信号与系统课程虚拟仿真实验室设计及应用

仇芝+张禾+杜坚+马浩鹏+赖欣

摘 要： 针对信号与系统课程的实验教学，基于LabVIEW、MATLAB和Multisim混合编程，设计了一款虚拟仿真实验室。实验室采用了模块化的设计方法，具有用户管理、仿真实验和图像处理两大模块，能够完成教学所要求的课程实验。介绍了虚拟实验室在信号与系统课程实验中的应用经验，展示了学生利用共享资源自主开发的实验。

关键词： 信号与系统； 虚拟仿真； LabVIEW； MATLAB； Multisim

中图分类号：TP391.9；TN911.6 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）08-48-04

Abstract： A virtual simulation laboratory is designed by mixed programming of LabVIEW， MATLAB and Multisim， for the experiment teaching of "signal and system" course. The laboratory using the modular design method， with user management， simulation experiments and image processing two modules， can fulfill the experiments of course teaching required. The application experience of virtual laboratory in the experiment of "signal and system" course is introduced， and the experiments that students have developed by using shared resources are shown.

Key words： signal and system； virtual simulation； LabVIEW； MATLAB； Multisim

0 引言

信号与系统是高等学校仪器类本科学生的一门承上启下的专业基础课，该课程以“电路原理”、“数字/模拟电路”、等课程为学习基础，同时又是“数据采集”、“自动控制原理”等专业课程的基础。其中，课程实验可以帮助学生理解所学理论，更有助于锻炼学生分析和解决问题能力。然而，传统的信号与系统实验以硬件电路为依据，硬件实验设备使用维护的成本也较大，不利于开展灵活多样的课程实验。随着计算机技术的不断发展，基于仿真软件的信号与系统虚拟仿真实验室逐渐成为国内外高校实验的新手段[1-4]。

本文针对信号与系统课程的实验教学，提出了一种基于LabVIEW、MATLAB和Multisim 混合编程的虚拟实验室设计方案，采用模块化的设计思路，完成和实现了信号与系统虚拟仿真实验室的设计。最后介绍了虚拟实验室在应用中的经验，展示了设计资源共享后，学生自主开发的实验。

1 虚拟实验室设计方案

目前，虚拟仿真实验室主流的设计方案主要是基于LabVIEW或基于MATLAB，或者二者结合的开发方案[5-10]。本文提出基于LabVIEW、MATLAB和Multisim三种软件混合编程的开发方案，方案框图如图1所示。用Multisim制作電路图并封装为LabVIEW子VI；LabVIEW制作为虚拟仿真实验室的界面，MATLAB在后台对信号进行分析运算，并将结果通过LabVIEW显示。

该方案较其他设计方案，其特点在于以下两点。

⑴ 结合三种软件的优势，即LabVIEW具有界面美观，易于编程；MATLAB具有强大的计算、仿真功能，GUI语言提供的丰富的信号处理工具箱函数；Multisim是一款电路仿真软件，在电路仿真方面比LabVIEW和MATLAB方便，且便于与LabVIEW联合仿真。

⑵ 该实验室可以显示实验电路，改变电路实际参数，不仅仅是数学模型和波形。利用Multisim软件能够在实验中显示实际电路，有助于学生理论联系实际。

2 虚拟实验室模块化设计

综合考虑我校实验教学要求和学生实验需求，我们的虚拟仿真实验室采用模块化设计思路，设计了用户模块、实验模块和图像处理模块两大功能。用户模块检测登录信息，登录成功后，进入实验功能选择模块选择实验项目；实验项目模块可灵活选择实验参数，保存分析实验图像。功能框图如图2所示。

2.1 用户功能模块

用户模块是基于LabVIEW软件开发，该模块的主要功能是储存学生登录信息（即用户名和密码）、登录虚拟仿真实验室。管理者可在用户模块增加和删除用户，管理用户的登录权限。

2.2 实验与图像处理模块

共有五个实验模块：二个必做和三个选做实验[11]。每个实验模块均使用LabVIEW制作虚拟仿真实验室的界面，根据不同实验要求调用Multisim制作的LabVIEW子VI，以及MATLAB在后台分析运算的结果或图像。这里具体介绍“连续时间系统的时域响应”、“滤波器”和“信号的采样与恢复”三个实验模块。

2.2.1 连续时间系统的时域响应实验

在信号与系统课程中，对于连续时间系统的时域分析，通常是根据已知激励信号，求取系统的响应信号，从而分析系统的性能[12-13]。这部分实验要求学生根据所学理论，针对某一电路施加激励信号，能够分析其零输入、零状态和全响应情况。图3给出了针对RC电路的实验模块界面。

在实验过程中，首先设置RC电路参数；然后根据实验内容，选择相应开关的通断，模拟零输入、零状态或全响应所要求的电路状态；图像处理模块则会显示出相应的零输入、零状态响应曲线，如图3（b）所示。点击“全响应”便可同时观测三种响应的图像。

学生还可以多次更改电路参数，观察RC电路中参数的改变对时间响应的影响。响应曲线可保存至word文档中，便于分析试验实验结果，撰写实验报告。

2.2.2 滤波器实验

滤波器（指模拟滤波器）是对输入信号的频率具有选择性的二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其他频率的信号幅值均要衰减或受到抑制。这些网络可以是RLC元件构成的无源滤波器，也可由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种[11-12]。实验室设计了四种无源和有源滤波器实验，下面以低通滤波器为例，详细说明。

低通滤波器实验界面如图5所示。实验中可以设置原信号幅值、频率以及相位等参数。原信号经有源、无源滤波器后信号通过图像处理模块，可以显示滤波后信号的幅值、频率、相位值。保持原信号幅值及相位不变，由小到大逐渐增大频率，经过滤波器的滤波信号幅值、相位会发生改变。图4所示为当频率为1500Hz时无源和有源滤波器滤波后的图像。

实验中可以对比无源和有源滤波器的后图像的差异。适当设置多个频率，可画出低通滤波器的幅频图，并与前面板所示幅频图像进行对比，求出滤波器的截止频率。

2.2.3 信号的采样与恢复

信号的采样是指，通过采样开关的周期性动作，将连续时间信号变为离散事件信号的过程，描述这一过程的定理是香农采样定理[11-12]。这是“信号与系统”课程中一个最重要的部分。香农采样定理将时域采样过程从频域方面分析，采样信号的频谱相当于将连续信号的频谱左右周期延拓，频谱幅值变为1/Ts倍。若要将被采样信号通过采样后的信号恢复出来，则采样频率至少是被采样信号最高频率的2倍。

本实验模块针对以上过程，展现了信号的采样、恢复的全过程。运行软件，可设置被采样信号类型、频率、幅值以及相位。点击波形采样按钮，采集波形。图像处理模块能够显示采样后信号、采样后信号的功率谱，采样后信号通过低通滤波器的恢复信号以及频谱。实验界面如图6所示。图5中，被采样信号为幅值1V，频率为100Hz的正弦信号，设置采样频率为150Hz。

3 虚拟实验室应用

经验表明，虚拟实验室并不能完全代替硬件电路实验，我校的做法是将课程实验六学时分为：二学时虚拟仿真实验（仿真实验电路完全同硬件电路），二学时硬件电路验证实验，二学时设计型实验。

仿真实验要求学生在实验课中独立完成实验，验证课程理论，分析试验结果。硬件电路和设计型实验分组（2-3人一组）完成。设计型实验中，教师提供了“信号与系统课程虚拟仿真实验室”所有源程序给学生共享，并将软件设计过程编写了设计指导书，要求学生根据课程内容自主设计一个实验项目作为设计型实验内容。

通过信号与系统虚拟仿真实验室的应用，学生普遍反映大大增强了对课程学习兴趣，加深了对理论的理解，锻炼了动手能力。图6展示了学生针对课程中“卷积和”内容，利用LABVIEW和MATLAB混合编程，自主设计编写的有限长序列的“卷积和”实验模块。

4 结束语

本文针对信号与系统课程虚拟仿真实验室，介绍了一种基于LabVIEW、MATLAB和Multisim混合编程设计方法，并说明了虚拟实验室在课程实验中的应用经验，展示了设计资源共享后，学生自主开发的实验。实践表明，虚拟仿真实验室的开发，方便了开展多样化的实验，让学生能够通过该实验平台随时随地的进行相关实验，巩固和深入理解课上所学到的内容，理论联系实际。采用设计资源与学生共享的方案，能让学生充分发挥主观能动性参与到设计实验的过程中，调动了学生的学习积极性，起到了培养学生实践能力的作用。

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