虚拟仪器实验系统的设计与实现

2011-09-19黄劲松段哲民

电子设计工程 2011年15期

黄劲松，段哲民，李彬

（西北工业大学电子信息学院，陕西西安 710129）

在高等院校的理工科教学中，实验占据了显著的地位，它不仅对理论教学有实践、指导意义，更重要的是能锻炼学生的动手能力[1]。学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，初步具备处理实际问题的能力[2-3]。因此，充实实验内容、增开综合性实验项目、进一步加强实验室建设和不断改革实验教学是十分必要的。由于条件的限制我国大学的实验室建设一直落后于先进国家，这在一定程度上影响了高素质人才的培养，制约了我国科研和工业生产的快速发展[3]。

虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的仪器种类，在虚拟仪器中，计算机处于核心地位，仪器的结构概念和设计观念等都发生了突破性的变化[4-5]。从构成上来说，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器[6]。近年来，虚拟仪器技术蓬勃发展，具体技术已经十分成熟，在诸多领域有了重要的应用。

将虚拟仪器技术应用于实验教学能够有效地缓解教学与资金紧张的矛盾，同时虚拟仪器技术又具有易学的开发环境和极高的灵活性，可以激发学生的学习兴趣，提高教学质量[3,7]。笔者介绍了一种基于虚拟仪器技术的实验系统实现方案，并对系统功能进行了详细验证。

1 虚拟仪器实验系统设计方案

笔者设计的虚拟仪器实验系统采用PC-DAQ式数据采集系统，即借助于插入计算机内的数据采集卡与专用软件LabVIEW相结合实现数据采集。结合实际情况考虑到经费、开发周期和兼容性等问题，硬件部分采用技术成熟、价格低廉的声卡作为数据采集设备，结合计算机组成高性价比的PC-DAQ系统；软件部分采用具有强大的数据采集与处理功能的LabVIEW8.5虚拟仪器开发平台进行软件功能模块的开发。

1.1 系统结构

设计的虚拟仪器实验系统由两部分组成，包括基于声卡的常用虚拟仪器和基于LabVIEW的虚拟实验教学系统。具体结构如图1所示。

1.2 系统功能

虚拟仪器实验系统可以实现传统信号发生器和示波器的基本功能，并能够完成多种电子技术类实验的模拟仿真和教学演示。根据系统模块划分，各模块功能如表1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure diagram of system

表1 系统各模块功能Tab.1 Module function of system

2 基于声卡的常用虚拟仪器实现

2.1 声卡的工作原理

从数据采集的角度看，声卡可以看作是一种音频范围内的数据采集卡，是计算机与外部模拟环境联系的重要途径[1,8]。声卡的工作流程如图2所示。

图2 声卡工作流程图Fig.2 Work flow chart of sound card

2.2 总体结构设计

设计的基于声卡的常用虚拟仪器包括基于声卡的虚拟信号发生器和基于声卡的虚拟示波器两个部分，结构如图3所示。虚拟信号发生器产生的波形通过声卡（D/A转换）输出，再经过适当的电压调节电路，就可作为实验电路的激励信号源。同时，实验电路的输出信号经过电压调节后送入声卡（A/D转换），再由虚拟示波器分析和显示。

图3 基于声卡的常用虚拟仪器总体结构Fig.3 General structure of conventional virtual instrument based on sound card

2.3 系统功能验证

图4和图5分别为虚拟信号发生器和虚拟示波器的工作界面。图4为虚拟信号发生器输出500 Hz，1 V的正弦信号时的截图；图5为虚拟示波器接收2 000 Hz，0.3 V正弦信号所显示的波形。由这两个图可以看出基于声卡的虚拟信号发生器和虚拟示波器均能够实现其功能。

图4 虚拟信号发生器前面板Fig.4 Virtual signal generator front panel

3 基于LabVIEW的实验教学系统实现

为了方便在教学中进行原理演示，在完成了基于声卡的常用虚拟仪器的基础上，设计并实现了基于LabVIEW的虚拟实验教学系统。该系统包括基于LabVIEW的触发器实验、基于LabVIEW的典型频谱分析实验、基于LabVIEW的信号谐波分析实验和基于LabVIEW的信号调制解调实验等用于实验教学的虚拟仪器模块。该系统可用于电子科学与技术、通信工程等专业课程的理论和实验的教学，能够直观地演示各种基本原理，加深学生对知识的理解，也能有效地训练学生的动手操作能力，提高学习兴趣[9]。

图5 虚拟示波器前面板Fig.5 Virtual oscilloscope front panel

各模块功能验证如图6～图9所示。

如图6所示，触发器仿真实验模块可以正确地演示4种触发器的输入与输出变化的逻辑关系。

如图7所示，在典型信号频谱分析实验模块中，仿真输入幅度为1 V，频率为20 Hz，占空比为50%的方波信号，其幅值谱功率谱和相位谱可以正确显示。

如图8所示，在谐波分析实验模块中，仿真输入由100 Hz，10 V、200 Hz，4 V 和 300 Hz，2 V 的 3 个正弦波构成的叠加正弦波，其频谱、各次谐波分量、基频频率和失真度均可正确显示。

如图9所示，在信号调制与解调实验模块中，仿真输入11 Hz，1 V的正弦信号作为基带信号，经50 Hz，1 V的正弦信号载波，可以得到正确的已调信号波形，并能通过解调得到正确的解调信号波形[10]。

图6 触发器仿真实验模块工作界面Fig.6 Trigger simulation experiment module working interface

图7 典型信号频谱分析实验模块工作界面Fig.7 Typical signal spectrum analysis experiment module working interface

图8 谐波分析实验模块工作界面Fig.8 Harmonic analysis experiment module working interface

4 结论

笔者将高校实验教学中所需仪器的功能要求与Lab-VIEW强大的开发能力相结合，提出了将虚拟仪器技术应用于实验教学中的设计思路和解决方案，并在虚拟仪器开发平台LabVIEW8.5环境下实现了虚拟仪器实验系统。系统采用声卡作为数据采集设备组建PC－DAQ式数据采集系统，减少了硬件设备的投资，降低了实验室建设的成本。软件部分采用模块化设计，学生在掌握了LabVIEW开发平台之后，可以利用LabVIEW平台提供的函数开发出多种新的虚拟仪器，激发学生的学习兴趣，达到理论与实践的完美结合。该系统充分发挥了虚拟仪器在数据采集和数字信号处理中的优势，具有结构简单、扩展性强、教学效果好等优点。