基于LabVIEW混频电路虚拟实验平台

董琳， 叶建芳， 李雪莹

(东华大学 信息科学与技术学院， 上海 201620)

0 引言

教学效果的实现离不开实践能力的培养，实验是帮助学生加深对所学理论知识的理解以及增强动手能力的一个重要环节。随着系统电路复杂程度不断提高，借助于电路仿真工具，以提高学生工程设计能力及解决实际问题能力，已成为实验教学的必然发展趋势。

混频器是无线收发系统中，利用其非线性实现频率转换的关键模块，混频增益及1dB压缩电平更是混频电路的重要特性指标。论文运用LabVIEW和Multisim联合仿真技术完成了MC1496混频电路关键性能指标分析测试实验平台的设计开发[1-3]。该平台以Multisim仿真电路为研究对象，通过LabVIEW开发的虚拟仪器面板中的控件，实现对Multisim虚拟环境中的电路参数及输入信号的设置，同时利用LabVIEW的数据采集功能，将电路元件值的改变而导致的电路输出时域波形以及混频增益的变化，直观的展示在界面显示区。并且相对于传统的手工描点绘制曲线方法，学生可以通过虚拟实验平台对结果进行采集，自动化绘制电压增益曲线，确定1dB压缩电平和混频器的动态范围，提高了实验的效率和结果的准确性，为学生深入了解混频特性，提供了一个良好的实验平台[4-5]。

1 Multisim与LabVIEW的联合仿真

为使数字仿真与模拟仿真进行有机的结合，使用LabVIEW与Multisim的联合仿真开发虚拟仪器。在Multisim电路中添加LabVIEW接口，以实现Multisim与LabVIEW之间的数据通信，其工作流程如图1所示。

如图2所示。

图1 开发环境框图

MC1496模拟乘法器混频电路中，输入信号是频率为1.6 MHz的正弦信号us，本振信号是幅度为200 mV，频率为2.065 MHz的正弦信号uL，输出端为电感L3和电容C6、C7组成的π型带通滤波器。射频信号us和载波信号uL经耦合电容C1和C2耦合后从1脚和10脚输入。经过MC1496模拟乘法器后的输出信号从6脚输出，随后进入与6脚相连接的π型带通滤波器，最终得到中频信号。其中，滑动变阻器R7用于调整1脚和4脚电平至0 V。

图2 在电路图中添加LabVIEW交互接口

为实现联合仿真，在电路中添加并配置可与LabVIEW进行交互的电路输入、输出信号接口。其中，电路输入信号源由LabVIEW接口、乘法器、压控电压源以及正弦信号电压源组成。

完成在Multisim电路中添加LabVIEW接口的工作后，可以在LabVIEW中添加数字输入控件，将不同的参数赋值到Multisim中，可实现两者之间的数字通信。

2 MC1496混频电路虚拟实验平台设计

2.1 LabVIEW程序面板的设计

在程序面板的设计中，为实现动态曲线的绘制以及结果数据的读取，主要采用了控制与仿真循环，While循环，事件结构以及层叠式顺序结构。其流程如图3所示。

① 程序在指定的文件路径中创建一个TDMS文件，用于储存仿真过程中的数据结果，便于后期的数据分析；② 进入控件与仿真循环。在LabVIEW中对Multisim电路进行基本参数的预设与动态变量赋值，完成LabVIEW与Multisim的联合数据通信；③ 在控件与仿真循环中，将Multisim中的运行结果动态显示于波形图表，并将输出中频信号波形数据写入至之前创建的TDMS文件中；④ 当仿真循环结束时，控件与仿真循环结构结束，关闭写入的TDMS文件。随后，对保存完好的TDMS文件完成打开、读取的工作，利用幅值和电平测量控件读取TDMS文件中的输出波形的数据，得到中频信号的幅值并显示，利用公式计算混频增益；⑤ 触发“描点”事件结构时，程序将输入信号幅值和混频增益值写入预先设定的TXT文件中，并读取。再将数据按照(输入信号幅值，输出信号幅值或混频增益值)的形式，在对应的XY图中进行动态描点、连线；⑥ 触发“清除”事件结构时，程序将先新建一个同名TXT文件以替换之前写入的TXT文件，再读取TXT文件中数据,此时相对应的XY图中坐标点以及曲线将被清除；⑦ 触发“频率查看”事件结构时，程序将

图3 程序流程图

按照当前路径，调用事先指定的Multisim电路文件并运行，运行该文件，即可使用Multisim仪器库中的频率计查看此时电路输出中频的频率。

2.2 LabVIEW前面板设计

MC1496混频电路分析平台的虚拟实验界面主要分为两个区域，左边为控制区，用于设置电路元件参数及输入信号参数，右边为波形显示区，如图4所示。

在平台运行过程中，调节操作控制区旋钮设置电路输入信号幅度，点击“查看幅值”按钮即可在数据图像显示区中显示输入射频信号幅值、输出中频信号幅值以及混频增益；点击“查看频率”按钮显示Multisim电路，即可观察得到输出中频信号频率；同时，输入射频信号与输出中频信号波形将在波形图表中实时显示。

在右半部分设置两个关系曲线选项卡：输入信号-中频信号和输入信号-混频增益。在各个选项卡界面中，点击“描点”按钮将在对应的XY图中动态显示坐标点与曲线；点击“清除”将清空XY图中已显示的坐标与曲线。

图4 MC1496混频电路虚拟实验平台前面板

3 性能测试与分析

3.1 基本性能测试

在实验界面中设置输入射频信号幅值参数(Vsm=30 mV)，数据图像显示区中的波形图表将实时显示输入射频信号、输出中频信号波形。如图5所示。

(a)

(b)

点击“查看幅值”按钮，显示射频信号幅值(Vsm=30 mV)，中频信号幅值(Vim=1.54×104mV)以及混频增益(G=54.22 dB)，如图5(a)所示；点击“查看频率”按钮，在弹出的Multisim电路中利用频率计查看此时的输出中频信号频率为465 kHz，如图5(b)所示。

3.2 MC1496混频电路的动态范围测试

经过多次取值，在XY图中动态绘制出关系曲线图：射频输入幅度(mV)—中频输出幅度(mV)曲线图和射频输入幅度(mV)—混频增益(dB)曲线图，如图6所示。

由图6(a)可知，混频电路输出中频幅度随射频输入幅度的增大而增大,但随输入信号功率的不断增大，由于混频器非线性器件的作用，混频增益逐渐减小，出现“增益压缩”现象。

由图6(b)可知当射频输入幅度增大的前阶段，混频增益变化较小，基本保持不变，但当输入幅度继续增大时，由于“增益压缩”现象的出现，导致混频增益逐渐减小。

通过拖动游标观测可知，当输入信号幅值到达47 mV时，MC1496模拟乘法器混频电路的电压增益减小1 dB，且当输入信号幅值到达47 mV后，混频增益快速减小，则该混频电路的1 dB压缩电平为47 mV。因此，该MC1496模拟乘法器电路的动态范围为10～47 mV，即当输入信号电压幅值在此范围内，可获得较大的电压增益，电路性能较好。

(a)

(b)

4 总结

本文针对高校的电路实验教学提出了新的方法，并利用Multisim与LabVIEW的联合仿真技术，开发了基于LabVIEW的MC1496混频电路虚拟实验平台。通过Multisim的电路仿真与LabVIEW编写程序进行数据传送与采集，实现了电路参数的灵活改变，信号波形的实时展现，以及混频电路重要特性——1 dB压缩电平与动态范围及混频增益的自动化分析测量。在高校学生规模不断扩大，电路知识内容不断增加的教学现状下，该虚拟仿真实验平台由于其操作界面直观，调节参数方便，且不受时间空间限制的特点，为学生根据自身需要开展实验进行自主探索研究提供了一个良好的平台，可以很好的提高实验的效率和准确度，符合教学研究的实际需要。