信號與系統(tǒng)課程虛擬仿真實驗室設計及應用

仇芝+張禾+杜堅+馬浩鵬+賴欣

摘 要： 針對信號與系統(tǒng)課程的實驗教學，基于LabVIEW、MATLAB和Multisim混合編程，設計了一款虛擬仿真實驗室。實驗室采用了模塊化的設計方法，具有用戶管理、仿真實驗和圖像處理兩大模塊，能夠完成教學所要求的課程實驗。介紹了虛擬實驗室在信號與系統(tǒng)課程實驗中的應用經(jīng)驗，展示了學生利用共享資源自主開發(fā)的實驗。

關鍵詞： 信號與系統(tǒng)； 虛擬仿真； LabVIEW； MATLAB； Multisim

中圖分類號：TP391.9；TN911.6 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）08-48-04

Abstract： A virtual simulation laboratory is designed by mixed programming of LabVIEW， MATLAB and Multisim， for the experiment teaching of "signal and system" course. The laboratory using the modular design method， with user management， simulation experiments and image processing two modules， can fulfill the experiments of course teaching required. The application experience of virtual laboratory in the experiment of "signal and system" course is introduced， and the experiments that students have developed by using shared resources are shown.

Key words： signal and system； virtual simulation； LabVIEW； MATLAB； Multisim

0 引言

信號與系統(tǒng)是高等學校儀器類本科學生的一門承上啟下的專業(yè)基礎課，該課程以“電路原理”、“數(shù)字/模擬電路”、等課程為學習基礎，同時又是“數(shù)據(jù)采集”、“自動控制原理”等專業(yè)課程的基礎。其中，課程實驗可以幫助學生理解所學理論，更有助于鍛煉學生分析和解決問題能力。然而，傳統(tǒng)的信號與系統(tǒng)實驗以硬件電路為依據(jù)，硬件實驗設備使用維護的成本也較大，不利于開展靈活多樣的課程實驗。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，基于仿真軟件的信號與系統(tǒng)虛擬仿真實驗室逐漸成為國內(nèi)外高校實驗的新手段[1-4]。

本文針對信號與系統(tǒng)課程的實驗教學，提出了一種基于LabVIEW、MATLAB和Multisim 混合編程的虛擬實驗室設計方案，采用模塊化的設計思路，完成和實現(xiàn)了信號與系統(tǒng)虛擬仿真實驗室的設計。最后介紹了虛擬實驗室在應用中的經(jīng)驗，展示了設計資源共享后，學生自主開發(fā)的實驗。

1 虛擬實驗室設計方案

目前，虛擬仿真實驗室主流的設計方案主要是基于LabVIEW或基于MATLAB，或者二者結合的開發(fā)方案[5-10]。本文提出基于LabVIEW、MATLAB和Multisim三種軟件混合編程的開發(fā)方案，方案框圖如圖1所示。用Multisim制作電路圖并封裝為LabVIEW子VI；LabVIEW制作為虛擬仿真實驗室的界面，MATLAB在后臺對信號進行分析運算，并將結果通過LabVIEW顯示。

該方案較其他設計方案，其特點在于以下兩點。

⑴ 結合三種軟件的優(yōu)勢，即LabVIEW具有界面美觀，易于編程；MATLAB具有強大的計算、仿真功能，GUI語言提供的豐富的信號處理工具箱函數(shù)；Multisim是一款電路仿真軟件，在電路仿真方面比LabVIEW和MATLAB方便，且便于與LabVIEW聯(lián)合仿真。

⑵ 該實驗室可以顯示實驗電路，改變電路實際參數(shù)，不僅僅是數(shù)學模型和波形。利用Multisim軟件能夠在實驗中顯示實際電路，有助于學生理論聯(lián)系實際。

2 虛擬實驗室模塊化設計

綜合考慮我校實驗教學要求和學生實驗需求，我們的虛擬仿真實驗室采用模塊化設計思路，設計了用戶模塊、實驗模塊和圖像處理模塊兩大功能。用戶模塊檢測登錄信息，登錄成功后，進入實驗功能選擇模塊選擇實驗項目；實驗項目模塊可靈活選擇實驗參數(shù)，保存分析實驗圖像。功能框圖如圖2所示。

2.1 用戶功能模塊

用戶模塊是基于LabVIEW軟件開發(fā)，該模塊的主要功能是儲存學生登錄信息（即用戶名和密碼）、登錄虛擬仿真實驗室。管理者可在用戶模塊增加和刪除用戶，管理用戶的登錄權限。

2.2 實驗與圖像處理模塊

共有五個實驗模塊：二個必做和三個選做實驗[11]。每個實驗模塊均使用LabVIEW制作虛擬仿真實驗室的界面，根據(jù)不同實驗要求調(diào)用Multisim制作的LabVIEW子VI，以及MATLAB在后臺分析運算的結果或圖像。這里具體介紹“連續(xù)時間系統(tǒng)的時域響應”、“濾波器”和“信號的采樣與恢復”三個實驗模塊。

2.2.1 連續(xù)時間系統(tǒng)的時域響應實驗

在信號與系統(tǒng)課程中，對于連續(xù)時間系統(tǒng)的時域分析，通常是根據(jù)已知激勵信號，求取系統(tǒng)的響應信號，從而分析系統(tǒng)的性能[12-13]。這部分實驗要求學生根據(jù)所學理論，針對某一電路施加激勵信號，能夠分析其零輸入、零狀態(tài)和全響應情況。圖3給出了針對RC電路的實驗模塊界面。

在實驗過程中，首先設置RC電路參數(shù)；然后根據(jù)實驗內(nèi)容，選擇相應開關的通斷，模擬零輸入、零狀態(tài)或全響應所要求的電路狀態(tài)；圖像處理模塊則會顯示出相應的零輸入、零狀態(tài)響應曲線，如圖3（b）所示。點擊“全響應”便可同時觀測三種響應的圖像。

學生還可以多次更改電路參數(shù)，觀察RC電路中參數(shù)的改變對時間響應的影響。響應曲線可保存至word文檔中，便于分析試驗實驗結果，撰寫實驗報告。

2.2.2 濾波器實驗

濾波器（指模擬濾波器）是對輸入信號的頻率具有選擇性的二端口網(wǎng)絡，它允許某些頻率（通常是某個頻率范圍）的信號通過，而其他頻率的信號幅值均要衰減或受到抑制。這些網(wǎng)絡可以是RLC元件構成的無源濾波器，也可由RC元件和有源器件構成的有源濾波器。根據(jù)幅頻特性所表示的通過或阻止信號頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種[11-12]。實驗室設計了四種無源和有源濾波器實驗，下面以低通濾波器為例，詳細說明。

低通濾波器實驗界面如圖5所示。實驗中可以設置原信號幅值、頻率以及相位等參數(shù)。原信號經(jīng)有源、無源濾波器后信號通過圖像處理模塊，可以顯示濾波后信號的幅值、頻率、相位值。保持原信號幅值及相位不變，由小到大逐漸增大頻率，經(jīng)過濾波器的濾波信號幅值、相位會發(fā)生改變。圖4所示為當頻率為1500Hz時無源和有源濾波器濾波后的圖像。

實驗中可以對比無源和有源濾波器的后圖像的差異。適當設置多個頻率，可畫出低通濾波器的幅頻圖，并與前面板所示幅頻圖像進行對比，求出濾波器的截止頻率。

2.2.3 信號的采樣與恢復

信號的采樣是指，通過采樣開關的周期性動作，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散事件信號的過程，描述這一過程的定理是香農(nóng)采樣定理[11-12]。這是“信號與系統(tǒng)”課程中一個最重要的部分。香農(nóng)采樣定理將時域采樣過程從頻域方面分析，采樣信號的頻譜相當于將連續(xù)信號的頻譜左右周期延拓，頻譜幅值變?yōu)?/Ts倍。若要將被采樣信號通過采樣后的信號恢復出來，則采樣頻率至少是被采樣信號最高頻率的2倍。

本實驗模塊針對以上過程，展現(xiàn)了信號的采樣、恢復的全過程。運行軟件，可設置被采樣信號類型、頻率、幅值以及相位。點擊波形采樣按鈕，采集波形。圖像處理模塊能夠顯示采樣后信號、采樣后信號的功率譜，采樣后信號通過低通濾波器的恢復信號以及頻譜。實驗界面如圖6所示。圖5中，被采樣信號為幅值1V，頻率為100Hz的正弦信號，設置采樣頻率為150Hz。

3 虛擬實驗室應用

經(jīng)驗表明，虛擬實驗室并不能完全代替硬件電路實驗，我校的做法是將課程實驗六學時分為：二學時虛擬仿真實驗（仿真實驗電路完全同硬件電路），二學時硬件電路驗證實驗，二學時設計型實驗。

仿真實驗要求學生在實驗課中獨立完成實驗，驗證課程理論，分析試驗結果。硬件電路和設計型實驗分組（2-3人一組）完成。設計型實驗中，教師提供了“信號與系統(tǒng)課程虛擬仿真實驗室”所有源程序給學生共享，并將軟件設計過程編寫了設計指導書，要求學生根據(jù)課程內(nèi)容自主設計一個實驗項目作為設計型實驗內(nèi)容。

通過信號與系統(tǒng)虛擬仿真實驗室的應用，學生普遍反映大大增強了對課程學習興趣，加深了對理論的理解，鍛煉了動手能力。圖6展示了學生針對課程中“卷積和”內(nèi)容，利用LABVIEW和MATLAB混合編程，自主設計編寫的有限長序列的“卷積和”實驗模塊。

4 結束語

本文針對信號與系統(tǒng)課程虛擬仿真實驗室，介紹了一種基于LabVIEW、MATLAB和Multisim混合編程設計方法，并說明了虛擬實驗室在課程實驗中的應用經(jīng)驗，展示了設計資源共享后，學生自主開發(fā)的實驗。實踐表明，虛擬仿真實驗室的開發(fā)，方便了開展多樣化的實驗，讓學生能夠通過該實驗平臺隨時隨地的進行相關實驗，鞏固和深入理解課上所學到的內(nèi)容，理論聯(lián)系實際。采用設計資源與學生共享的方案，能讓學生充分發(fā)揮主觀能動性參與到設計實驗的過程中，調(diào)動了學生的學習積極性，起到了培養(yǎng)學生實踐能力的作用。

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