虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃勁松，段哲民，李 彬

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

在高等院校的理工科教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)占據(jù)了顯著的地位，它不僅對(duì)理論教學(xué)有實(shí)踐、指導(dǎo)意義，更重要的是能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力[1]。學(xué)生只有通過(guò)足夠的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合性實(shí)驗(yàn)，才能真正理解和掌握該學(xué)科的理論知識(shí)，初步具備處理實(shí)際問(wèn)題的能力[2-3]。因此，充實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、增開(kāi)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和不斷改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)是十分必要的。由于條件的限制我國(guó)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)一直落后于先進(jìn)國(guó)家，這在一定程度上影響了高素質(zhì)人才的培養(yǎng)，制約了我國(guó)科研和工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展[3]。

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一種新型的儀器種類，在虛擬儀器中，計(jì)算機(jī)處于核心地位，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀念等都發(fā)生了突破性的變化[4-5]。從構(gòu)成上來(lái)說(shuō)，虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，配上相應(yīng)的硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的新型儀器[6]。近年來(lái)，虛擬儀器技術(shù)蓬勃發(fā)展，具體技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在諸多領(lǐng)域有了重要的應(yīng)用。

將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠有效地緩解教學(xué)與資金緊張的矛盾，同時(shí)虛擬儀器技術(shù)又具有易學(xué)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和極高的靈活性，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量[3,7]。筆者介紹了一種基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證。

1 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

筆者設(shè)計(jì)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用PC-DAQ式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用軟件LabVIEW相結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。結(jié)合實(shí)際情況考慮到經(jīng)費(fèi)、開(kāi)發(fā)周期和兼容性等問(wèn)題，硬件部分采用技術(shù)成熟、價(jià)格低廉的聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，結(jié)合計(jì)算機(jī)組成高性價(jià)比的PC-DAQ系統(tǒng)；軟件部分采用具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與處理功能的LabVIEW8.5虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行軟件功能模塊的開(kāi)發(fā)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由兩部分組成，包括基于聲卡的常用虛擬儀器和基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能

虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器和示波器的基本功能，并能夠完成多種電子技術(shù)類實(shí)驗(yàn)的模擬仿真和教學(xué)演示。根據(jù)系統(tǒng)模塊劃分，各模塊功能如表1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

表1 系統(tǒng)各模塊功能Tab.1 Module function of system

2 基于聲卡的常用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)

2.1 聲卡的工作原理

從數(shù)據(jù)采集的角度看，聲卡可以看作是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，是計(jì)算機(jī)與外部模擬環(huán)境聯(lián)系的重要途徑[1,8]。聲卡的工作流程如圖2所示。

圖2 聲卡工作流程圖Fig.2 Work flow chart of sound card

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于聲卡的常用虛擬儀器包括基于聲卡的虛擬信號(hào)發(fā)生器和基于聲卡的虛擬示波器兩個(gè)部分，結(jié)構(gòu)如圖3所示。虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的波形通過(guò)聲卡（D/A轉(zhuǎn)換）輸出，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)電路，就可作為實(shí)驗(yàn)電路的激勵(lì)信號(hào)源。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)電路的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)后送入聲卡（A/D轉(zhuǎn)換），再由虛擬示波器分析和顯示。

圖3 基于聲卡的常用虛擬儀器總體結(jié)構(gòu)Fig.3 General structure of conventional virtual instrument based on sound card

2.3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

圖4和圖5分別為虛擬信號(hào)發(fā)生器和虛擬示波器的工作界面。圖4為虛擬信號(hào)發(fā)生器輸出500 Hz，1 V的正弦信號(hào)時(shí)的截圖；圖5為虛擬示波器接收2 000 Hz，0.3 V正弦信號(hào)所顯示的波形。由這兩個(gè)圖可以看出基于聲卡的虛擬信號(hào)發(fā)生器和虛擬示波器均能夠?qū)崿F(xiàn)其功能。

圖4 虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板Fig.4 Virtual signal generator front panel

3 基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了方便在教學(xué)中進(jìn)行原理演示，在完成了基于聲卡的常用虛擬儀器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括基于LabVIEW的觸發(fā)器實(shí)驗(yàn)、基于LabVIEW的典型頻譜分析實(shí)驗(yàn)、基于LabVIEW的信號(hào)諧波分析實(shí)驗(yàn)和基于LabVIEW的信號(hào)調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)等用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬儀器模塊。該系統(tǒng)可用于電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程等專業(yè)課程的理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，能夠直觀地演示各種基本原理，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，也能有效地訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手操作能力，提高學(xué)習(xí)興趣[9]。

圖5 虛擬示波器前面板Fig.5 Virtual oscilloscope front panel

各模塊功能驗(yàn)證如圖6～圖9所示。

如圖6所示，觸發(fā)器仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K可以正確地演示4種觸發(fā)器的輸入與輸出變化的邏輯關(guān)系。

如圖7所示，在典型信號(hào)頻譜分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，仿真輸入幅度為1 V，頻率為20 Hz，占空比為50%的方波信號(hào)，其幅值譜功率譜和相位譜可以正確顯示。

如圖8所示，在諧波分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，仿真輸入由100 Hz，10 V、200 Hz，4 V 和 300 Hz，2 V 的 3 個(gè) 正 弦 波構(gòu)成的疊加正弦波，其頻譜、各次諧波分量、基頻頻率和失真度均可正確顯示。

如圖9所示，在信號(hào)調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，仿真輸入11 Hz，1 V的正弦信號(hào)作為基帶信號(hào)，經(jīng)50 Hz，1 V的正弦信號(hào)載波，可以得到正確的已調(diào)信號(hào)波形，并能通過(guò)解調(diào)得到正確的解調(diào)信號(hào)波形[10]。

圖6 觸發(fā)器仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K工作界面Fig.6 Trigger simulation experiment module working interface

圖7 典型信號(hào)頻譜分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K工作界面Fig.7 Typical signal spectrum analysis experiment module working interface

圖8 諧波分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K工作界面Fig.8 Harmonic analysis experiment module working interface

4 結(jié) 論

筆者將高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所需儀器的功能要求與Lab-VIEW強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)能力相結(jié)合，提出了將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的設(shè)計(jì)思路和解決方案，并在虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW8.5環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備組建PC－DAQ式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，減少了硬件設(shè)備的投資，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本。軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，學(xué)生在掌握了LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)之后，可以利用LabVIEW平臺(tái)提供的函數(shù)開(kāi)發(fā)出多種新的虛擬儀器，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到理論與實(shí)踐的完美結(jié)合。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了虛擬儀器在數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理中的優(yōu)勢(shì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)、教學(xué)效果好等優(yōu)點(diǎn)。

圖9 信號(hào)調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K工作界面Fig.9 Signal modulation&demodulation experiment module working interface

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