電子信息專業(yè)實驗仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

劉 辛，吳 薇

(武漢理工大學理學院，湖北 武漢 430070)

電子信息科學的專業(yè)課程有兩大特點，一是比較抽象，如信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、高頻電子電路、通信原理、模擬和數(shù)字電子技術(shù)等課程，需要通過實驗環(huán)節(jié)來幫助學生理解;實驗環(huán)節(jié)在電子信息實驗教學中占有非常重要的地位，是提高學生動手能力、培養(yǎng)創(chuàng)造能力和綜合素質(zhì)的一個有效手段。學生只有通過足夠的驗證型實驗和一定數(shù)量的綜合設(shè)計型實驗才能加深理解并掌握所學的理論知識和應(yīng)用技術(shù)，將理論與實踐很好地結(jié)合起來。二是電子信息技術(shù)作為新的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)展非常迅速，技術(shù)更新快，導(dǎo)致高校的課程特別是實驗課程往往落后于技術(shù)的進步，無法滿足實驗教學的需要[1－2]。

目前國內(nèi)高校電子信息科學專業(yè)實驗大多采用各門課程的實驗箱和傳統(tǒng)儀器搭建起來的實驗平臺，而實驗箱和傳統(tǒng)儀器的功能固定且單一，通常只能做一些操作性和驗證性實驗，無法實現(xiàn)功能擴展和資源共享[3]。電子信息科學教學實驗常用儀器在實驗教學中暴露出功能弱、適用面窄、維護、使用、管理復(fù)雜及無實驗?zāi)M功能等弊端，導(dǎo)致實驗過程費時多、元器件損耗大。滯后的實驗設(shè)備和死板的實驗?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動學生的主動性和創(chuàng)造性，實驗的內(nèi)容側(cè)重于理論的驗證和模仿訓(xùn)練，每個學生的實驗內(nèi)容千篇一律，將學生的思維限定在一個狹窄的范圍內(nèi)，缺乏對其創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和綜合能力的提高。這些在很大程度上制約了實驗教學的發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高[4－5]。

筆者針對電子信息科學專業(yè)實驗教學中的通用實驗儀器儀表，應(yīng)用LabVIEW強大的環(huán)境功能和友好的面板功能，通過建模和編程，對電子信息科學專業(yè)實驗進行仿真模擬，并構(gòu)建電子信息科學專業(yè)實驗仿真平臺，實現(xiàn)了實驗項目的選取和實驗參數(shù)的靈活設(shè)置，為電子信息科學專業(yè)實驗教學提供了一個新的途徑。

1 仿真平臺設(shè)計

通過圖形用戶界面，實現(xiàn)實驗項目的選取和實驗參數(shù)的靈活設(shè)置，構(gòu)建仿真實驗平臺。電子信息科學專業(yè)實驗仿真平臺的基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 電子信息專業(yè)實驗仿真平臺總體設(shè)計

其中，信號產(chǎn)生實驗可對生成的波形進行頻率、幅度、相位等參數(shù)的設(shè)置和調(diào)節(jié);信號的時域分析包括實時顯示波形，測量電壓、頻率、周期等多種參數(shù);頻域分析包括幅值譜、相位譜、功率譜和FFT變換等;信號濾波處理主要對模擬或數(shù)字信號進行濾波分析和處理。

2 實驗仿真平臺功能實現(xiàn)

電子信息科學專業(yè)仿真平臺主面板界面如圖2所示。由上方選項卡分別選擇信號產(chǎn)生模塊、信號分析模塊和信號處理模塊，完成需求分析中的3大實驗?zāi)K。學生可在3個模塊中任意選擇需要進行的實驗。

2.1 信號產(chǎn)生模塊

信號產(chǎn)生模塊主要產(chǎn)生4種信號，分別為正弦波、三角波、鋸齒波和方波，在原始信號參數(shù)設(shè)置框中可以對其各種參數(shù)進行相應(yīng)的設(shè)置。信號產(chǎn)生模塊界面如圖3所示。左上信號類型選擇處可通過下拉框選擇要產(chǎn)生的信號類型，并通過下面的幾個參數(shù)調(diào)節(jié)改變其參數(shù)。重置信號部分可讓連續(xù)運行的信號暫停下來便于觀察和記錄。圖3中演示的為正弦波發(fā)生器。

圖2 電子信息專業(yè)實驗仿真平臺主面板界面圖

圖3 信號產(chǎn)生模塊界面圖

2.2 信號分析模塊

信號分析模塊主要對信號進行時域分析和頻域分析[6－7]。系統(tǒng)時域分析需要對信號的電壓、周期、頻率進行測量，頻域分析包括幅值譜、相位譜、功率譜和FFT變換。待分析的信號類型及相應(yīng)參數(shù)可自行選擇。圖4為信號分析模塊的主面板界面圖。該界面左方為信號的時域分析，對信號產(chǎn)生模塊對應(yīng)輸入的信號進行時域分析，其參數(shù)結(jié)果可與信號產(chǎn)生模塊對應(yīng)參數(shù)設(shè)置做比對。右方區(qū)域為信號頻域分析，第一個窗口顯示信號的FFT頻譜，第二個窗口可通過下拉框選擇顯示信號的幅值譜、相位譜和功率譜。圖4為以正弦波信號作為原始信號的信號分析結(jié)果。

圖4 信號分析模塊主面板界面圖

2.3 信號處理模塊

信號處理模塊包括信號自相關(guān)處理、信號濾波處理和信號微積分實驗功能[8－9]。信號處理模塊主面板如圖5所示。信號濾波處理部分包括巴特沃斯濾波、切比雪夫濾波、IIR濾波和FIR濾波，且巴特沃斯濾波和切比雪夫濾波的截止頻率和濾波器階數(shù)的參數(shù)還可通過左邊的拉條進行調(diào)節(jié)。右邊顯示窗口可選擇顯示信號的自相關(guān)處理、積分和微分的處理結(jié)果。圖5為以鋸齒波作為原始信號的FIR濾波及自相關(guān)處理結(jié)果。

圖5 信號處理模塊主面板界面圖

3 結(jié)論

設(shè)計開發(fā)了基于LabVIEW的電子信息科學專業(yè)實驗仿真平臺，可實現(xiàn)信號產(chǎn)生、信號分析和信號處理3大功能，完成信號產(chǎn)生、信號時域分析、信號頻域分析、信號自相關(guān)處理、信號濾波處理、信號積分與微分等實驗，各實驗中參數(shù)靈活可調(diào)并可實時顯示，為電子信息專業(yè)實驗教學提供了新的途徑。

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