. 當 Select a Component 對話​方塊​重新​出現​時,​即可​置​入​下​一個​元件。 接著​請​置​入 220 nF 電​容器。

​在 Select a Component 對話​方塊​中​選取​下列​參數:
​Database: Master Database
​Group: Basic
​Family: CAPACITOR
​Component: 220n

 

 

7. 點​選 OK 返回​電路圖,​並​以​左鍵​將​電​容器​置​入​電路圖。 針對​第二​個​電​容器​重複​執行​相同​步驟。

 

 

8. 接著​置​入 10 kΩ 與 2 kΩ 電阻器。

​在 Select a Component 對話​方塊​中​選取​下列​參數:
​Database: Master Database
​Group: Basic
​Family: RESISTOR
​Component: 10k, 2k

 



 

9. 點​選 OK 以​返回​電路圖,​並​以​左鍵​將​電阻器​置​入​電路圖。



 

10. 現在​電阻器​為​水平​置​入,​請​改成​垂直​位置。 選取​電阻器​並​按下 Ctrl-​R 即可​將​電阻器​轉動 90 度。



 

11. 使用 On-​page connectors 供電​給​運算​放大器,​電路圖​就會​變得​更​簡潔,​不需要​直接​從​虛擬 NI ELVIS II 的 +15 V 與 -15 V 軌道​進行​接線。​點​選 Place»Connectors»On-​page connector。



 

12. 以​左鍵​將​接頭​放在 NI ELVIS II 的 DC 電源​虛擬​端點​附近。 以下​對話​方塊​會​隨​之​出現。 第​一個​接頭​請​選取 +15,​第二​個​則是 -15。



 


​13. 把 On-​board connectors 連接​至 DC 電源​軌道。


 

14. 置​入​並​連接 On-​board connectors,​以便​分別​供電​給​針腳 4 上方​與​針腳 11 下方​的​運算​放大器。

 


 

15. 將​所有​元件​連接​在一起,​即可​完成​電路圖。 NI ELVIS II Function Generator 是​濾波器​的​輸入​訊號,​使用者​可​針對​接地​輸出​提供 2 kΩ 負載。 將 NI ELVIS II Bode Analyzer 連接​至​電路圖,​觀察​濾波​後​的​來源​電壓​與​輸出​電壓。





​電路圖​現已​完成。 接下來​的​段落​會​說明​如何​模擬 NI ELVIS II 並​觀察​其​行為,​進而​透過 Multisim 執行 Bode 分析。

注意:​電路圖​已​連接​至 Scope 0 與 Scope 1,​以及 Analog Input 0 與 Analog Input 1,​因為​所​模擬​的 NI ELVIS II 裝置​採用​示波器,​而且​實體​電路圖​已​連接​至​類比​輸入​通道。 示波器​通道​可用​於​實際​測試,​但​必須​把 1 條 BNC 接線​分為 Ground 與 Signal 組合。

步驟 2. 模擬 NI ELVIS II 儀器​以便​執行 Bode 分析

1. 如​要​針對​濾波器​執行​正弦波​頻率​掃瞄,​必須​先​啟動​函式​產生器。 點​兩下 NI ELVIS II Function Generator 即可​啟動 VI 與 Soft Front Panel。



 

2. NI ELVIS II Function Generator 現已​啟動,​使用者​可以​關閉 Soft Front Panel 視窗。 函式​產生器​仍​維持​啟動​狀態。



 

3. 接著​請​啟動 NI ELVIS II Bode Analyzer。 以​同樣​的​方式​找到 Bode Analyzer 然後​點​兩下,​即可​啟動​儀器。




 

4. NI ELVIS II Bode Analyzer 現已​啟動。



 

開始​模擬​之前,​請​務必​確認​所有​設定​皆​正確​無誤。 必要​時​請​修改 Start Frequency、​Stop Frequency、​Steps (per decade) 項目。 Device 項目​請​保留 Simulate NI ELVIS II,​因為​這是​首先​要​模擬​的​裝置。

 

5. 在 Multisim 工具​列​中​選取 Simulate 按鈕,​即可​模擬​頻率​掃瞄,​並請​觀察 Bode 分析​的​電壓​結果。 



 

6. 下​圖為​主動​式​高​通 RC 濾波器​的 Bode 分析​模擬​資料​結果。





​現在​即可​在 NI ELVIS II 原型​製作​機​板​上​建​置​主動​式 RC 高​通​濾波器​電路,​比較​電路​與​模擬​資料。

步驟 3. 在 NI ELVIS II 原型​製作​機​板​上​建​置​電路,​並且​擷取​實際​資料

1. Multisim 設計​會​需要​以下​元件​清單。 請​前往 Multisim 的 Tools»Bill of Materials

即可​找到​這​份​文件。

 

數量 說明
2 電​容器,​220 nF
2 電阻器,​10 kΩ
1 電阻器,​2 kΩ
1 運算​放大器,​LM324A 或​類似​規格

 

2. 接下來​請將​元件​適當​置​入 NI ELVIS II 原型​製作​機​板。 如果​是​第一次​將​元件​連接​至​麵包​板,​可以​前往 Tools»View Breadboard 並​使用 Multisim 的 3D 麵包​板​工具。

 

 

這是 Multisim 所​提供​的 NI ELVIS II 原型​製作​機​板 3D 畫面。 這樣一來,​即​可以​虛擬​方式​將​電路​放在​麵包​板​上。 相關​連結​段落​的 NI Multisim 3D Environment

文件​會​進一步​說明​此​功能。

 

3. 確實​建​置​電路​之後,​請​確保 NI ELVIS II 裝置​已​透過 USB 連接​到​電腦,​而且​電腦​可​偵測​到此​裝置。 此外,​主​電源​與​原型​製作​機​板​的​電源​都要​開啟。 如果​遇到​任何​問題,​請​參考​相關​連結​段落​的 Where to Start With NI ELVIS II Series 文件。

 

4. 使用者​可以​在 Multisim 環境​中,​選擇​透過 NI ELVIS II 裝置​來​擷取​資料。 開啟 Multisim 內​的 NI ELVIS II Bode Analyzer。 Bode 分析​器​仍會​顯示​模擬​資料。 如果​沒有,​請​按照​步驟 2 重新​模擬 Bode 分析。

 

5. 選取 Dev# (NI ELVIS II) 或 Dev# (NI ELVIS II​+) 其中​一個​已​連線​的​裝置。 這就是​所謂​的​實體​裝置。 接著,​Multisim 會​採用 NI ELVIS II 裝置​的​實體​儀器​形式,​透過​原型​製作​機​板​上​的​主動​式 RC 高​通​濾波器​來​產生​並​擷取​資料。

 

注意: 如果 NI ELVIS II 裝置​並未​出​現在​清單​內,​請​儲存 Multisim 檔案,​接著​先​關閉​再​重新​開啟​程式。 這樣​可以​重新​整理​系統​內​的​主動​式 NI 裝置​清單。

 

 

6. 執行​程式​之前,​請​確保​已​針對 Bode 分析​選擇​了​適當的 Stimulus 與 Response 通道。 如​要​開始​分析,​請​點​選 NI ELVISmx Bode Analyzer 視窗​內​的 Run 綠色​按鈕。

 

 

7. 現在​可以​在​同​個​畫面​看到​實際​的​電路​回應​與​模擬​回應​比較,​完全​不需要​離開 Multisim 環境。

 

 

結論

NI 電路​教學​解決​方案​是​一種​整合​式​工具​鏈,​為了​滿足​學生​與​教師​的​需求​而​設計。 內建​的​軟​硬體​可​協助​學生​了解​電路​理論、​開發/​模擬​設計、​製作​並​檢驗​原型,​確實​掌握​工程/​設計​流程。

​該​平台​包含 Multisim、​NI ELVIS II、​NI myDAQ、​LabVIEW、​LabVIEW SignalExpress。 Multisim 具備​直覺​式​的​電路​設計​與 SPICE 模擬​功能,​可​協助​學生​了解​電路​理論​與其​行為。 其中​的 3D 原型​製作​環境​可​讓​學生​從​軟體​環境​開始​熟悉​實驗室​環境。 有了 NI ELVIS II 與 NI myDAQ 原型​製作​平台,​學生​即可​使用​內建​的​虛擬​儀器 (VI),​包含​示波器、​多功能​電​表、​可​調整​電源​供應​器、​函式​產生器​等,​輕鬆​快速​地​開發​電路,​無論​在家​或​實驗室​都能​以​互動​方式​執行​量​測​作業。 LabVIEW 與 LabVIEW SignalExpress 環境​則是​提供​直覺​式​的​量​測​介面,​可​協助​學生​在​同​個​畫面​上​比較​實際​與​模擬​的​量​測​資料。