秦紅波 趙偉 劉巖 顧航

摘要：基于LabVIEW、Multisim和Python聯(lián)合仿真平臺實現(xiàn)了電調(diào)電路的幅頻特性仿真與優(yōu)化，Multisim主要實現(xiàn)電調(diào)電路的時域響應仿真，Python主要完成幅頻特性計算、電路性能分析和參數(shù)優(yōu)化等數(shù)據(jù)處理，LabVIEW作為聯(lián)合仿真平臺用于連接Multisim和Python兩個模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、圖形顯示，以及電路參數(shù)的更迭控制。設計的聯(lián)合仿真實驗實現(xiàn)了相關(guān)理論知識的串聯(lián)和仿真工具的交互，旨在培養(yǎng)學生對于理論知識和仿真工具的實際應用能力。

關(guān)鍵詞：電調(diào)電路；參數(shù)優(yōu)化；聯(lián)合仿真

一、引言

LabVIEW和Multisim是美國國家儀器公司（NI）開發(fā)的兩款軟件，其中LabVIEW是一種圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，而Multisim是一種功能強大的模擬/數(shù)字電路仿真軟件，二者結(jié)合可以為電路虛擬仿真提供更加豐富的功能[1-3]。另一方面，隨著近年來人工智能技術(shù)的興起，高級編程語言Python在大數(shù)據(jù)、圖像識別、科學計算等領(lǐng)域得到了廣泛應用，其與LabVIEW相結(jié)合可用于測試測量任務，將成為當前發(fā)展的方向之一[2-3]。盡管LabVIEW分別與Multisim和Python進行聯(lián)合仿真已有公開文獻可查，但三者之間協(xié)同工作卻鮮有報道，考慮到這三款軟件在各自領(lǐng)域具有的獨特優(yōu)勢，相互結(jié)合并協(xié)同仿真將值得人們的期待。

利用LabVIEW中Control Design＆Simulation模塊和Connectivity模塊，分別對Multisim和Python進行調(diào)用，實現(xiàn)三者之間的協(xié)同仿真，由此搭建的聯(lián)合仿真平臺可用于電調(diào)電路的時域仿真、響應分析和參數(shù)優(yōu)化，有助于學生掌握電路時域仿真的基本原理，理解數(shù)據(jù)的采集、測試與分析，與智能算法相結(jié)合，啟發(fā)學生將人工智能技術(shù)應用于電子電路的仿真和優(yōu)化當中，激發(fā)學習興趣，提高自主創(chuàng)新能力。

二、聯(lián)合仿真原理

圖1所示，聯(lián)合仿真基于LabVIEW仿真平臺，通過調(diào)用Multisim的電路仿真模塊和Python的算法模塊，來完成整個虛擬仿真實驗，軟件版本分別為LabVIEW 2018，Multisim 14.2和Python 3.6。首先，對所涉及的主要部分進行簡要介紹：

（一）電調(diào)電路

選擇RLC模擬電路作為研究對象，以壓控器件的電壓偏置作為電調(diào)參數(shù)，利用Multisim軟件對不同電調(diào)參數(shù)下的電路響應進行仿真，進而對其幅頻特性進行計算，之后通過智能算法得到電調(diào)電路中最優(yōu)參數(shù)。

（二）智能算法

將電調(diào)電路仿真結(jié)果與目標響應之間的誤差構(gòu)造成待優(yōu)化的目標函數(shù)，電調(diào)電路中壓控器件的偏置電壓作為優(yōu)化參數(shù)，再利用Python語言實現(xiàn)的模擬退火算法對該目標函數(shù)進行優(yōu)化，進而預測出更加合理的優(yōu)化參數(shù)。

（三）協(xié)同控制

電調(diào)電路作為研究對象，智能算法作為優(yōu)化工具，二者協(xié)同配合離不開LabVIEW軟件平臺，部分數(shù)據(jù)的處理、參數(shù)更新迭代和循環(huán)控制等由LabVIEW完成。

為了更清楚的說明聯(lián)合仿真的過程，對以上三個部分進行詳細說明。

三、Multisim的電路仿真模塊

圖2是Multisim軟件仿真的電調(diào)電路，其中Input和Output分別是電路的源端和負載端，Bias1，Bias2和Bias3分別是壓控電容的偏置電壓，本文通過改變偏置電壓來調(diào)整電路響應，優(yōu)化目標是1MHz以下的低通濾波器，截止頻率在500kHz附近。圖3所示，利用LabVIEW中Control Design＆Simulation模塊對Multisim仿真電路進行調(diào)用，正弦激勵信號和三個控制電壓輸入分別對應圖2中Input和三個偏置信號。

在1V正弦激勵和偏置電壓作用下，由Multisim軟件仿真出電調(diào)電路的時域響應，并由圖3中Output接線端輸出，下圖給出正弦激勵為0.96MHz時，LabVIEW測試觀察到的時域響應。

此時，由時域響應分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)，通過對穩(wěn)態(tài)響應取最大值，可以得到該頻率下的頻譜特性，并最終寫入測量文件以供優(yōu)化算法使用。

四、Python的智能算法模塊

利用智能算法對圖2中電調(diào)電路進行參數(shù)優(yōu)化，基于仿真數(shù)據(jù)與目標響應的誤差構(gòu)造出待優(yōu)化的目標函數(shù)，以圖2中偏置電壓Bias1， Bias2和Bias 3作為優(yōu)化參數(shù)，進行電調(diào)電路的調(diào)試與優(yōu)化。圖5給出模擬退火算法實施過程中的Python環(huán)境和部分數(shù)據(jù)，Sampledata.xlsx是Multisim軟件仿真所得時域穩(wěn)態(tài)響應經(jīng)LabVIEW處理和保存的幅頻特性，Idealdata.xlsx是基于壓控電容的電調(diào)電路的理想幅頻特性，二者之間的絕對誤差和是模擬退火算法的目標函數(shù)。

圖5中txt文檔是模擬退火算法在迭代過程中定義的各種數(shù)據(jù)和結(jié)果，具體定義如表1所示。

表1中與“X”相關(guān)的文件對應圖2電路的可調(diào)參數(shù)，與“Y”相關(guān)的文件目標函數(shù)取值，經(jīng)過優(yōu)化迭代得到電調(diào)參數(shù)的最優(yōu)解Bx和目標函數(shù)最小值By。

五、LabVIEW的協(xié)同控制

以上電路和算法模塊需要集成在LabVIEW平臺上進行交互控制，圖6是圖7是聯(lián)合仿真第一層級的程序框圖和顯示前面板，圖6主要包括參數(shù)輸入、算法路徑設置和當前仿真狀態(tài)顯示。

在圖6所示循環(huán)條件下，LabVIEW通過Python節(jié)點調(diào)用智能算法，進而對電調(diào)參數(shù)進行預測，圖7給出了具體實現(xiàn)。

一旦智能算法得到優(yōu)化參數(shù)的預測值，則會送入Multisim進行電路仿真，但由于Multisim直接輸出的時域響應在不同頻率處進入穩(wěn)態(tài)所需的時間不同，對仿真效率提出了很高要求，因此本文按照頻率范圍對Multisim軟件也進行了設置和選擇。由圖7可以看出，預測得到的參數(shù)并不是直接送入Multisim進行仿真，而是按照頻率范圍進入下一級程序，如圖8所示，在第二級前面板中，頻率和優(yōu)化參數(shù)按照不同頻段送入再下一級程序以實現(xiàn)與Multisim的交互仿真（圖3）。

通過反復的電路仿真、參數(shù)預測和反復迭代，最終可以得到優(yōu)化后的電路響應。

六、結(jié)束語

本文構(gòu)建的LabVIEW、Multisim和Python聯(lián)合仿真平臺，關(guān)鍵在于電路設計、時域仿真、幅頻特性分析和參數(shù)調(diào)試的有效結(jié)合，主要有以下特色：從電調(diào)電路的時頻仿真出發(fā)，循序漸進，掌握LabVIEW與Multisim聯(lián)合仿真方法，熟悉簡單電路的時域仿真原理，理解數(shù)據(jù)的采集和測試，掌握幅頻特性分析方法；直觀感知電路參數(shù)對電路性能的作用和影響，通過LabVIEW調(diào)用Python程序來實現(xiàn)電路參數(shù)尋優(yōu)，啟發(fā)學生將人工智能技術(shù)應用到電子電路的仿真和調(diào)試當中，激發(fā)學習興趣，提高自主創(chuàng)新能力。

作者單位：秦紅波? ? 趙偉? ? 劉巖? ? 顧航? ? 西安電子科技大學機電工程學院

參? 考? 文? 獻

[1] 肖如杏， 房俊龍， 楊方， 初永良. 基于LabVIEW和Multisim的電子電路虛擬實驗室[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學學報， 2008（04）： 106-108.

[2] 韋青燕. 基于LabVIEW和Multisim的串聯(lián)校正實驗軟件平臺開發(fā)[J]. 實驗室研究與探索， 2015， 34（02）： 128-131.

[3] 李毅， 李曉輝， 郭萬里. 基于LabVIEW-Multisim的低頻虛擬實驗室設計與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2019， 42（06）： 72-75.

[4] 李楠柯， 高建華， 張鳳龍， 謝坤. 基于機器視覺的瓶裝水漏裝檢測系統(tǒng)設計[J]. 儀表技術(shù)， 2020（03）： 12-14.

[5] 劉規(guī)劃. LabVIEW和TestStand中調(diào)用Python編程[J]. 計算機時代， 2020（07）： 54-58.