通信電子線路性能檢測教學平臺設計

安媛　張鈞

摘 要：系統實現對通信電子線路中電壓、電流的檢測，并對電壓、電流進行了頻譜分析和諧波分析，計算電路有效功率，同時對比正弦信號與周期非正弦信號的諧波分析結果，以便于通信電子線路性能分析。系統由Labview與Multisim聯合仿真，完成軟件之間的數據交互。系統主要分為兩部分，一部分通過Multisim搭建常用通信電子線路，為上位機提供輸入信號，并完成仿真電路的封裝，等待上位機的調用;另一部分通過Labview實現對各檢測參數的顯示和分析，采用Labview的諧波失真函數、FFT幅度函數等完成相應功能，并通過設置連接點，完成數據交互。本文給出了聯合仿真設計方案，實驗結果證明系統設計的電路性能檢測平臺能夠完成對仿真電路的電壓、電流檢測，并根據檢測參數完成頻譜分析、諧波分析等功能。

關鍵詞： 頻譜分析;諧波分析;Multisim仿真

1背景及意義

目前社會正在高速發展，生活節奏變得越來越快，工作節奏也變得越來越快。在電子通信行業中如何更加有效、快捷的獲取電路的性能參數成為了提升產品質量、使用壽命以及故障定位的關鍵。電路性能檢測需要變得更加方便，以便能夠直觀反映電路的工作狀態。電路參數能夠直觀反映出電路的穩定情況，電壓、電流的穩定性直接影響到了整個電路正常的工作環境。通信電子線路中容易產生諧波，比如電源端因為制作工藝的偏差，容易產生諧波;輸配電的過程中也容易產生諧波。而諧波的產生對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，對周圍的用電設備造成影響。

本設計是使用Labview來檢測仿真電路中各關鍵參數，包括電壓、電流、功率等，并且對所測電壓進行諧波分析和頻譜分析。現在有多種檢測電路參數的儀器，但對于個人，使用成本是無法接受的，普通的萬用表又無法滿足使用需求。電路性能檢測聯合仿真平臺能夠滿足對電路基本參數的檢測，降低電路檢測成本，可幫助技術人員有效快速掌握電路運行狀態，排查故障。這是一種性能優良、操作簡單、經濟實用的電路檢測平臺，能夠在線檢測仿真電路的故障，大大改善了工作效率，提高故障檢出率，讓維護工作變得高效、快捷、準確。

2系統設計架構

設計采用Labview作為電路性能檢測開發平臺，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與電流信號，將連接節點設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中調用，由仿真電路導出的數據為交流電路中的電壓和電流信號。Labview開發平臺可直接調用Multisim仿真電路，此電路的兩個輸出點作為Labview數據輸入點，Labview顯示檢測到的電壓和電流，以便于進一步處理輸入信號，經過計算得到電路的功率，并且進行頻率分析和頻譜分析。系統總體設計功能見圖1。

電路性能檢測平臺是由Labview與Multisim聯合仿真。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，借助于虛擬檢測裝置可以在電路圖中直接觀測到電路輸出。電路仿真完成后，需要進行Multisim與Labview的交互工作，在Multisim中，在待測點設置分別HB/SC接口，HB/SC接口用來發送模擬信號給上位機。Labview具有強大的數據處理和分析的能力，經過一系列的數據轉換，能夠得到由電壓、電流值分析頻譜、諧波等分析結果。

3 系統調試

3.1 單頻電路調試

運行單頻電路，XMW2數字多用表檢測電路中電流，顯示5mA，流控電壓源檢測到電壓5mV，電流檢測點處電流為5mA。示波器顯示電壓源輸出波形，為正弦信號，頻率為50Hz，此正弦波為上位機的單頻輸入信號，其界面見圖2和圖3。

3.2 混頻電路的調試

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

3.3 上位機調試

Labview程序前面板，選項卡1中顯示電流波形、電流頻譜、電流有效值，運行Labview程序，信號由Multisim仿真電路封裝模塊輸入，信號經過數組替換子集函數，形成原始波形的一組數據值，輸入到波形創建，加入波形起始時間以及數據顯示間隔，形成時間信號，完成數據的實時顯示。時間信號輸入FFT幅頻函數，從幅度端口輸出電流頻譜圖，當該信號輸入周期平均和均方根后，通過公式（4-2）計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，幅值為5，與仿真電路所測電流相同。因為信號為混頻，所以分析得到的頻譜圖，在頻率50Hz、150Hz、200Hz處顯示幅值。

選項卡2顯示為對電壓的分析，包括電壓波形顯示，電壓頻譜圖、功率的計算以及電壓有效值，電壓信號與電流信號一樣，都由Multisim仿真輸入，原始信號加入初始顯示時間和顯示間隔，形成時間信號，通過FFT幅度函數，得到電壓頻譜圖。

選項卡3是對電壓信號的諧波分析，比較單頻和混頻信號的區別，因為單頻信號是由單個的交流電壓源提供，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。混頻信號由仿真電路的三個不同功率的交流電源串聯提供，加入了有效電壓為2V、1V的電壓源，頻率分別為150Hz、200Hz，該電壓信號經過諧波分析函數后，將信號分解成原始信號與諧波，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，結果顯示見圖7。

4 結論

經過不斷地學習，研究，設計，參考了大量關于電路性能的文獻材料，電路性能檢測平臺功能已經實現，研究的內容和取得的成果有：

1.使用Multisim設計仿真交流電路，能夠提供穩定的交流信號，對電路中電流、電壓進行檢測。

2.設計Labview上位機程序，能夠實現對仿真電路導入的數據進行頻譜分析和諧波分析，顯示電壓與電流，可以在上位機用戶界面直觀方便的觀測。

3.實現上位機與仿真電路的交互，參考兩款軟件的使用說明，安裝交互所需工具包，設置電路連接點，在上位機直接調用仿真電路的接口函數，完成信號接入到上位機的工作。

基本功能雖然實現，還是有不滿意的地方，如Multisim搭建常用通信電子線路，測得的參數有限，與實際應用中的通信電子電路有一定的差異。此外，該檢測平臺還有很大的優化空間，上位機前面板的制作不夠美觀，對于顯示控件的分布不夠合理，可能和身為理科生有關系，缺少對平面設計的經驗。后續可繼續完善系統功能，擴展硬件部分，采用Arduino實現硬件檢測電路的功能，完成硬件與上位機的數據交互，讓本設計功能更加強大。

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基金項目：徐州工程學院高等教育科學研究課題（YGJ1957）