基于LabVIEW 的高頻電子線路虛擬仿真實驗平臺

趙海濤 李開陽 王卓鵬 逄明祥

（山東科技大學電子信息工程學院，山東 青島 266590）

0 引言

2017年，在高校實驗教學改革和實驗教學項目信息化建設的基礎上，教育部決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作。 2019年，教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8 號），將國家虛擬仿真實驗教學項目納入一流本科課程建設。文件鼓勵高校根據自身情況，合理開展虛擬實驗仿真平臺設計。 高頻電子線路課程有很強的理論性、工程性和實踐性。 學生學習完相關理論知識后，應進入實驗室做實驗，以鞏固所學知識。 而實驗箱的電路固定且封閉，學生只能通過測試點進行相關測量。 雖然指導教師會在實驗前講解相關實驗電路知識，但是同學們普遍反映把理論內容和實際電路聯系起來比較困難。 針對此問題，教學團隊調研了大量兄弟高校的虛擬實驗平臺。 在學校現有實驗資源的基礎上，開發了滿足學生訴求的基于虛擬儀器技術的實驗仿真平臺，該平臺可以讓學生根據課本理論知識構建原理框圖，通過系統自帶虛擬儀表觀察測量輸入的時頻域波形，加深理論認識，做好理論與實踐的銜接，取得良好的教學效果。

1 虛擬仿真實驗平臺架構

設計采用B/S 模式，即瀏覽器/服務器模式，客戶機只需要安裝一個瀏覽器，服務器安裝數據庫，就可以實現瀏覽器同數據庫之間的數據交互。 本高頻電路虛擬實驗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）和實驗模塊兩大主體構成。 實驗平臺由LabVIEW 軟件搭建，平臺自身的運行和維護不受硬件設備的限制，具有靈活的擴展性。系統整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統整體框圖

2 虛擬仿真實驗平臺功能

2.1 登錄界面

用戶登錄界面是本次虛擬實驗平臺的主界面。 學生正確輸入個人校驗信息后，進入實驗系統。 登錄界面的前面板由輸入控件（包含用戶名、密碼、身份和學號信息）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“學生”還是“老師”。 字符串控件用來填寫用戶的登錄信息，當用戶填入自己的信息并點擊“登錄”按鍵時，“登錄界面.vi”會運行，并將用戶填入的信息和MySQL 數據庫系統功能表中的信息進行比對，只有當以上的信息和數據庫中的用戶信息完全匹配時，彈出登錄成功提示框，點擊確定可進入實驗模塊。 若其中的任意一項所填信息與其他幾項不符，則出現錯誤提示。 登錄界面的其他三個布爾，點擊注冊會進入注冊界面；點擊找回密碼會進入密碼重置界面；點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

虛擬實驗平臺設有用戶注冊功能。 新用戶可以在登錄界面注冊， 把自己的個人信息錄入數據庫中后，可在登錄界面進行登錄。 在注冊模塊，用戶需要輸入自己的用戶名、密碼、身份、學號等個人信息，其中的身份可在“學生”“老師”兩項中做出選擇。 如果想退回到登錄界面，可點擊“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

當用戶忘記密碼時，點擊登錄界面的找回密碼按鍵，可使用密碼重置功能。 對操作者的學號和用戶名進行驗證無誤后， 可進入密碼重置界面進行密碼重置。 信息驗證和密碼重置是處于同一個界面的。 控件屬性節點呈現當前功能，如信息驗證界面可見的是用戶名、學號、信息驗證、退出四個控件，而對應密碼重置界面的新密碼、確認密碼、保存修改、返回這四個控件被隱藏。 信息驗證前面板如圖4 所示，密碼重置界面如圖5 所示。 用戶數據存儲在MySQL 數據庫中的數據可以通過LabVIEW 的LabSQL 函數進行訪問。

圖4 信息驗證模塊前面板

圖5 密碼重置界面前面板

3 虛擬實驗內容設計

用戶在成功登錄虛擬實驗仿真平臺后，便可進入學生實驗界面。本平臺選取無線通信系統中的AM 調制解調和FM 調制解調內容，設計了相應的虛擬實驗。 該內容是高頻電子線路的核心內容，有較強的代表性。 學生實驗界面的前面板如圖6 所示。

圖6 學生實驗界面的前面板

3.1 AM 調制解調實驗

振幅調制與解調屬于頻譜的線性搬移。普通振幅調制（AM）就是要用調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。解調則是調制的逆過程，將載于高頻振蕩信號上的調制信號恢復的過程。

為了方便波形的分析，設載波電壓為

調制電壓為：

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

通常ω>Ω， 根據定義AM 信號的振幅隨調制信號線性變化得到：

由此得到調幅信號表達式為：

為了使已調波不失真，已調波的振幅能夠真實反映出調制信號的變化規律，調制度應該小于或等于1。 基于以上原理，設計AM 調制實驗。 調制過程波形如圖7 所示。

利用同步檢波實現AM 信號的解調。 AM 解調程序框圖如圖7 所示，解調波形及頻譜如圖8 所示。

圖7 AM 解調程序框圖

圖8 AM解調信號及頻譜

3.2 FM調制解調實驗

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

設載波信號和調制信號分別為式1 和式2， 調頻指數為：

最大頻偏為：

其中，為調頻靈敏度。

由此可得，在單一頻率調制信號的情況下調頻信號的表達式為

根據式7，可得

據此，設計了FM 信號的調制與解調實驗。 FM 調制電路如圖9 所示。 得到的FM 調制波形圖如圖10 所示。

圖9 FM 調制電路

圖10 FM 信號波形

調制之后可進行FM 解調， 解調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解析函數，就可以得到幅度和相位，從而解調出原始信號。 FM 解調電路如圖11 所示。

圖11 FM 解調電路

4 結語

利用LabVIEW 軟件可視圖形化編程設計了虛擬實驗平臺的界面；設計了AM 和FM 的調制解調實驗，并通過Web 進行發布。 學生登錄系統，設置電路參數進行實驗，可以通過觀察流程和時頻域波形加深對理論知識的理解，對于理解后續實驗電路原理、完成實驗操作起到很好的過渡作用。