基于LabVIEW的虚拟模电实验的构建——调制解调器

1、基于LabVIEW的虚拟模电实验的构建调制解调器作者：刘浩春时间：2009-10-9 9:27:00 论文关键词： LABVIEW 模拟电子技术虚拟实验 调制解调器论文摘要：虚拟技术的发展使模拟电子技术实验的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。这样，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进模拟电子技术实验教学的现代化。本文介绍了基于LabVIEW的模拟电子技术实验系统虚拟调制解调器的设计与实现。此系统具有参数调节方便、易实现、可靠度高等优点。在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决实验与实习经费严重

2、短缺问题。作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。1绪论1.1虚拟仪器虚拟仪器的概念最早由美国N工公司于1895年提出n，其英文原称为Vrul Instrument，简称vi。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机测试系统.虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果:利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、分析和处理:利用工/0接口设备完成信号的采集、测

3、1t与调理，从而建立集各种测试功能为一体的计算机仪器系统。使用者通过鼠标和键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测盆仪器一样。虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力。虚拟仪器由通用仪器硬件平台(简称硬件平台)和应用软件两大部分构成。（1） 虚拟仪器的硬件平台 虚拟仪器的

4、硬件平台由两部分组成:(a)计算机 一般为一台PC机或者工作站，其为硬件平台的核心。(b)I/0接口设备 I/0接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、A/D转换。不同的总线有其相应的I/0接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集板卡、GPIB总线、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、串行总线仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有5种类型:. PC-DAQ系统PC-DAQ系统是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用计算机的PCI或工SA总线，数据采集卡直接插入计算机底板上的相应总线插槽. GPIB系统 GPB系统是以PB标准总线仪器与计算机为仪器

5、平台组成的虚拟仪器测试系统。. VXI系统 VX 6是以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。. PXI系统 PX工系统是以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。 . 串口系统 串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。（2） 虚拟仪器的软件目前虚拟仪器软件开发工具有如下两类:. 文本式开发平台:如VisualC+,VisualBasic,LabWindows/CVI等，. 图形化开发平台:如LabVIEW,HPV E等。. 1.2 LabVIEW开发平台简介及G语言 LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境

6、(LaboratoryVirtualInstrumentEniernokec) NTOANTUET,gnigWrbnh的缩写，是美国国家仪器公司(AINLISRMNS简称NI) 推出的基于G语言(GraphicsLanguage,图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，全球发布仅次于C/C+十开发平台。1.3目的与意义用LABVIEW构建一个模拟电子技术虚拟实验系统调制解调器。从现实的意义上来说，在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实

7、验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。同时，利用虚拟仪器技术实现对仪器设备的远程、分布式控制，。一方面继承实物实验可操作性、参与性强的优点，另一方面又可利用计算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验教学方式，进一步提高教学效率。2工具LABVIEW2.1 LabVIEW开发平台简介 LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与Visual C+、Visual Basic、 LabWindows/CVI等编程

8、语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码（Code），而L abVIEW则是使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码。Lab VIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。 LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。 LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VIs”。在计算机显示屏 幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面版（Front Panel）；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的

9、界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。一般来说，每一个VI都可以被其他VI调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的。 LabVIEW是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用于GPIB设 备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的应用程序模块。 LabVIEW可方便的调用Windows动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数；LabVIEW 还提供了CIN (C Interface Node) 节点使得用户可以使用由C或C+语言，如ANSI C, 编译的程序模块，使得LabVIEW成为一个开放的开发平台。Lab

10、VIEW还直接支持动态数据交换 （DDE）、结构化查询语言（SQL）、TCP和UDP网络协议等。此外，LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够很方便的设置断点，动态的执行程序来非常直观形象的观察数据的传输过程，以及进行方便的调试。 LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺伊曼计算机体系结构的执 行方式了。传统的计算机语言（如C）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替； 从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（Data Flow Mode），这种方式确保了程序中的函数节点（Function Node）只有在获得它的全部数据后才能够被执行

11、。 也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计 算机等因素的影响。 既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。这样，Lab VIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接函数节点快速简洁的开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程（Multithreading）。 LabVIEW的核心是VI。VI有一个人机对话的用户界面前面板（Front Panel）和相当于

12、源代码功能的框图程序（Diagram）。前面板接受来自框图程序的指令。在VI的前面板中，控件（Controls）模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序；而指示器（Indicators）则是模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据。当把一 个控件或指示器放置到前面板上时，LabVIEW便在框图程序中相应的产生了一个终端（Te rminals），这个从属于控件或指示器的终端不能随意的被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才会随之一起被删除。 用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从函数面板（Function Palette）中选择需要的函数

13、节点（Function Node），将之置于框图上适当的位置；然后用连线（Wires）连接各函数节点在框图程序中的端口（Port），用来在函数节点之间传输数据。这些函数节点包括了简单的计算函数、高级的采集和分析VI以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。 用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层（Top Le vel）程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。一个VI用在其它VI中，称之为subVI， subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的；为了区分各个subVI，它们的图 标是可编辑的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念

14、。用户可以把一个应用任务 分解成为一系列的子任务，每个子任务还可以分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合。首先设计subVI完成每个子任务，然后将之逐步 组合成为能够解决最终问题的VI。 图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最有前途的发展方向。2.2 LabVIEW的优势我们以前在实验室做模电实验的时候面对的是各种各样的真实的仪器，但是这种传统的实物实验模式有一些固有的缺陷，例如：（1）学生不熟悉线路连接，在连接仪器时极易出错。（2）线路连接错误，易造成电子元器件及测试仪器的损坏。学生

15、不熟悉仪器操作也是造成仪器容易损坏的原因。（3）学生不能根据自己的学习进度安排实验时间，更不能像做家庭作业一样在课余时间进行练习。有限的教学时数与学生技能的提高矛盾突出。（4）实验的元器件离散性大，环境变化引起的温漂、干扰等因素会造成实验数据的偏差。（5）传统的电子技术实验是以实物为主的，设备易磨损老化，需要定期更新；教学实验室的设备配置与教学大纲的教学要求相对应，随着教学要求的提高及电子技术的飞速发展，实验设备的技术水平也不断提高，数量也要有所增加，这要消耗我们有限的教学经费。而使用LABVIEW恰好能够弥补实验的不足。它的优点是：（1）在计算机上即可完成和实现实验的线路连接，例如，显示检测

16、点的电压电流波形及对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等多种分析，及时获得实验结果。（2）评估元器件参数变化（包括故障）对电路造成的影响。分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度特性（Temperature）分析等。（3）可以在短暂的实验时间里快速完成较复杂的线路连接、测试工作。（4）可以很容易地实现对学生的量化评估。2.3 LabVIEW应用解决方案LabVIEW自1986年正式推出，至今已发展到以最新版本LabVIEW7.0Express为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊

17、控制和PID控制等众多软件包，可运行于现今所有Windows系统、Linux,Macintosh,Sun和HP-UX等多种平台的工业标准软件开发环境，们。其已被广泛应用于包括航空航天、工业自动化、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范围内的众多领域，其概括如下:（1）.LabV工EW应用于测试与测量LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB,VXI,PLC、串行设备和插卡式数据采集板卡可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet,ActiveX,DE 、和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试测量任务

18、变得简单易行.（2）.LabV工EW应用于过程控制和工业自动化LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程控制和工业自动化提供了优秀的解决方案.同时由于NI公司提供有全系列的基于PC的多功能板卡，其与LabVIEW在底层即实现了软、硬件的无逢连接，节约了系统的构建时间并增强了系统可靠性。（3）.LabVIEW应用于实验室研究与自动化LabVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高技数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域分析等众多科学领域。在联合时域分析、小波和数字滤波器等高级或特殊分析场合，LabV工EW提供有专门的附加软件包。3 方案

19、论证3.1可行性研究在虚拟仪器系统中，信号的获取与采集是由以计算机为核心的硬件平台来完成的。在此硬件平台基础上，调用测试软件来完成某种功能的测试任务，便可构成该种功能的虚拟测量仪器。在同一硬件平台上，调用不同的测试软件的可构成不同功能的虚拟仪器。因此，出现了软件就是仪器的概念。如对采集的数据通过测试软件进行标定和数据点的显示就构成了一台数字示波器；如对采集的数据利用软件进行FFT变换，则构成了一台频谱分析仪信号分析与处理要求取的特征值，如峰值，真有效值，均值，均方值，方差，标准差，以及频谱，相关函数，概率密度函数等，如用硬件电路来获取，其电路是复杂的，昂贵的，甚至是不易实现的，然而用软件编程来

20、获取是很容易实现的。这是虚拟仪器比传统仪器具有的绝对优势所在。LabVIEW提供了各种常用的包括信号时域分析，相关分析，曲线拟合，微分，积分等信号分析、处理所需的图标。这些图标各自对应一段软件子程序，可在流程图编辑窗口中的function功能模板上的signal processing子模板上方便的调出，供用户编辑流程图使用。3.2系统的功能作用传统的模电技术教学往往是理论教学和实验部分分开进行。教师在教室内用粉笔、黑板传授抽象的理论知识，在黑板上画电路图，给学生分析电路特性，分析电路随着某一元件的变化而变化的情况。教师讲得辛苦，却得不到理想的效果；学生听课吃力，往往不得要领，很难对有关理论留下

21、深刻的印象。进行实验，其主要目的就是为了检验课堂上传授的理论知识，加深对理论的理解和记忆。但是我们很难将一个实验搬到课堂中来，倘若有虚拟实验室，便可以很方便地利用其在课堂上进行演示，让抽象的理论及时得到检验，给予学生感官上的认识，达到从感性认识到理性认识的有机过渡。辅助实验教学的开展，为学习者提供一个检验模电技术理论和知识的环境。充分利用计算机快速准确将繁琐的计算公式通过编制程序计算出结果，画出精确仿真图线，帮助学生理解和分析复杂的电路。学生可以独立使用自己计算机中构建的虚拟实验室，主动设疑、实验，不断地得到实验结果；并且可以修改参数，在不必担心损坏仪器的情况下，迅速进行实验仿真，检验自己对所

22、学知识的掌握情况，这对提高学生的学习积极性，提高教学水平是有益处的。教育的目的在于提高学生的分析能力、判断能力及创新能力，提高学生的综合素质。我们知道用实物设计制作复杂一点的电路，在连线上是十分复杂的，光连线就要花费不少功夫；接好电路后，为了使电路处于满意的工作状态，不断的调整参数也是十分费时费工的。学生要运用自己学到的知识设计制作一个模电电路是一件很困难的事。现在，虚拟实验室给学生创造一个优良环境，学生可以充分发挥他们的智慧，展现他们的才华。实验虚拟化，把实验室搬到了网络，更加完善了模电技术这门课的远程教学4 LabVIEW模块4.1函数簇bundle4.2 波形图4.3 正弦波形发生器简介

23、1 sine wave.vi 图标调用路径sine wave.vi 图标的调用路径是functionsanalyzesignal processingsignal generationsine wave.vi2 sine wave.vi图标与输入，输出端口参数 图1 sine wave.vi图标 图2 sine wave.vi图标与端口图函数图标左侧一列为输入端口，即该函数调用钱的参数设置端口。 Samples： 生成波形的总点数NAmplitude：生成波形的幅值。F： 生成信号的数字频率。Phase in：生成波形的初始相位。Reset phase ：默认生成值为true。当为ture时，

24、函数以Phase in的值作为初始相位，如果该值为false，则函数以上一次调用后的Phase out输出值为此次波形的初始相位，显然，此时产生的信号波形是连续光滑的。函数图标的右侧一列为输出端口，其各自的含义如下。Sine wave：数组名，该数组内存放所生成的波形数据。Phase out ：当Reset phase为ture时，该参数无效。当Reset phase为false时，该参数作为下一次生成正弦波的初始相位。Error： 错误代码。若有错误，则输出错误代码。根据错误代码，查找LabVIEW帮助文件，可以找到与错误代码对应的错误含义4.4 巴特沃斯低通滤波器（1）幅频特性的一般表达式

25、巴特沃斯低通滤波器是一种用所谓最平通带特性去逼近理想低通特性的滤波器。其幅频特性为|H()|=1/1+(/c)2n式中 ， n=1,2,3为滤波器的阶次。（2） 一阶巴特沃斯低通滤波器传递函数为：H(s)=Kb0/(b1s+b0)=K/(s+1)式中。=b1/b0 ,s=+j. 若令=0 得到频率特性如下：H(j)= H()=k/(j+1)幅频特征：A()= |H(j)|= k/1+(/c)2式中=1/为转折频率，与式相比 它就是n=1时的式 相频特性为：(j)= ()=-arctg=-arctg(/c)（3）butterwoeth filter.vi图标的调用butterwoeth filt

26、er.vi图标的调用路径执行functionsanalyzesignal processingfilterbutterwoeth filter.vi操作。其图标为butterwoeth filter.vi图标butterwoeth filter.vi图标的参数设置butterwoeth filter.vi图标及其窗口图中左侧为输入端口参数，右侧为输出端口参数。输入端口参数如下：X 欲处理数据Sanpling feq; fs：采样频率，通常就是输入数据X的采样频率，默认为1.0，此值必须大于0。High cutoff freq：fh： 滤波器的低截止频率，对低通和高通滤波器，这个参数被忽略。Lo

27、w cutodd freq：fl： 滤波器的低截止频率，此频率必须满足采样定律，fl的取值范围为：0f1fs/2 ,其中，fs为采样频率。默认值为0.125。order ：滤波器的阶次， 其值必须是大于0的整数。Filter type 滤波器的类型，0表示lowpass （低通）1表示highpass（高通）2表示bandpass（带通），3表示bandstop（带阻）。输出端口如下：filtered X：滤波后的数据。Error ： 错误代码值， 返回值模块执行中的错误代码。5 程序设计5.1虚拟正弦波仿真信号发生器(1)功能描述该正弦波仿真信号发生器可产生正弦信号指标如下频率范围 0.1H

28、z10kHz 可选初始相位 0180 可选幅值 0.1V5.0V 可选生成波的总点数 N=8512 可选(2)设计步骤前面板设计（a）五个输入型数字控件五个输入型数字控件供使用者键入生成正弦波的频率fx，初始相位，幅值，总采样点数N和采样频率fs操作controlsnumericnumeric control 五次，得到五个输入型数字控件，分别标记为信号频率采样频率采样点数信号幅值和初始相位(b)一个输入显示图型控件输出显示型图形控件用来显示所产生的正弦波波形执行controlsgraphwave graph 操作，调入图形控件graph。其横轴为时间轴。应考虑到生成的信号频率跨度大，在0.1

29、Hz10kHz范围内，其周期跨度也大，在10s0.1ms范围内，纵轴为电压轴，生成信号幅值的范围应充满整个显示画面，故选用graph显示器。注意，控件参数设置应考虑到采样频率fs，数字频率f，一个周期采样点数n与总点数N=samples的关系：fs=nfx，故fs的最大值应是被测信号频率fx最大值的n倍，且N=n(c)两个开关控件执行controlsbuttonvertical switch操作，调入开关按钮控件，标记为复位相位执行controlsbuttontext button操作，调入开关按钮控件，标记为OFF如上设计的前面板如图所示流程图设计在流程图中执行functionsstruct

30、ureswhile loop操作，调入while循环结构执行functions numeric四次，可以分别放置一个除法器，一个倒数器，及两个常数在流程图中执行functionsanalyzesignal processingsignal generationsine wave.vi操作，可调入sine wave.vi图标在流程图中执行functionsclusterbundle操作，调入bundle图标在流程图中执行functionstime&dialogwait操作，调入时钟图标在流程图中执行functionsBooleannot操作，调入not图标连线形成的虚拟正弦波发生器的流程图如图所

31、示 图 虚拟正弦波发生器前面板注所需的数字频率由除法器的输出提供，该除法器完成信号频率与采样频率之比的运算，同时将采样频率取倒数转换为采样间隔，给出正弦波形的采样间隔，便于显示。运行检验设置正弦信号f=0.2Hz，初相位=0，幅值=1.0V，采样频率=10Hz复位相位选为TRUE，采样点数为100，生成的正弦波如图所示图 虚拟正弦波发生器流程图5.2设计举例虚拟调制解调器（1）功能要求用该调幅波解调器可观察调幅波，以及经过巴特沃斯滤波器后的解调信号波形。（2）调制解调原理（a）调幅波的数字表达式及其特性u(t)=Emz(t)sin0t 式中。Em常量 w高频载波角频率。z(t)低频缓变信号，其

32、上限角频率为上式就是调幅波的一般数字表达式，它反映了低频缓变信号z(t)对一高频振荡信号sin0t的控制。通常一般将控制高频信号的缓变信号称为调制信号，载送缓变信号的高频0振荡信号sin0t称为载波。利用信号z(t)来控制或改变高频振荡的幅值称为调制过程。(b) 调幅波的解调调幅波u(t)的幅值反映调制信号数值的变化，在调制器之后加解调器，可将被测的调制信号z(t)与调幅波u(t)分离，并最后提取出来。解调器由乘法器和低通滤波器组成，其原理框图如图所示 图 解调器原理框图解调器中的乘法器有两个输入信号，一个是待解调的调幅波u(t)u(t)=Ez(t)*sin0t式中。E比例常数乘法器的另一个输入信号u(t)称为参考信号，它应是与载波频率0相同频率的高频信号，考虑到实际情况中，载波信号sin0t会有一个相位差，则u(t)为：u(t)= Ur*sin(0t+)于是，乘法器的输出y(t)为y(t)=u(t)*sin(0t+)= Ez(t)*sin0t*U*s