基于虚拟仪器技术的实物电路演示系统开发应用实践

范文佳+何璐雅+李菡蔚+柯逸凡+蒋鹏+唐路

摘要：本课题在对调制解调系统有充分的了解和完善的设计下，利用LabVIEW、Multisim进行调幅/频虚拟仿真，得到调制信号、载波信号、解调信号波形，并在NI原型实验板上搭建电路，在NI ELVISmx Instrument Launcher上进行硬件测试，将对仿真结果和实际电路测试所得数据进行分析比较。最后开发出一套基于虚拟仪器技术的通信电路演示实验系统，使得学生加深对简单通信系统的结构认识，有助于学生对该部分知识的理解应用。本项目结合了我校虚拟实验系统项目的建设，对实验教学的改革，启发式教学的进行，学生创新意识的培育具有重大意义。

关键词：调幅；调频；Multisim；LabVIEW；ELVIS

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）11-0197-04

A Whole Experimental System for Development and Application of Object Circuits Experiments Based on Technologies of Virtual Instruments

FAN Wen-jia， HE Lu-ya， LI Han-wei，KE Yi-fan， JIANG Peng， TANG Lu

（School of Information Science and Technology， Southeast University， Nanjing 211189， China）

Abstract： Under the circumstance of abundant comprehension and perfect design of modulation system and demodulation system， this project make virtual simulations of amplitude/frequency modulation using LabVIEW and Multisuim to obtain the modulated wave， carrier wave and demodulated wave. We constructed the circuit on the NI experimental board of its prototype， making hardware tests on NI ELVISmx Instrument Launcher. The results obtained from simulations were analized and compared with statitics acquired from tests of real circuits. Finally， in order to make students develop more profound acknowlegde of the structure of simple communication system and be helpful to the comprehension and application of knowledge in this part， we develop a whole experimental system for demonstration of communication circuits experiments based on technologies of virtual instruments. Combined with the project of the construction of virtual experimental system in our school， this project is of great significance to the revolution of experimental teaching， the conduct of the heuristic method of teaching and innovation consciousness of students.

Key words：amplitude modulation； frequency modulation； multisim； LabVIEW； ELVIS

1 课题背景

目前计算机仿真技术的飞速发展，使得软件代替传统硬件仿真实验系统成为可能。各种计算机语言仿真相继出现。虚拟仪器技术的发展，为虚拟实验系统提供了一条新的思路。计算机设计具有精度高、通用性强、重复性好、建模迅速及成本低廉等众多优点，而且仿真软件和硬件设备相结合可实现真正系统。NI ELVIS II是设计与原型开发平台的最新版本。NI ELVIS II基于强大的LabVIEW图形化系统设计软件，与Multisim软件的完全整合，简化了电路设计。

在通信中，将所需传送的基带信号调制到可以从天线上以电磁能量辐射传送的高频振荡来实现信号的传播。在接收机中，已调信号被放大、变频中放后，须通过解调以恢复出基带信号。然后，将恢复出的基带信号再放大后送给信者处理。调制解调是通信中必需的一项技术。而将现代计算机仿真技术与调制解调相结合，可以更便捷的实现调制解调系统的设计。本课题在这样的趋势下，使用基于NI的Multisim软件和ELVIS平台将仿真软件和硬件设备相结合，最后将软件仿真的结果与硬件测试的结果相比较，本设计的流程图如图1所示。

图1 设计流程图

2 运用Multisim设计调幅调频系统

2.1 MC1496构成的模拟调幅电路的仿真实现

在Multisim软件仿真平台的编辑窗口中创建MC1496的内部结构图，设置相关选项，生成子电路模块后加入自定义数据库并保存，生成的子电路模块如图3-1所示。

图2 Multisim中MC1496子电路替代模块

2.1.1 MC1496构成的模拟调幅电路的仿真实现

在编辑窗口，利用已经生成的MC1496子模块，选择乘法器模块所需的外围电路元件，创建MC1496构成的振幅调制解调仿真电路，如图3。

图3 MC1496构成的振幅调制解调电路

在图3中，由X1及外围电路元件构成的电路实现振幅调制，由X2及外围电路元件构成的电路实现相干解调（即同步检波）。

2.1.2 AM调制及解调结果

当输入载波信号频率为50KHz，幅度为400mV，调制信号频率为1KHz，幅度为1V时，经过幅度调制电路仿真，得到已调波形如图4所示。当500KHz，峰峰值为80mV的载波经过1KHz，峰峰值为600mV的调制信号调制后所得的振幅调制结果与载波相乘，并经过低通滤波器和隔直电容，得到同步检波的结果如图5所示，可知图3-4中调制结果信号中的包络随调制信号的变化而变化。我们可以看出，图5所示的解调结果为1KHz，幅度为240mV的正弦波。由解调后所得的结果知，解调后的信号频率与调制信号的频率一致，故可以说明此解调是正确的。

图4 幅度调制波形

从图4可以看出，已调信号波形的包络随着调制信号的振幅变化而变化，即实现了幅度调制。将已调信号（即图4所示）输入到同步检波电路，并将同步检波电路的另一个输入端接一个与幅度调制电路同频同相的信号，经过同步检波电路的解调，可以得到解调信号，解调信号如图5所示。

图5 同步检波波形图

通过图5可以看出，解调信号频率为1KHz，幅度为80mV。解调波形的幅度与调制信号频率相同，可以调节这两个滑动变阻器，以使解调后的波形幅值与调制信号一致，这可以说明解调电路是正确的。

2.2 频率调制解调的具体实现

信号的调频：

图6 锁相环调频仿真电路

运行仿真得结果如下：

图7 锁相环调频波形与调制波形

信号的解调：

图8 锁相环鉴频仿真电路

仿真得结果如下：

图9 锁相环鉴频波形与解调波形

3 运用LabVIEW设计调幅调频系统

3.1 在LabVIEW中搭建振幅调制的程序框图

振幅调制解调实验系统的程序框图如图10所示：

图10 幅度调制解调实验程序框图

首先对程序框图进行操作。点击右键可以弹出控件框并创建一个While循环，并从函数选板中选择所需的器件，选中后即可添加入程序框图。或点击“搜索”按钮，在弹出的对话框中输入所需的器件的名称，可以方便的选中器件。点开前面板，在弹出控件框中选出波形显示控件，修改其属性完成对其命名等操作，完成全部程序。运行程序。

整个调幅电路，由信号发生器与加法器、减法器、乘法器和波形图构成。调制信号与载波信号相乘以后与载波信号的倍数相加，得到了已调波形，如图所示。同时可以通过改变滑动杆来改变改变调制信号的频率与调幅系数。

3.2 AM调制结果

此处调幅波频率为100HZ，幅度为1V，载波频率为10HZ，幅度为1V。

图11中三个波形从左到右，从上到下分别显示的是调制信号，载波信号与调幅信号。

图11 调幅输出波形

3.3 在LabVIEW中搭建频率调制的程序框图

同理，打开LabVIEW，根据频率调制基本原理，利用LabVIEW实现频率调制，程序框图如图12所示。

在前面板中修改数值，点击开始运行程序，在前面板的波形图中可以看到如下波形，如图13所示。图13中两个个波形从左到右，分别显示的是调制信号与调频信号。

图12 调频LabVIEW程序框图

图13 调频输出波形

本课题在NI Multisim和LabVIEW软件平台上进行仿真之后，利用分立元件在NI ELVIS平台上搭建相应电路，进行硬件测试。将ELVIS平台上的测试结果与软件仿真的测试结果相对比，验证测试结果是否正确。

4 NI ELVIS平台的硬件测试

4.1 调幅实验

当利用NI ELVIS软件中的任意波形发生器（ARB），产生频率为1KHz，峰峰值为1V的调制信号，利用函数信号发生器（FGEN）产生频率为10KHz，峰峰值为500mV的载波时，所得的调制信号如图5-1所示。

图14 ELVIS平台上振幅调制的结果

由图14可以看出，调制结果为载波的包络随调制信号变化而变化的结果。且包络变化的周期与调制结果中信号变化周期的比等于调制信号的周期与载波信号的周期的比。故可以看出，此调制结果是正确的。通过此调制结果可以计算调幅系数Ma为85.2%。

利用同步检波电路可得到解调之后的结果如图15所示。

图15 ELVIS平台上同步检波的结果

由图15可知，解调后所得信号为频率为1KHz，峰峰值为2V的正弦信号。可看出解调结果得到的波形与调制信号一致，故调制解调的结果正确。

对振幅调制而言，解调还可以采用包络检波。当输入AM波的幅度足够大时，经过二极管后AM信号的负半周被削去，经过RC网络滤波就可恢复出基带信号。由于失真严重，故选择放弃采用包络检波而改选同步检波。

经过ELVIS平台上分离元件电路的验证，可以看出振幅调制及同步检波电路基本正确，并且通过此验证，更好的掌握ELVIS平台的操作。

4.2 调频实验

在NI原型实验板上搭建完电路后，将NI ELVIS与电脑相连并打开电源。打开软件NI ELVISmx Instrument Launcher，双击Scope、FGEN两个图标，打开示波器（Scope）与函数发生器（FGEN）。

调节函数发生器（FGEN）的输出频率为20KHZ，Vpp值改为10V（注意如果Vpp过小将出不来调频结果，函数发生器（FGEN）输出信号Vpp最大为10V）。

调节示波器（Scope）的Source为Uo的接入通道。示波器（Scope）输出如图16所示：

图 16 调频波输出波形

5 小结

本课题使得学生在实验中可接触到更多的仪器，并学习了解其基本功能，这样可以使得学生增加对测试设备的了解，对提升学生的工程实践能力有很大的帮助。调频调幅的实验设计，使得学生加深对简单通信系统的结构认识，有助于学生对该部分知识的理解应用。本项目结合了我校虚拟实验系统项目的建设，对实验教学的改革，启发式教学的进行及学生创新意识的培育具有重大意义。

由于本课题运用了Multisim、LabVIEW、Elvis等多种虚拟仪器，软件、硬件结合使用，先在软件上进行仿真，然后在硬件上搭试进行实验。故可按照这种思路，软硬件结合进行实验的方式较为实用，可以多放进行实践，可以运用到多种教学实验当中，具有普遍指导意义。

在进行本课题的实验中，还需要注意一些实验中可能会出现的问题。本实验课题由于软硬件结合进行实验，需要注意仿真程序和硬件搭试之间的关系。仿真数据和硬件搭试的数据误差在一定范围内，可以认可实验成果。若误差较大，需重新调试仿真程序或者搭试硬件，探讨程序和电路的问题及原因。Elvis硬件由于是新型仪器，使用需按照硬件说明规范使用。

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