虛擬儀器實驗系統的設計與實現

黃勁松，段哲民，李 彬

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

在高等院校的理工科教學中，實驗占據了顯著的地位，它不僅對理論教學有實踐、指導意義，更重要的是能鍛煉學生的動手能力[1]。學生只有通過足夠的驗證性實驗和一定數量的綜合性實驗，才能真正理解和掌握該學科的理論知識，初步具備處理實際問題的能力[2-3]。因此，充實實驗內容、增開綜合性實驗項目、進一步加強實驗室建設和不斷改革實驗教學是十分必要的。由于條件的限制我國大學的實驗室建設一直落后于先進國家，這在一定程度上影響了高素質人才的培養，制約了我國科研和工業生產的快速發展[3]。

虛擬儀器是計算機技術介入儀器領域所形成的一種新型的儀器種類，在虛擬儀器中，計算機處于核心地位，儀器的結構概念和設計觀念等都發生了突破性的變化[4-5]。從構成上來說，虛擬儀器就是利用現有的計算機，配上相應的硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器[6]。近年來，虛擬儀器技術蓬勃發展，具體技術已經十分成熟，在諸多領域有了重要的應用。

將虛擬儀器技術應用于實驗教學能夠有效地緩解教學與資金緊張的矛盾，同時虛擬儀器技術又具有易學的開發環境和極高的靈活性，可以激發學生的學習興趣，提高教學質量[3,7]。筆者介紹了一種基于虛擬儀器技術的實驗系統實現方案，并對系統功能進行了詳細驗證。

1 虛擬儀器實驗系統設計方案

筆者設計的虛擬儀器實驗系統采用PC-DAQ式數據采集系統，即借助于插入計算機內的數據采集卡與專用軟件LabVIEW相結合實現數據采集。結合實際情況考慮到經費、開發周期和兼容性等問題，硬件部分采用技術成熟、價格低廉的聲卡作為數據采集設備，結合計算機組成高性價比的PC-DAQ系統；軟件部分采用具有強大的數據采集與處理功能的LabVIEW8.5虛擬儀器開發平臺進行軟件功能模塊的開發。

1.1 系統結構

設計的虛擬儀器實驗系統由兩部分組成，包括基于聲卡的常用虛擬儀器和基于LabVIEW的虛擬實驗教學系統。具體結構如圖1所示。

1.2 系統功能

虛擬儀器實驗系統可以實現傳統信號發生器和示波器的基本功能，并能夠完成多種電子技術類實驗的模擬仿真和教學演示。根據系統模塊劃分，各模塊功能如表1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure diagram of system

表1 系統各模塊功能Tab.1 Module function of system

2 基于聲卡的常用虛擬儀器實現

2.1 聲卡的工作原理

從數據采集的角度看，聲卡可以看作是一種音頻范圍內的數據采集卡，是計算機與外部模擬環境聯系的重要途徑[1,8]。聲卡的工作流程如圖2所示。

圖2 聲卡工作流程圖Fig.2 Work flow chart of sound card

2.2 總體結構設計

設計的基于聲卡的常用虛擬儀器包括基于聲卡的虛擬信號發生器和基于聲卡的虛擬示波器兩個部分，結構如圖3所示。虛擬信號發生器產生的波形通過聲卡（D/A轉換）輸出，再經過適當的電壓調節電路，就可作為實驗電路的激勵信號源。同時，實驗電路的輸出信號經過電壓調節后送入聲卡（A/D轉換），再由虛擬示波器分析和顯示。

圖3 基于聲卡的常用虛擬儀器總體結構Fig.3 General structure of conventional virtual instrument based on sound card

2.3 系統功能驗證

圖4和圖5分別為虛擬信號發生器和虛擬示波器的工作界面。圖4為虛擬信號發生器輸出500 Hz，1 V的正弦信號時的截圖；圖5為虛擬示波器接收2 000 Hz，0.3 V正弦信號所顯示的波形。由這兩個圖可以看出基于聲卡的虛擬信號發生器和虛擬示波器均能夠實現其功能。

圖4 虛擬信號發生器前面板Fig.4 Virtual signal generator front panel

3 基于LabVIEW的實驗教學系統實現

為了方便在教學中進行原理演示，在完成了基于聲卡的常用虛擬儀器的基礎上，設計并實現了基于LabVIEW的虛擬實驗教學系統。該系統包括基于LabVIEW的觸發器實驗、基于LabVIEW的典型頻譜分析實驗、基于LabVIEW的信號諧波分析實驗和基于LabVIEW的信號調制解調實驗等用于實驗教學的虛擬儀器模塊。該系統可用于電子科學與技術、通信工程等專業課程的理論和實驗的教學，能夠直觀地演示各種基本原理，加深學生對知識的理解，也能有效地訓練學生的動手操作能力，提高學習興趣[9]。

圖5 虛擬示波器前面板Fig.5 Virtual oscilloscope front panel

各模塊功能驗證如圖6～圖9所示。

如圖6所示，觸發器仿真實驗模塊可以正確地演示4種觸發器的輸入與輸出變化的邏輯關系。

如圖7所示，在典型信號頻譜分析實驗模塊中，仿真輸入幅度為1 V，頻率為20 Hz，占空比為50%的方波信號，其幅值譜功率譜和相位譜可以正確顯示。

如圖8所示，在諧波分析實驗模塊中，仿真輸入由100 Hz，10 V、200 Hz，4 V 和 300 Hz，2 V 的 3 個 正 弦 波構成的疊加正弦波，其頻譜、各次諧波分量、基頻頻率和失真度均可正確顯示。

如圖9所示，在信號調制與解調實驗模塊中，仿真輸入11 Hz，1 V的正弦信號作為基帶信號，經50 Hz，1 V的正弦信號載波，可以得到正確的已調信號波形，并能通過解調得到正確的解調信號波形[10]。

圖6 觸發器仿真實驗模塊工作界面Fig.6 Trigger simulation experiment module working interface

圖7 典型信號頻譜分析實驗模塊工作界面Fig.7 Typical signal spectrum analysis experiment module working interface

圖8 諧波分析實驗模塊工作界面Fig.8 Harmonic analysis experiment module working interface

4 結 論

筆者將高校實驗教學中所需儀器的功能要求與Lab-VIEW強大的開發能力相結合，提出了將虛擬儀器技術應用于實驗教學中的設計思路和解決方案，并在虛擬儀器開發平臺LabVIEW8.5環境下實現了虛擬儀器實驗系統。系統采用聲卡作為數據采集設備組建PC－DAQ式數據采集系統，減少了硬件設備的投資，降低了實驗室建設的成本。軟件部分采用模塊化設計，學生在掌握了LabVIEW開發平臺之后，可以利用LabVIEW平臺提供的函數開發出多種新的虛擬儀器，激發學生的學習興趣，達到理論與實踐的完美結合。該系統充分發揮了虛擬儀器在數據采集和數字信號處理中的優勢，具有結構簡單、擴展性強、教學效果好等優點。

圖9 信號調制與解調實驗模塊工作界面Fig.9 Signal modulation&demodulation experiment module working interface

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