基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)物電路演示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用實(shí)踐

范文佳+何璐雅+李菡蔚+柯逸凡+蔣鵬+唐路

摘要：本課題在對(duì)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)有充分的了解和完善的設(shè)計(jì)下，利用LabVIEW、Multisim進(jìn)行調(diào)幅/頻虛擬仿真，得到調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)、解調(diào)信號(hào)波形，并在NI原型實(shí)驗(yàn)板上搭建電路，在NI ELVISmx Instrument Launcher上進(jìn)行硬件測(cè)試，將對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)際電路測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。最后開(kāi)發(fā)出一套基于虛擬儀器技術(shù)的通信電路演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使得學(xué)生加深對(duì)簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，有助于學(xué)生對(duì)該部分知識(shí)的理解應(yīng)用。本項(xiàng)目結(jié)合了我校虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，啟發(fā)式教學(xué)的進(jìn)行，學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培育具有重大意義。

關(guān)鍵詞：調(diào)幅；調(diào)頻；Multisim；LabVIEW；ELVIS

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）11-0197-04

A Whole Experimental System for Development and Application of Object Circuits Experiments Based on Technologies of Virtual Instruments

FAN Wen-jia， HE Lu-ya， LI Han-wei，KE Yi-fan， JIANG Peng， TANG Lu

（School of Information Science and Technology， Southeast University， Nanjing 211189， China）

Abstract： Under the circumstance of abundant comprehension and perfect design of modulation system and demodulation system， this project make virtual simulations of amplitude/frequency modulation using LabVIEW and Multisuim to obtain the modulated wave， carrier wave and demodulated wave. We constructed the circuit on the NI experimental board of its prototype， making hardware tests on NI ELVISmx Instrument Launcher. The results obtained from simulations were analized and compared with statitics acquired from tests of real circuits. Finally， in order to make students develop more profound acknowlegde of the structure of simple communication system and be helpful to the comprehension and application of knowledge in this part， we develop a whole experimental system for demonstration of communication circuits experiments based on technologies of virtual instruments. Combined with the project of the construction of virtual experimental system in our school， this project is of great significance to the revolution of experimental teaching， the conduct of the heuristic method of teaching and innovation consciousness of students.

Key words：amplitude modulation； frequency modulation； multisim； LabVIEW； ELVIS

1 課題背景

目前計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，使得軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成為可能。各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言仿真相繼出現(xiàn)。虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了一條新的思路。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)具有精度高、通用性強(qiáng)、重復(fù)性好、建模迅速及成本低廉等眾多優(yōu)點(diǎn)，而且仿真軟件和硬件設(shè)備相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)真正系統(tǒng)。NI ELVIS II是設(shè)計(jì)與原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)的最新版本。NI ELVIS II基于強(qiáng)大的LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，與Multisim軟件的完全整合，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

在通信中，將所需傳送的基帶信號(hào)調(diào)制到可以從天線上以電磁能量輻射傳送的高頻振蕩來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳播。在接收機(jī)中，已調(diào)信號(hào)被放大、變頻中放后，須通過(guò)解調(diào)以恢復(fù)出基帶信號(hào)。然后，將恢復(fù)出的基帶信號(hào)再放大后送給信者處理。調(diào)制解調(diào)是通信中必需的一項(xiàng)技術(shù)。而將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與調(diào)制解調(diào)相結(jié)合，可以更便捷的實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本課題在這樣的趨勢(shì)下，使用基于NI的Multisim軟件和ELVIS平臺(tái)將仿真軟件和硬件設(shè)備相結(jié)合，最后將軟件仿真的結(jié)果與硬件測(cè)試的結(jié)果相比較，本設(shè)計(jì)的流程圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

2 運(yùn)用Multisim設(shè)計(jì)調(diào)幅調(diào)頻系統(tǒng)

2.1 MC1496構(gòu)成的模擬調(diào)幅電路的仿真實(shí)現(xiàn)

在Multisim軟件仿真平臺(tái)的編輯窗口中創(chuàng)建MC1496的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，設(shè)置相關(guān)選項(xiàng)，生成子電路模塊后加入自定義數(shù)據(jù)庫(kù)并保存，生成的子電路模塊如圖3-1所示。

圖2 Multisim中MC1496子電路替代模塊

2.1.1 MC1496構(gòu)成的模擬調(diào)幅電路的仿真實(shí)現(xiàn)

在編輯窗口，利用已經(jīng)生成的MC1496子模塊，選擇乘法器模塊所需的外圍電路元件，創(chuàng)建MC1496構(gòu)成的振幅調(diào)制解調(diào)仿真電路，如圖3。

圖3 MC1496構(gòu)成的振幅調(diào)制解調(diào)電路

在圖3中，由X1及外圍電路元件構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制，由X2及外圍電路元件構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)（即同步檢波）。

2.1.2 AM調(diào)制及解調(diào)結(jié)果

當(dāng)輸入載波信號(hào)頻率為50KHz，幅度為400mV，調(diào)制信號(hào)頻率為1KHz，幅度為1V時(shí)，經(jīng)過(guò)幅度調(diào)制電路仿真，得到已調(diào)波形如圖4所示。當(dāng)500KHz，峰峰值為80mV的載波經(jīng)過(guò)1KHz，峰峰值為600mV的調(diào)制信號(hào)調(diào)制后所得的振幅調(diào)制結(jié)果與載波相乘，并經(jīng)過(guò)低通濾波器和隔直電容，得到同步檢波的結(jié)果如圖5所示，可知圖3-4中調(diào)制結(jié)果信號(hào)中的包絡(luò)隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化。我們可以看出，圖5所示的解調(diào)結(jié)果為1KHz，幅度為240mV的正弦波。由解調(diào)后所得的結(jié)果知，解調(diào)后的信號(hào)頻率與調(diào)制信號(hào)的頻率一致，故可以說(shuō)明此解調(diào)是正確的。

圖4 幅度調(diào)制波形

從圖4可以看出，已調(diào)信號(hào)波形的包絡(luò)隨著調(diào)制信號(hào)的振幅變化而變化，即實(shí)現(xiàn)了幅度調(diào)制。將已調(diào)信號(hào)（即圖4所示）輸入到同步檢波電路，并將同步檢波電路的另一個(gè)輸入端接一個(gè)與幅度調(diào)制電路同頻同相的信號(hào)，經(jīng)過(guò)同步檢波電路的解調(diào)，可以得到解調(diào)信號(hào)，解調(diào)信號(hào)如圖5所示。

圖5 同步檢波波形圖

通過(guò)圖5可以看出，解調(diào)信號(hào)頻率為1KHz，幅度為80mV。解調(diào)波形的幅度與調(diào)制信號(hào)頻率相同，可以調(diào)節(jié)這兩個(gè)滑動(dòng)變阻器，以使解調(diào)后的波形幅值與調(diào)制信號(hào)一致，這可以說(shuō)明解調(diào)電路是正確的。

2.2 頻率調(diào)制解調(diào)的具體實(shí)現(xiàn)

信號(hào)的調(diào)頻：

圖6 鎖相環(huán)調(diào)頻仿真電路

運(yùn)行仿真得結(jié)果如下：

圖7 鎖相環(huán)調(diào)頻波形與調(diào)制波形

信號(hào)的解調(diào)：

圖8 鎖相環(huán)鑒頻仿真電路

仿真得結(jié)果如下：

圖9 鎖相環(huán)鑒頻波形與解調(diào)波形

3 運(yùn)用LabVIEW設(shè)計(jì)調(diào)幅調(diào)頻系統(tǒng)

3.1 在LabVIEW中搭建振幅調(diào)制的程序框圖

振幅調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的程序框圖如圖10所示：

圖10 幅度調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)程序框圖

首先對(duì)程序框圖進(jìn)行操作。點(diǎn)擊右鍵可以彈出控件框并創(chuàng)建一個(gè)While循環(huán)，并從函數(shù)選板中選擇所需的器件，選中后即可添加入程序框圖。或點(diǎn)擊“搜索”按鈕，在彈出的對(duì)話框中輸入所需的器件的名稱，可以方便的選中器件。點(diǎn)開(kāi)前面板，在彈出控件框中選出波形顯示控件，修改其屬性完成對(duì)其命名等操作，完成全部程序。運(yùn)行程序。

整個(gè)調(diào)幅電路，由信號(hào)發(fā)生器與加法器、減法器、乘法器和波形圖構(gòu)成。調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)相乘以后與載波信號(hào)的倍數(shù)相加，得到了已調(diào)波形，如圖所示。同時(shí)可以通過(guò)改變滑動(dòng)桿來(lái)改變改變調(diào)制信號(hào)的頻率與調(diào)幅系數(shù)。

3.2 AM調(diào)制結(jié)果

此處調(diào)幅波頻率為100HZ，幅度為1V，載波頻率為10HZ，幅度為1V。

圖11中三個(gè)波形從左到右，從上到下分別顯示的是調(diào)制信號(hào)，載波信號(hào)與調(diào)幅信號(hào)。

圖11 調(diào)幅輸出波形

3.3 在LabVIEW中搭建頻率調(diào)制的程序框圖

同理，打開(kāi)LabVIEW，根據(jù)頻率調(diào)制基本原理，利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制，程序框圖如圖12所示。

在前面板中修改數(shù)值，點(diǎn)擊開(kāi)始運(yùn)行程序，在前面板的波形圖中可以看到如下波形，如圖13所示。圖13中兩個(gè)個(gè)波形從左到右，分別顯示的是調(diào)制信號(hào)與調(diào)頻信號(hào)。

圖12 調(diào)頻LabVIEW程序框圖

圖13 調(diào)頻輸出波形

本課題在NI Multisim和LabVIEW軟件平臺(tái)上進(jìn)行仿真之后，利用分立元件在NI ELVIS平臺(tái)上搭建相應(yīng)電路，進(jìn)行硬件測(cè)試。將ELVIS平臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果與軟件仿真的測(cè)試結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果是否正確。

4 NI ELVIS平臺(tái)的硬件測(cè)試

4.1 調(diào)幅實(shí)驗(yàn)

當(dāng)利用NI ELVIS軟件中的任意波形發(fā)生器（ARB），產(chǎn)生頻率為1KHz，峰峰值為1V的調(diào)制信號(hào)，利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（FGEN）產(chǎn)生頻率為10KHz，峰峰值為500mV的載波時(shí)，所得的調(diào)制信號(hào)如圖5-1所示。

圖14 ELVIS平臺(tái)上振幅調(diào)制的結(jié)果

由圖14可以看出，調(diào)制結(jié)果為載波的包絡(luò)隨調(diào)制信號(hào)變化而變化的結(jié)果。且包絡(luò)變化的周期與調(diào)制結(jié)果中信號(hào)變化周期的比等于調(diào)制信號(hào)的周期與載波信號(hào)的周期的比。故可以看出，此調(diào)制結(jié)果是正確的。通過(guò)此調(diào)制結(jié)果可以計(jì)算調(diào)幅系數(shù)Ma為85.2%。

利用同步檢波電路可得到解調(diào)之后的結(jié)果如圖15所示。

圖15 ELVIS平臺(tái)上同步檢波的結(jié)果

由圖15可知，解調(diào)后所得信號(hào)為頻率為1KHz，峰峰值為2V的正弦信號(hào)?？煽闯鼋庹{(diào)結(jié)果得到的波形與調(diào)制信號(hào)一致，故調(diào)制解調(diào)的結(jié)果正確。

對(duì)振幅調(diào)制而言，解調(diào)還可以采用包絡(luò)檢波。當(dāng)輸入AM波的幅度足夠大時(shí)，經(jīng)過(guò)二極管后AM信號(hào)的負(fù)半周被削去，經(jīng)過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)濾波就可恢復(fù)出基帶信號(hào)。由于失真嚴(yán)重，故選擇放棄采用包絡(luò)檢波而改選同步檢波。

經(jīng)過(guò)ELVIS平臺(tái)上分離元件電路的驗(yàn)證，可以看出振幅調(diào)制及同步檢波電路基本正確，并且通過(guò)此驗(yàn)證，更好的掌握ELVIS平臺(tái)的操作。

4.2 調(diào)頻實(shí)驗(yàn)

在NI原型實(shí)驗(yàn)板上搭建完電路后，將NI ELVIS與電腦相連并打開(kāi)電源。打開(kāi)軟件NI ELVISmx Instrument Launcher，雙擊Scope、FGEN兩個(gè)圖標(biāo)，打開(kāi)示波器（Scope）與函數(shù)發(fā)生器（FGEN）。

調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器（FGEN）的輸出頻率為20KHZ，Vpp值改為10V（注意如果Vpp過(guò)小將出不來(lái)調(diào)頻結(jié)果，函數(shù)發(fā)生器（FGEN）輸出信號(hào)Vpp最大為10V）。

調(diào)節(jié)示波器（Scope）的Source為Uo的接入通道。示波器（Scope）輸出如圖16所示：

圖 16 調(diào)頻波輸出波形

5 小結(jié)

本課題使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可接觸到更多的儀器，并學(xué)習(xí)了解其基本功能，這樣可以使得學(xué)生增加對(duì)測(cè)試設(shè)備的了解，對(duì)提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力有很大的幫助。調(diào)頻調(diào)幅的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使得學(xué)生加深對(duì)簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，有助于學(xué)生對(duì)該部分知識(shí)的理解應(yīng)用。本項(xiàng)目結(jié)合了我校虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，啟發(fā)式教學(xué)的進(jìn)行及學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培育具有重大意義。

由于本課題運(yùn)用了Multisim、LabVIEW、Elvis等多種虛擬儀器，軟件、硬件結(jié)合使用，先在軟件上進(jìn)行仿真，然后在硬件上搭試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。故可按照這種思路，軟硬件結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式較為實(shí)用，可以多放進(jìn)行實(shí)踐，可以運(yùn)用到多種教學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，具有普遍指導(dǎo)意義。

在進(jìn)行本課題的實(shí)驗(yàn)中，還需要注意一些實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)課題由于軟硬件結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要注意仿真程序和硬件搭試之間的關(guān)系。仿真數(shù)據(jù)和硬件搭試的數(shù)據(jù)誤差在一定范圍內(nèi)，可以認(rèn)可實(shí)驗(yàn)成果。若誤差較大，需重新調(diào)試仿真程序或者搭試硬件，探討程序和電路的問(wèn)題及原因。Elvis硬件由于是新型儀器，使用需按照硬件說(shuō)明規(guī)范使用。

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