基于LabVIEW 的高频电子线路虚拟仿真实验平台

赵海涛 李开阳 王卓鹏 逄明祥

（山东科技大学电子信息工程学院，山东 青岛 266590）

0 引言

2017年，在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，教育部决定开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作。 2019年，教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8 号），将国家虚拟仿真实验教学项目纳入一流本科课程建设。文件鼓励高校根据自身情况，合理开展虚拟实验仿真平台设计。 高频电子线路课程有很强的理论性、工程性和实践性。 学生学习完相关理论知识后，应进入实验室做实验，以巩固所学知识。 而实验箱的电路固定且封闭，学生只能通过测试点进行相关测量。 虽然指导教师会在实验前讲解相关实验电路知识，但是同学们普遍反映把理论内容和实际电路联系起来比较困难。 针对此问题，教学团队调研了大量兄弟高校的虚拟实验平台。 在学校现有实验资源的基础上，开发了满足学生诉求的基于虚拟仪器技术的实验仿真平台，该平台可以让学生根据课本理论知识构建原理框图，通过系统自带虚拟仪表观察测量输入的时频域波形，加深理论认识，做好理论与实践的衔接，取得良好的教学效果。

1 虚拟仿真实验平台架构

设计采用B/S 模式，即浏览器/服务器模式，客户机只需要安装一个浏览器，服务器安装数据库，就可以实现浏览器同数据库之间的数据交互。 本高频电路虚拟实验仿真平台由平台功能模块（包括登录模块、注册模块、密码重置模块）和实验模块两大主体构成。 实验平台由LabVIEW 软件搭建，平台自身的运行和维护不受硬件设备的限制，具有灵活的扩展性。系统整体框图如图1 所示。

图1 系统整体框图

2 虚拟仿真实验平台功能

2.1 登录界面

用户登录界面是本次虚拟实验平台的主界面。 学生正确输入个人校验信息后，进入实验系统。 登录界面的前面板由输入控件（包含用户名、密码、身份和学号信息）和布尔控件（登录、注册、找回密码和退出程序）组成。 其中的“身份”输入控件是一个组合框，可以选择用户的身份，是“学生”还是“老师”。 字符串控件用来填写用户的登录信息，当用户填入自己的信息并点击“登录”按键时，“登录界面.vi”会运行，并将用户填入的信息和MySQL 数据库系统功能表中的信息进行比对，只有当以上的信息和数据库中的用户信息完全匹配时，弹出登录成功提示框，点击确定可进入实验模块。 若其中的任意一项所填信息与其他几项不符，则出现错误提示。 登录界面的其他三个布尔，点击注册会进入注册界面；点击找回密码会进入密码重置界面；点击退出则会退出程序，并且每次切换界面都会将前面的界面进行隐藏，方便用户的操作。 登录界面如图2 所示。

图2 登录界面

2.2 注册界面

虚拟实验平台设有用户注册功能。 新用户可以在登录界面注册， 把自己的个人信息录入数据库中后，可在登录界面进行登录。 在注册模块，用户需要输入自己的用户名、密码、身份、学号等个人信息，其中的身份可在“学生”“老师”两项中做出选择。 如果想退回到登录界面，可点击“返回”按键。 注册界面前面板如图3 所示。

图3 注册界面前面板

2.3 密码重置界面

当用户忘记密码时，点击登录界面的找回密码按键，可使用密码重置功能。 对操作者的学号和用户名进行验证无误后， 可进入密码重置界面进行密码重置。 信息验证和密码重置是处于同一个界面的。 控件属性节点呈现当前功能，如信息验证界面可见的是用户名、学号、信息验证、退出四个控件，而对应密码重置界面的新密码、确认密码、保存修改、返回这四个控件被隐藏。 信息验证前面板如图4 所示，密码重置界面如图5 所示。 用户数据存储在MySQL 数据库中的数据可以通过LabVIEW 的LabSQL 函数进行访问。

图4 信息验证模块前面板

图5 密码重置界面前面板

3 虚拟实验内容设计

用户在成功登录虚拟实验仿真平台后，便可进入学生实验界面。本平台选取无线通信系统中的AM 调制解调和FM 调制解调内容，设计了相应的虚拟实验。 该内容是高频电子线路的核心内容，有较强的代表性。 学生实验界面的前面板如图6 所示。

图6 学生实验界面的前面板

3.1 AM 调制解调实验

振幅调制与解调属于频谱的线性搬移。普通振幅调制（AM）就是要用调制信号去控制载波振幅的过程，把要传送的信息载到高频振荡上去。解调则是调制的逆过程，将载于高频振荡信号上的调制信号恢复的过程。

为了方便波形的分析，设载波电压为

调制电压为：

其中，、为分别为载波电压和调制电压的振幅；ω、Ω 分别为载波电压和调制电压的角频率。

通常ω>Ω， 根据定义AM 信号的振幅随调制信号线性变化得到：

由此得到调幅信号表达式为：

为了使已调波不失真，已调波的振幅能够真实反映出调制信号的变化规律，调制度应该小于或等于1。 基于以上原理，设计AM 调制实验。 调制过程波形如图7 所示。

利用同步检波实现AM 信号的解调。 AM 解调程序框图如图7 所示，解调波形及频谱如图8 所示。

图7 AM 解调程序框图

图8 AM解调信号及频谱

3.2 FM调制解调实验

频率调制又称调频、FM，属于频谱的非线性搬移，是指用调制信号去控制高频载波的频率，使之随调制信号线性变化。 频率调制信号的解调是频率调制的逆过程，是将寄托于高频载波频率上的调制信号恢复出来，频率调制信号的解调又称为频率检波或者鉴频。

设载波信号和调制信号分别为式1 和式2， 调频指数为：

最大频偏为：

其中，为调频灵敏度。

由此可得，在单一频率调制信号的情况下调频信号的表达式为

根据式7，可得

据此，设计了FM 信号的调制与解调实验。 FM 调制电路如图9 所示。 得到的FM 调制波形图如图10 所示。

图9 FM 调制电路

图10 FM 信号波形

调制之后可进行FM 解调， 解调使用了希尔伯特变换。 用原信号和希尔伯特变换后的信号表示出复解析函数，就可以得到幅度和相位，从而解调出原始信号。 FM 解调电路如图11 所示。

图11 FM 解调电路

4 结语

利用LabVIEW 软件可视图形化编程设计了虚拟实验平台的界面；设计了AM 和FM 的调制解调实验，并通过Web 进行发布。 学生登录系统，设置电路参数进行实验，可以通过观察流程和时频域波形加深对理论知识的理解，对于理解后续实验电路原理、完成实验操作起到很好的过渡作用。