通信电子线路性能检测教学平台设计

2019-10-21安媛张钧

科学与财富 2019年31期

安媛　张钧

摘要：系统实现对通信电子线路中电压、电流的检测，并对电压、电流进行了频谱分析和谐波分析，计算电路有效功率，同时对比正弦信号与周期非正弦信号的谐波分析结果，以便于通信电子线路性能分析。系统由Labview与Multisim联合仿真，完成软件之间的数据交互。系统主要分为两部分，一部分通过Multisim搭建常用通信电子线路，为上位机提供输入信号，并完成仿真电路的封装，等待上位机的调用;另一部分通过Labview实现对各检测参数的显示和分析，采用Labview的谐波失真函数、FFT幅度函数等完成相应功能，并通过设置连接点，完成数据交互。本文给出了联合仿真设计方案，实验结果证明系统设计的电路性能检测平台能够完成对仿真电路的电压、电流检测，并根据检测参数完成频谱分析、谐波分析等功能。

关键词：频谱分析;谐波分析;Multisim仿真

1背景及意义

目前社会正在高速发展，生活节奏变得越来越快，工作节奏也变得越来越快。在电子通信行业中如何更加有效、快捷的获取电路的性能参数成为了提升产品质量、使用寿命以及故障定位的关键。电路性能檢测需要变得更加方便，以便能够直观反映电路的工作状态。电路参数能够直观反映出电路的稳定情况，电压、电流的稳定性直接影响到了整个电路正常的工作环境。通信电子线路中容易产生谐波，比如电源端因为制作工艺的偏差，容易产生谐波;输配电的过程中也容易产生谐波。而谐波的产生对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，对周围的用电设备造成影响。

本设计是使用Labview来检测仿真电路中各关键参数，包括电压、电流、功率等，并且对所测电压进行谐波分析和频谱分析。现在有多种检测电路参数的仪器，但对于个人，使用成本是无法接受的，普通的万用表又无法满足使用需求。电路性能检测联合仿真平台能够满足对电路基本参数的检测，降低电路检测成本，可帮助技术人员有效快速掌握电路运行状态，排查故障。这是一种性能优良、操作简单、经济实用的电路检测平台，能够在线检测仿真电路的故障，大大改善了工作效率，提高故障检出率，让维护工作变得高效、快捷、准确。

2系统设计架构

设计采用Labview作为电路性能检测开发平台，Multisim作为仿真电路。Multisim仿真电路使用交流电流源，流控电压源分别提供电压信号与电流信号，将连接节点设置在搭建好的仿真电路中，封装仿真电路，仿真电路直接在Labview中调用，由仿真电路导出的数据为交流电路中的电压和电流信号。Labview开发平台可直接调用Multisim仿真电路，此电路的两个输出点作为Labview数据输入点，Labview显示检测到的电压和电流，以便于进一步处理输入信号，经过计算得到电路的功率，并且进行频率分析和频谱分析。系统总体设计功能见图1。

电路性能检测平台是由Labview与Multisim联合仿真。Multisim提供常用通信电子电路，由交流电源、流控电压源、必需虚拟仪器组成，借助于虚拟检测装置可以在电路图中直接观测到电路输出。电路仿真完成后，需要进行Multisim与Labview的交互工作，在Multisim中，在待测点设置分别HB/SC接口，HB/SC接口用来发送模拟信号给上位机。Labview具有强大的数据处理和分析的能力，经过一系列的数据转换，能够得到由电压、电流值分析频谱、谐波等分析结果。

3 系统调试

3.1 单频电路调试

运行单频电路，XMW2数字多用表检测电路中电流，显示5mA，流控电压源检测到电压5mV，电流检测点处电流为5mA。示波器显示电压源输出波形，为正弦信号，频率为50Hz，此正弦波为上位机的单频输入信号，其界面见图2和图3。

3.2 混频电路的调试

混频电路与单频单路的不同之处在于电路中串联了了两个频率各异的交流电源，分别为2V/150Hz与1V/200Hz的交流电源，能够产生周期非正弦信号，生成的波形见图4。

3.3 上位机调试

Labview程序前面板，选项卡1中显示电流波形、电流频谱、电流有效值，运行Labview程序，信号由Multisim仿真电路封装模块输入，信号经过数组替换子集函数，形成原始波形的一组数据值，输入到波形创建，加入波形起始时间以及数据显示间隔，形成时间信号，完成数据的实时显示。时间信号输入FFT幅频函数，从幅度端口输出电流频谱图，当该信号输入周期平均和均方根后，通过公式（4-2）计算得到电流有效值为6.10Irms，图5显示了电流的波形为频率信号，幅值为5，与仿真电路所测电流相同。因为信号为混频，所以分析得到的频谱图，在频率50Hz、150Hz、200Hz处显示幅值。

选项卡2显示为对电压的分析，包括电压波形显示，电压频谱图、功率的计算以及电压有效值，电压信号与电流信号一样，都由Multisim仿真输入，原始信号加入初始显示时间和显示间隔，形成时间信号，通过FFT幅度函数，得到电压频谱图。

选项卡3是对电压信号的谐波分析，比较单频和混频信号的区别，因为单频信号是由单个的交流电压源提供，频率为50Hz，所以单频谐波波形图只显示在频率为50Hz的基波幅值。混频信号由仿真电路的三个不同功率的交流电源串联提供，加入了有效电压为2V、1V的电压源，频率分别为150Hz、200Hz，该电压信号经过谐波分析函数后，将信号分解成原始信号与谐波，所以在谐波图中能够观察到除了50Hz的基波，还有150Hz和200Hz处的幅值，结果显示见图7。

4 结论

经过不断地学习，研究，设计，参考了大量关于电路性能的文献材料，电路性能检测平台功能已经实现，研究的内容和取得的成果有：

1.使用Multisim设计仿真交流电路，能够提供稳定的交流信号，对电路中电流、电压进行检测。

2.设计Labview上位机程序，能够实现对仿真电路导入的数据进行频谱分析和谐波分析，显示电压与电流，可以在上位机用户界面直观方便的观测。

3.实现上位机与仿真电路的交互，参考两款软件的使用说明，安装交互所需工具包，设置电路连接点，在上位机直接调用仿真电路的接口函数，完成信号接入到上位机的工作。

基本功能虽然实现，还是有不满意的地方，如Multisim搭建常用通信电子线路，测得的参数有限，与实际应用中的通信电子电路有一定的差异。此外，该检测平台还有很大的优化空间，上位机前面板的制作不够美观，对于显示控件的分布不够合理，可能和身为理科生有关系，缺少对平面设计的经验。后续可继续完善系统功能，扩展硬件部分，采用Arduino实现硬件检测电路的功能，完成硬件与上位机的数据交互，让本设计功能更加强大。

参考文献：

[1] 朱里奇.模拟电子技术中稳压电路的建模与分析[J].信息通信.2015（10）.

[2] 张学文，王成艳.对称式多谐振荡器仿真研究[J].湖北师范学院学报.2012（01）.

[3] 吴桂峰，唐鸿儒，陈东雷.基于Multisim和Labview的电路课程虚拟实验平台的构架[J].当代教育实践与教学研究，2016（01）：90-91.

[4] 张克，贺国，张超杰.一种模拟电路动态电源电流信号测量电路设计与实验验证[J].舰船电子工程.2017（04）.

[5] 张武甲.基于参数测量单元的芯片自动测试系统设计[D].西安电子科技大学，2013.

[6] 高成.最新集成电路测试技术[M].国防工业出版社，2009.

[7] 黄志强.基于Labview多通道数据采集系统设计与调试[J].机械制造与自动化，2019，48（01）：179-181.

[8] 汤佳明，安伟.基于LABVIEW的上位机串口通信程序设计[J].电子设计工程，2018，26（11）：86-90.

[9] 王蕾.基于Labview和Multisim的虚拟电子技术实验系统的设计与实现[J].唐山学院学报，2015，28（06）：39-41.

[10] 刘小虎，唐勇.一种基于Labview的數据采集系统的实现[J].舰船电子工程，2019，39（02）：115-117.

[11] 夏妍，孙硕.基于单片机和Labview的多路数据采集系统设计[J].电子技术与软件工程，2018（12）：252-253.