基于LabVIEW 的高頻電子線路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

趙海濤 李開陽 王卓鵬 逄明祥

（山東科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

2017年，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，教育部決定開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作。 2019年，教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》（教高〔2019〕8 號），將國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入一流本科課程建設(shè)。文件鼓勵高校根據(jù)自身情況，合理開展虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺設(shè)計。 高頻電子線路課程有很強(qiáng)的理論性、工程性和實(shí)踐性。 學(xué)生學(xué)習(xí)完相關(guān)理論知識后，應(yīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，以鞏固所學(xué)知識。 而實(shí)驗(yàn)箱的電路固定且封閉，學(xué)生只能通過測試點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)測量。 雖然指導(dǎo)教師會在實(shí)驗(yàn)前講解相關(guān)實(shí)驗(yàn)電路知識，但是同學(xué)們普遍反映把理論內(nèi)容和實(shí)際電路聯(lián)系起來比較困難。 針對此問題，教學(xué)團(tuán)隊調(diào)研了大量兄弟高校的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。 在學(xué)?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源的基礎(chǔ)上，開發(fā)了滿足學(xué)生訴求的基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)仿真平臺，該平臺可以讓學(xué)生根據(jù)課本理論知識構(gòu)建原理框圖，通過系統(tǒng)自帶虛擬儀表觀察測量輸入的時頻域波形，加深理論認(rèn)識，做好理論與實(shí)踐的銜接，取得良好的教學(xué)效果。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)

設(shè)計采用B/S 模式，即瀏覽器/服務(wù)器模式，客戶機(jī)只需要安裝一個瀏覽器，服務(wù)器安裝數(shù)據(jù)庫，就可以實(shí)現(xiàn)瀏覽器同數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互。 本高頻電路虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺由平臺功能模塊（包括登錄模塊、注冊模塊、密碼重置模塊）和實(shí)驗(yàn)?zāi)K兩大主體構(gòu)成。 實(shí)驗(yàn)平臺由LabVIEW 軟件搭建，平臺自身的運(yùn)行和維護(hù)不受硬件設(shè)備的限制，具有靈活的擴(kuò)展性。系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺功能

2.1 登錄界面

用戶登錄界面是本次虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的主界面。 學(xué)生正確輸入個人校驗(yàn)信息后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 登錄界面的前面板由輸入控件（包含用戶名、密碼、身份和學(xué)號信息）和布爾控件（登錄、注冊、找回密碼和退出程序）組成。 其中的“身份”輸入控件是一個組合框，可以選擇用戶的身份，是“學(xué)生”還是“老師”。 字符串控件用來填寫用戶的登錄信息，當(dāng)用戶填入自己的信息并點(diǎn)擊“登錄”按鍵時，“登錄界面.vi”會運(yùn)行，并將用戶填入的信息和MySQL 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能表中的信息進(jìn)行比對，只有當(dāng)以上的信息和數(shù)據(jù)庫中的用戶信息完全匹配時，彈出登錄成功提示框，點(diǎn)擊確定可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)K。 若其中的任意一項(xiàng)所填信息與其他幾項(xiàng)不符，則出現(xiàn)錯誤提示。 登錄界面的其他三個布爾，點(diǎn)擊注冊會進(jìn)入注冊界面；點(diǎn)擊找回密碼會進(jìn)入密碼重置界面；點(diǎn)擊退出則會退出程序，并且每次切換界面都會將前面的界面進(jìn)行隱藏，方便用戶的操作。 登錄界面如圖2 所示。

圖2 登錄界面

2.2 注冊界面

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)有用戶注冊功能。 新用戶可以在登錄界面注冊， 把自己的個人信息錄入數(shù)據(jù)庫中后，可在登錄界面進(jìn)行登錄。 在注冊模塊，用戶需要輸入自己的用戶名、密碼、身份、學(xué)號等個人信息，其中的身份可在“學(xué)生”“老師”兩項(xiàng)中做出選擇。 如果想退回到登錄界面，可點(diǎn)擊“返回”按鍵。 注冊界面前面板如圖3 所示。

圖3 注冊界面前面板

2.3 密碼重置界面

當(dāng)用戶忘記密碼時，點(diǎn)擊登錄界面的找回密碼按鍵，可使用密碼重置功能。 對操作者的學(xué)號和用戶名進(jìn)行驗(yàn)證無誤后， 可進(jìn)入密碼重置界面進(jìn)行密碼重置。 信息驗(yàn)證和密碼重置是處于同一個界面的。 控件屬性節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)當(dāng)前功能，如信息驗(yàn)證界面可見的是用戶名、學(xué)號、信息驗(yàn)證、退出四個控件，而對應(yīng)密碼重置界面的新密碼、確認(rèn)密碼、保存修改、返回這四個控件被隱藏。 信息驗(yàn)證前面板如圖4 所示，密碼重置界面如圖5 所示。 用戶數(shù)據(jù)存儲在MySQL 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以通過LabVIEW 的LabSQL 函數(shù)進(jìn)行訪問。

圖4 信息驗(yàn)證模塊前面板

圖5 密碼重置界面前面板

3 虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計

用戶在成功登錄虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺后，便可進(jìn)入學(xué)生實(shí)驗(yàn)界面。本平臺選取無線通信系統(tǒng)中的AM 調(diào)制解調(diào)和FM 調(diào)制解調(diào)內(nèi)容，設(shè)計了相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)。 該內(nèi)容是高頻電子線路的核心內(nèi)容，有較強(qiáng)的代表性。 學(xué)生實(shí)驗(yàn)界面的前面板如圖6 所示。

圖6 學(xué)生實(shí)驗(yàn)界面的前面板

3.1 AM 調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)

振幅調(diào)制與解調(diào)屬于頻譜的線性搬移。普通振幅調(diào)制（AM）就是要用調(diào)制信號去控制載波振幅的過程，把要傳送的信息載到高頻振蕩上去。解調(diào)則是調(diào)制的逆過程，將載于高頻振蕩信號上的調(diào)制信號恢復(fù)的過程。

為了方便波形的分析，設(shè)載波電壓為

調(diào)制電壓為：

其中，、為分別為載波電壓和調(diào)制電壓的振幅；ω、Ω 分別為載波電壓和調(diào)制電壓的角頻率。

通常ω>Ω， 根據(jù)定義AM 信號的振幅隨調(diào)制信號線性變化得到：

由此得到調(diào)幅信號表達(dá)式為：

為了使已調(diào)波不失真，已調(diào)波的振幅能夠真實(shí)反映出調(diào)制信號的變化規(guī)律，調(diào)制度應(yīng)該小于或等于1。 基于以上原理，設(shè)計AM 調(diào)制實(shí)驗(yàn)。 調(diào)制過程波形如圖7 所示。

利用同步檢波實(shí)現(xiàn)AM 信號的解調(diào)。 AM 解調(diào)程序框圖如圖7 所示，解調(diào)波形及頻譜如圖8 所示。

圖7 AM 解調(diào)程序框圖

圖8 AM解調(diào)信號及頻譜

3.2 FM調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)

頻率調(diào)制又稱調(diào)頻、FM，屬于頻譜的非線性搬移，是指用調(diào)制信號去控制高頻載波的頻率，使之隨調(diào)制信號線性變化。 頻率調(diào)制信號的解調(diào)是頻率調(diào)制的逆過程，是將寄托于高頻載波頻率上的調(diào)制信號恢復(fù)出來，頻率調(diào)制信號的解調(diào)又稱為頻率檢波或者鑒頻。

設(shè)載波信號和調(diào)制信號分別為式1 和式2， 調(diào)頻指數(shù)為：

最大頻偏為：

其中，為調(diào)頻靈敏度。

由此可得，在單一頻率調(diào)制信號的情況下調(diào)頻信號的表達(dá)式為

根據(jù)式7，可得

據(jù)此，設(shè)計了FM 信號的調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)。 FM 調(diào)制電路如圖9 所示。 得到的FM 調(diào)制波形圖如圖10 所示。

圖9 FM 調(diào)制電路

圖10 FM 信號波形

調(diào)制之后可進(jìn)行FM 解調(diào)， 解調(diào)使用了希爾伯特變換。 用原信號和希爾伯特變換后的信號表示出復(fù)解析函數(shù)，就可以得到幅度和相位，從而解調(diào)出原始信號。 FM 解調(diào)電路如圖11 所示。

圖11 FM 解調(diào)電路

4 結(jié)語

利用LabVIEW 軟件可視圖形化編程設(shè)計了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的界面；設(shè)計了AM 和FM 的調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)，并通過Web 進(jìn)行發(fā)布。 學(xué)生登錄系統(tǒng)，設(shè)置電路參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以通過觀察流程和時頻域波形加深對理論知識的理解，對于理解后續(xù)實(shí)驗(yàn)電路原理、完成實(shí)驗(yàn)操作起到很好的過渡作用。