信號(hào)與系統(tǒng)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)及應(yīng)用

仇芝+張禾+杜堅(jiān)+馬浩鵬+賴欣

摘 要： 針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基于LabVIEW、MATLAB和Multisim混合編程，設(shè)計(jì)了一款虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，具有用戶管理、仿真實(shí)驗(yàn)和圖像處理兩大模塊，能夠完成教學(xué)所要求的課程實(shí)驗(yàn)。介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)室在信號(hào)與系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，展示了學(xué)生利用共享資源自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 信號(hào)與系統(tǒng)； 虛擬仿真； LabVIEW； MATLAB； Multisim

中圖分類號(hào)：TP391.9；TN911.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(hào)與系統(tǒng)是高等學(xué)校儀器類本科學(xué)生的一門承上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程以“電路原理”、“數(shù)字/模擬電路”、等課程為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，同時(shí)又是“數(shù)據(jù)采集”、“自動(dòng)控制原理”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。其中，課程實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解所學(xué)理論，更有助于鍛煉學(xué)生分析和解決問題能力。然而，傳統(tǒng)的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以硬件電路為依據(jù)，硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用維護(hù)的成本也較大，不利于開展靈活多樣的課程實(shí)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于仿真軟件的信號(hào)與系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室逐漸成為國內(nèi)外高校實(shí)驗(yàn)的新手段[1-4]。

本文針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提出了一種基于LabVIEW、MATLAB和Multisim 混合編程的虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，完成和實(shí)現(xiàn)了信號(hào)與系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)。最后介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)室在應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)，展示了設(shè)計(jì)資源共享后，學(xué)生自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室主流的設(shè)計(jì)方案主要是基于LabVIEW或基于MATLAB，或者二者結(jié)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L(zhǎng)abVIEW子VI；LabVIEW制作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的界面，MATLAB在后臺(tái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析運(yùn)算，并將結(jié)果通過LabVIEW顯示。

該方案較其他設(shè)計(jì)方案，其特點(diǎn)在于以下兩點(diǎn)。

⑴ 結(jié)合三種軟件的優(yōu)勢(shì)，即LabVIEW具有界面美觀，易于編程；MATLAB具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真功能，GUI語言提供的豐富的信號(hào)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(shí)驗(yàn)室可以顯示實(shí)驗(yàn)電路，改變電路實(shí)際參數(shù)，不僅僅是數(shù)學(xué)模型和波形。利用Multisim軟件能夠在實(shí)驗(yàn)中顯示實(shí)際電路，有助于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室模塊化設(shè)計(jì)

綜合考慮我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求和學(xué)生實(shí)驗(yàn)需求，我們的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室采用模塊化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了用戶模塊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和圖像處理模塊兩大功能。用戶模塊檢測(cè)登錄信息，登錄成功后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)功能選擇模塊選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊可靈活選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)，保存分析實(shí)驗(yàn)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(chǔ)存學(xué)生登錄信息（即用戶名和密碼）、登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(quán)限。

2.2 實(shí)驗(yàn)與圖像處理模塊

共有五個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K：二個(gè)必做和三個(gè)選做實(shí)驗(yàn)[11]。每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K均使用LabVIEW制作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的界面，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求調(diào)用Multisim制作的LabVIEW子VI，以及MATLAB在后臺(tái)分析運(yùn)算的結(jié)果或圖像。這里具體介紹“連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)”、“濾波器”和“信號(hào)的采樣與恢復(fù)”三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

2.2.1 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

在信號(hào)與系統(tǒng)課程中，對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析，通常是根據(jù)已知激勵(lì)信號(hào)，求取系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)，從而分析系統(tǒng)的性能[12-13]。這部分實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論，針對(duì)某一電路施加激勵(lì)信號(hào)，能夠分析其零輸入、零狀態(tài)和全響應(yīng)情況。圖3給出了針對(duì)RC電路的實(shí)驗(yàn)?zāi)K界面。

在實(shí)驗(yàn)過程中，首先設(shè)置RC電路參數(shù)；然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇相應(yīng)開關(guān)的通斷，模擬零輸入、零狀態(tài)或全響應(yīng)所要求的電路狀態(tài)；圖像處理模塊則會(huì)顯示出相應(yīng)的零輸入、零狀態(tài)響應(yīng)曲線，如圖3（b）所示。點(diǎn)擊“全響應(yīng)”便可同時(shí)觀測(cè)三種響應(yīng)的圖像。

學(xué)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(duì)時(shí)間響應(yīng)的影響。響應(yīng)曲線可保存至word文檔中，便于分析試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.2.2 濾波器實(shí)驗(yàn)

濾波器（指模擬濾波器）是對(duì)輸入信號(hào)的頻率具有選擇性的二端口網(wǎng)絡(luò)，它允許某些頻率（通常是某個(gè)頻率范圍）的信號(hào)通過，而其他頻率的信號(hào)幅值均要衰減或受到抑制。這些網(wǎng)絡(luò)可以是RLC元件構(gòu)成的無源濾波器，也可由RC元件和有源器件構(gòu)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(hào)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(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了四種無源和有源濾波器實(shí)驗(yàn)，下面以低通濾波器為例，詳細(xì)說明。

低通濾波器實(shí)驗(yàn)界面如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中可以設(shè)置原信號(hào)幅值、頻率以及相位等參數(shù)。原信號(hào)經(jīng)有源、無源濾波器后信號(hào)通過圖像處理模塊，可以顯示濾波后信號(hào)的幅值、頻率、相位值。保持原信號(hào)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(hào)幅值、相位會(huì)發(fā)生改變。圖4所示為當(dāng)頻率為1500Hz時(shí)無源和有源濾波器濾波后的圖像。

實(shí)驗(yàn)中可以對(duì)比無源和有源濾波器的后圖像的差異。適當(dāng)設(shè)置多個(gè)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(jìn)行對(duì)比，求出濾波器的截止頻率。

2.2.3 信號(hào)的采樣與恢復(fù)

信號(hào)的采樣是指，通過采樣開關(guān)的周期性動(dòng)作，將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散事件信號(hào)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(hào)與系統(tǒng)”課程中一個(gè)最重要的部分。香農(nóng)采樣定理將時(shí)域采樣過程從頻域方面分析，采樣信號(hào)的頻譜相當(dāng)于將連續(xù)信號(hào)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(hào)通過采樣后的信號(hào)恢復(fù)出來，則采樣頻率至少是被采樣信號(hào)最高頻率的2倍。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)K針對(duì)以上過程，展現(xiàn)了信號(hào)的采樣、恢復(fù)的全過程。運(yùn)行軟件，可設(shè)置被采樣信號(hào)類型、頻率、幅值以及相位。點(diǎn)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(hào)、采樣后信號(hào)的功率譜，采樣后信號(hào)通過低通濾波器的恢復(fù)信號(hào)以及頻譜。實(shí)驗(yàn)界面如圖6所示。圖5中，被采樣信號(hào)為幅值1V，頻率為100Hz的正弦信號(hào)，設(shè)置采樣頻率為150Hz。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用

經(jīng)驗(yàn)表明，虛擬實(shí)驗(yàn)室并不能完全代替硬件電路實(shí)驗(yàn)，我校的做法是將課程實(shí)驗(yàn)六學(xué)時(shí)分為：二學(xué)時(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（仿真實(shí)驗(yàn)電路完全同硬件電路），二學(xué)時(shí)硬件電路驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，二學(xué)時(shí)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。

仿真實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證課程理論，分析試驗(yàn)結(jié)果。硬件電路和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)分組（2-3人一組）完成。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，教師提供了“信號(hào)與系統(tǒng)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”所有源程序給學(xué)生共享，并將軟件設(shè)計(jì)過程編寫了設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，要求學(xué)生根據(jù)課程內(nèi)容自主設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

通過信號(hào)與系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，學(xué)生普遍反映大大增強(qiáng)了對(duì)課程學(xué)習(xí)興趣，加深了對(duì)理論的理解，鍛煉了動(dòng)手能力。圖6展示了學(xué)生針對(duì)課程中“卷積和”內(nèi)容，利用LABVIEW和MATLAB混合編程，自主設(shè)計(jì)編寫的有限長(zhǎng)序列的“卷積和”實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，介紹了一種基于LabVIEW、MATLAB和Multisim混合編程設(shè)計(jì)方法，并說明了虛擬實(shí)驗(yàn)室在課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，展示了設(shè)計(jì)資源共享后，學(xué)生自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)，方便了開展多樣化的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)隨時(shí)隨地的進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，鞏固和深入理解課上所學(xué)到的內(nèi)容，理論聯(lián)系實(shí)際。采用設(shè)計(jì)資源與學(xué)生共享的方案，能讓學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性參與到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，起到了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的作用。

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