通信電子線(xiàn)路性能檢測(cè)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

安媛　張鈞

摘 要：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)通信電子線(xiàn)路中電壓、電流的檢測(cè)，并對(duì)電壓、電流進(jìn)行了頻譜分析和諧波分析，計(jì)算電路有效功率，同時(shí)對(duì)比正弦信號(hào)與周期非正弦信號(hào)的諧波分析結(jié)果，以便于通信電子線(xiàn)路性能分析。系統(tǒng)由Labview與Multisim聯(lián)合仿真，完成軟件之間的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)主要分為兩部分，一部分通過(guò)Multisim搭建常用通信電子線(xiàn)路，為上位機(jī)提供輸入信號(hào)，并完成仿真電路的封裝，等待上位機(jī)的調(diào)用;另一部分通過(guò)Labview實(shí)現(xiàn)對(duì)各檢測(cè)參數(shù)的顯示和分析，采用Labview的諧波失真函數(shù)、FFT幅度函數(shù)等完成相應(yīng)功能，并通過(guò)設(shè)置連接點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)交互。本文給出了聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路性能檢測(cè)平臺(tái)能夠完成對(duì)仿真電路的電壓、電流檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)參數(shù)完成頻譜分析、諧波分析等功能。

關(guān)鍵詞： 頻譜分析;諧波分析;Multisim仿真

1背景及意義

目前社會(huì)正在高速發(fā)展，生活節(jié)奏變得越來(lái)越快，工作節(jié)奏也變得越來(lái)越快。在電子通信行業(yè)中如何更加有效、快捷的獲取電路的性能參數(shù)成為了提升產(chǎn)品質(zhì)量、使用壽命以及故障定位的關(guān)鍵。電路性能檢測(cè)需要變得更加方便，以便能夠直觀反映電路的工作狀態(tài)。電路參數(shù)能夠直觀反映出電路的穩(wěn)定情況，電壓、電流的穩(wěn)定性直接影響到了整個(gè)電路正常的工作環(huán)境。通信電子線(xiàn)路中容易產(chǎn)生諧波，比如電源端因?yàn)橹谱鞴に嚨钠?，容易產(chǎn)生諧波;輸配電的過(guò)程中也容易產(chǎn)生諧波。而諧波的產(chǎn)生對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，對(duì)周?chē)挠秒娫O(shè)備造成影響。

本設(shè)計(jì)是使用Labview來(lái)檢測(cè)仿真電路中各關(guān)鍵參數(shù)，包括電壓、電流、功率等，并且對(duì)所測(cè)電壓進(jìn)行諧波分析和頻譜分析?，F(xiàn)在有多種檢測(cè)電路參數(shù)的儀器，但對(duì)于個(gè)人，使用成本是無(wú)法接受的，普通的萬(wàn)用表又無(wú)法滿(mǎn)足使用需求。電路性能檢測(cè)聯(lián)合仿真平臺(tái)能夠滿(mǎn)足對(duì)電路基本參數(shù)的檢測(cè)，降低電路檢測(cè)成本，可幫助技術(shù)人員有效快速掌握電路運(yùn)行狀態(tài)，排查故障。這是一種性能優(yōu)良、操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電路檢測(cè)平臺(tái)，能夠在線(xiàn)檢測(cè)仿真電路的故障，大大改善了工作效率，提高故障檢出率，讓維護(hù)工作變得高效、快捷、準(zhǔn)確。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

設(shè)計(jì)采用Labview作為電路性能檢測(cè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Multisim作為仿真電路。Multisim仿真電路使用交流電流源，流控電壓源分別提供電壓信號(hào)與電流信號(hào)，將連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置在搭建好的仿真電路中，封裝仿真電路，仿真電路直接在Labview中調(diào)用，由仿真電路導(dǎo)出的數(shù)據(jù)為交流電路中的電壓和電流信號(hào)。Labview開(kāi)發(fā)平臺(tái)可直接調(diào)用Multisim仿真電路，此電路的兩個(gè)輸出點(diǎn)作為L(zhǎng)abview數(shù)據(jù)輸入點(diǎn)，Labview顯示檢測(cè)到的電壓和電流，以便于進(jìn)一步處理輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到電路的功率，并且進(jìn)行頻率分析和頻譜分析。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)功能見(jiàn)圖1。

電路性能檢測(cè)平臺(tái)是由Labview與Multisim聯(lián)合仿真。Multisim提供常用通信電子電路，由交流電源、流控電壓源、必需虛擬儀器組成，借助于虛擬檢測(cè)裝置可以在電路圖中直接觀測(cè)到電路輸出。電路仿真完成后，需要進(jìn)行Multisim與Labview的交互工作，在Multisim中，在待測(cè)點(diǎn)設(shè)置分別HB/SC接口，HB/SC接口用來(lái)發(fā)送模擬信號(hào)給上位機(jī)。Labview具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析的能力，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，能夠得到由電壓、電流值分析頻譜、諧波等分析結(jié)果。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 單頻電路調(diào)試

運(yùn)行單頻電路，XMW2數(shù)字多用表檢測(cè)電路中電流，顯示5mA，流控電壓源檢測(cè)到電壓5mV，電流檢測(cè)點(diǎn)處電流為5mA。示波器顯示電壓源輸出波形，為正弦信號(hào)，頻率為50Hz，此正弦波為上位機(jī)的單頻輸入信號(hào)，其界面見(jiàn)圖2和圖3。

3.2 混頻電路的調(diào)試

混頻電路與單頻單路的不同之處在于電路中串聯(lián)了了兩個(gè)頻率各異的交流電源，分別為2V/150Hz與1V/200Hz的交流電源，能夠產(chǎn)生周期非正弦信號(hào)，生成的波形見(jiàn)圖4。

3.3 上位機(jī)調(diào)試

Labview程序前面板，選項(xiàng)卡1中顯示電流波形、電流頻譜、電流有效值，運(yùn)行Labview程序，信號(hào)由Multisim仿真電路封裝模塊輸入，信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)組替換子集函數(shù)，形成原始波形的一組數(shù)據(jù)值，輸入到波形創(chuàng)建，加入波形起始時(shí)間以及數(shù)據(jù)顯示間隔，形成時(shí)間信號(hào)，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。時(shí)間信號(hào)輸入FFT幅頻函數(shù)，從幅度端口輸出電流頻譜圖，當(dāng)該信號(hào)輸入周期平均和均方根后，通過(guò)公式（4-2）計(jì)算得到電流有效值為6.10Irms，圖5顯示了電流的波形為頻率信號(hào)，幅值為5，與仿真電路所測(cè)電流相同。因?yàn)樾盘?hào)為混頻，所以分析得到的頻譜圖，在頻率50Hz、150Hz、200Hz處顯示幅值。

選項(xiàng)卡2顯示為對(duì)電壓的分析，包括電壓波形顯示，電壓頻譜圖、功率的計(jì)算以及電壓有效值，電壓信號(hào)與電流信號(hào)一樣，都由Multisim仿真輸入，原始信號(hào)加入初始顯示時(shí)間和顯示間隔，形成時(shí)間信號(hào)，通過(guò)FFT幅度函數(shù)，得到電壓頻譜圖。

選項(xiàng)卡3是對(duì)電壓信號(hào)的諧波分析，比較單頻和混頻信號(hào)的區(qū)別，因?yàn)閱晤l信號(hào)是由單個(gè)的交流電壓源提供，頻率為50Hz，所以單頻諧波波形圖只顯示在頻率為50Hz的基波幅值。混頻信號(hào)由仿真電路的三個(gè)不同功率的交流電源串聯(lián)提供，加入了有效電壓為2V、1V的電壓源，頻率分別為150Hz、200Hz，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)諧波分析函數(shù)后，將信號(hào)分解成原始信號(hào)與諧波，所以在諧波圖中能夠觀察到除了50Hz的基波，還有150Hz和200Hz處的幅值，結(jié)果顯示見(jiàn)圖7。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)不斷地學(xué)習(xí)，研究，設(shè)計(jì)，參考了大量關(guān)于電路性能的文獻(xiàn)材料，電路性能檢測(cè)平臺(tái)功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，研究的內(nèi)容和取得的成果有：

1.使用Multisim設(shè)計(jì)仿真交流電路，能夠提供穩(wěn)定的交流信號(hào)，對(duì)電路中電流、電壓進(jìn)行檢測(cè)。

2.設(shè)計(jì)Labview上位機(jī)程序，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)仿真電路導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和諧波分析，顯示電壓與電流，可以在上位機(jī)用戶(hù)界面直觀方便的觀測(cè)。

3.實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與仿真電路的交互，參考兩款軟件的使用說(shuō)明，安裝交互所需工具包，設(shè)置電路連接點(diǎn)，在上位機(jī)直接調(diào)用仿真電路的接口函數(shù)，完成信號(hào)接入到上位機(jī)的工作。

基本功能雖然實(shí)現(xiàn)，還是有不滿(mǎn)意的地方，如Multisim搭建常用通信電子線(xiàn)路，測(cè)得的參數(shù)有限，與實(shí)際應(yīng)用中的通信電子電路有一定的差異。此外，該檢測(cè)平臺(tái)還有很大的優(yōu)化空間，上位機(jī)前面板的制作不夠美觀，對(duì)于顯示控件的分布不夠合理，可能和身為理科生有關(guān)系，缺少對(duì)平面設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。后續(xù)可繼續(xù)完善系統(tǒng)功能，擴(kuò)展硬件部分，采用Arduino實(shí)現(xiàn)硬件檢測(cè)電路的功能，完成硬件與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，讓本設(shè)計(jì)功能更加強(qiáng)大。

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基金項(xiàng)目：徐州工程學(xué)院高等教育科學(xué)研究課題（YGJ1957）