基于LabVIEW混頻電路虛擬實驗平臺

董琳， 葉建芳， 李雪瑩

(東華大學 信息科學與技術學院， 上海 201620)

0 引言

教學效果的實現離不開實踐能力的培養，實驗是幫助學生加深對所學理論知識的理解以及增強動手能力的一個重要環節。隨著系統電路復雜程度不斷提高，借助于電路仿真工具，以提高學生工程設計能力及解決實際問題能力，已成為實驗教學的必然發展趨勢。

混頻器是無線收發系統中，利用其非線性實現頻率轉換的關鍵模塊，混頻增益及1dB壓縮電平更是混頻電路的重要特性指標。論文運用LabVIEW和Multisim聯合仿真技術完成了MC1496混頻電路關鍵性能指標分析測試實驗平臺的設計開發[1-3]。該平臺以Multisim仿真電路為研究對象，通過LabVIEW開發的虛擬儀器面板中的控件，實現對Multisim虛擬環境中的電路參數及輸入信號的設置，同時利用LabVIEW的數據采集功能，將電路元件值的改變而導致的電路輸出時域波形以及混頻增益的變化，直觀的展示在界面顯示區。并且相對于傳統的手工描點繪制曲線方法，學生可以通過虛擬實驗平臺對結果進行采集，自動化繪制電壓增益曲線，確定1dB壓縮電平和混頻器的動態范圍，提高了實驗的效率和結果的準確性，為學生深入了解混頻特性，提供了一個良好的實驗平臺[4-5]。

1 Multisim與LabVIEW的聯合仿真

為使數字仿真與模擬仿真進行有機的結合，使用LabVIEW與Multisim的聯合仿真開發虛擬儀器。在Multisim電路中添加LabVIEW接口，以實現Multisim與LabVIEW之間的數據通信，其工作流程如圖1所示。

如圖2所示。

圖1 開發環境框圖

MC1496模擬乘法器混頻電路中，輸入信號是頻率為1.6 MHz的正弦信號us，本振信號是幅度為200 mV，頻率為2.065 MHz的正弦信號uL，輸出端為電感L3和電容C6、C7組成的π型帶通濾波器。射頻信號us和載波信號uL經耦合電容C1和C2耦合后從1腳和10腳輸入。經過MC1496模擬乘法器后的輸出信號從6腳輸出，隨后進入與6腳相連接的π型帶通濾波器，最終得到中頻信號。其中，滑動變阻器R7用于調整1腳和4腳電平至0 V。

圖2 在電路圖中添加LabVIEW交互接口

為實現聯合仿真，在電路中添加并配置可與LabVIEW進行交互的電路輸入、輸出信號接口。其中，電路輸入信號源由LabVIEW接口、乘法器、壓控電壓源以及正弦信號電壓源組成。

完成在Multisim電路中添加LabVIEW接口的工作后，可以在LabVIEW中添加數字輸入控件，將不同的參數賦值到Multisim中，可實現兩者之間的數字通信。

2 MC1496混頻電路虛擬實驗平臺設計

2.1 LabVIEW程序面板的設計

在程序面板的設計中，為實現動態曲線的繪制以及結果數據的讀取，主要采用了控制與仿真循環，While循環，事件結構以及層疊式順序結構。其流程如圖3所示。

① 程序在指定的文件路徑中創建一個TDMS文件，用于儲存仿真過程中的數據結果，便于后期的數據分析；② 進入控件與仿真循環。在LabVIEW中對Multisim電路進行基本參數的預設與動態變量賦值，完成LabVIEW與Multisim的聯合數據通信；③ 在控件與仿真循環中，將Multisim中的運行結果動態顯示于波形圖表，并將輸出中頻信號波形數據寫入至之前創建的TDMS文件中；④ 當仿真循環結束時，控件與仿真循環結構結束，關閉寫入的TDMS文件。隨后，對保存完好的TDMS文件完成打開、讀取的工作，利用幅值和電平測量控件讀取TDMS文件中的輸出波形的數據，得到中頻信號的幅值并顯示，利用公式計算混頻增益；⑤ 觸發“描點”事件結構時，程序將輸入信號幅值和混頻增益值寫入預先設定的TXT文件中，并讀取。再將數據按照(輸入信號幅值，輸出信號幅值或混頻增益值)的形式，在對應的XY圖中進行動態描點、連線；⑥ 觸發“清除”事件結構時，程序將先新建一個同名TXT文件以替換之前寫入的TXT文件，再讀取TXT文件中數據,此時相對應的XY圖中坐標點以及曲線將被清除；⑦ 觸發“頻率查看”事件結構時，程序將

圖3 程序流程圖

按照當前路徑，調用事先指定的Multisim電路文件并運行，運行該文件，即可使用Multisim儀器庫中的頻率計查看此時電路輸出中頻的頻率。

2.2 LabVIEW前面板設計

MC1496混頻電路分析平臺的虛擬實驗界面主要分為兩個區域，左邊為控制區，用于設置電路元件參數及輸入信號參數，右邊為波形顯示區，如圖4所示。

在平臺運行過程中，調節操作控制區旋鈕設置電路輸入信號幅度，點擊“查看幅值”按鈕即可在數據圖像顯示區中顯示輸入射頻信號幅值、輸出中頻信號幅值以及混頻增益；點擊“查看頻率”按鈕顯示Multisim電路，即可觀察得到輸出中頻信號頻率；同時，輸入射頻信號與輸出中頻信號波形將在波形圖表中實時顯示。

在右半部分設置兩個關系曲線選項卡：輸入信號-中頻信號和輸入信號-混頻增益。在各個選項卡界面中，點擊“描點”按鈕將在對應的XY圖中動態顯示坐標點與曲線；點擊“清除”將清空XY圖中已顯示的坐標與曲線。

圖4 MC1496混頻電路虛擬實驗平臺前面板

3 性能測試與分析

3.1 基本性能測試

在實驗界面中設置輸入射頻信號幅值參數(Vsm=30 mV)，數據圖像顯示區中的波形圖表將實時顯示輸入射頻信號、輸出中頻信號波形。如圖5所示。

(a)

(b)

點擊“查看幅值”按鈕，顯示射頻信號幅值(Vsm=30 mV)，中頻信號幅值(Vim=1.54×104mV)以及混頻增益(G=54.22 dB)，如圖5(a)所示；點擊“查看頻率”按鈕，在彈出的Multisim電路中利用頻率計查看此時的輸出中頻信號頻率為465 kHz，如圖5(b)所示。

3.2 MC1496混頻電路的動態范圍測試

經過多次取值，在XY圖中動態繪制出關系曲線圖：射頻輸入幅度(mV)—中頻輸出幅度(mV)曲線圖和射頻輸入幅度(mV)—混頻增益(dB)曲線圖，如圖6所示。

由圖6(a)可知，混頻電路輸出中頻幅度隨射頻輸入幅度的增大而增大,但隨輸入信號功率的不斷增大，由于混頻器非線性器件的作用，混頻增益逐漸減小，出現“增益壓縮”現象。

由圖6(b)可知當射頻輸入幅度增大的前階段，混頻增益變化較小，基本保持不變，但當輸入幅度繼續增大時，由于“增益壓縮”現象的出現，導致混頻增益逐漸減小。

通過拖動游標觀測可知，當輸入信號幅值到達47 mV時，MC1496模擬乘法器混頻電路的電壓增益減小1 dB，且當輸入信號幅值到達47 mV后，混頻增益快速減小，則該混頻電路的1 dB壓縮電平為47 mV。因此，該MC1496模擬乘法器電路的動態范圍為10～47 mV，即當輸入信號電壓幅值在此范圍內，可獲得較大的電壓增益，電路性能較好。

(a)

(b)

4 總結

本文針對高校的電路實驗教學提出了新的方法，并利用Multisim與LabVIEW的聯合仿真技術，開發了基于LabVIEW的MC1496混頻電路虛擬實驗平臺。通過Multisim的電路仿真與LabVIEW編寫程序進行數據傳送與采集，實現了電路參數的靈活改變，信號波形的實時展現，以及混頻電路重要特性——1 dB壓縮電平與動態范圍及混頻增益的自動化分析測量。在高校學生規模不斷擴大，電路知識內容不斷增加的教學現狀下，該虛擬仿真實驗平臺由于其操作界面直觀，調節參數方便，且不受時間空間限制的特點，為學生根據自身需要開展實驗進行自主探索研究提供了一個良好的平臺，可以很好的提高實驗的效率和準確度，符合教學研究的實際需要。