董琳， 葉建芳， 李雪瑩

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 上海 201620)

0 引言

教學(xué)效果的實現(xiàn)離不開實踐能力的培養(yǎng)，實驗是幫助學(xué)生加深對所學(xué)理論知識的理解以及增強動手能力的一個重要環(huán)節(jié)。隨著系統(tǒng)電路復(fù)雜程度不斷提高，借助于電路仿真工具，以提高學(xué)生工程設(shè)計能力及解決實際問題能力，已成為實驗教學(xué)的必然發(fā)展趨勢。

混頻器是無線收發(fā)系統(tǒng)中，利用其非線性實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的關(guān)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(biāo)。論文運用LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真技術(shù)完成了MC1496混頻電路關(guān)鍵性能指標(biāo)分析測試實驗平臺的設(shè)計開發(fā)[1-3]。該平臺以Multisim仿真電路為研究對象，通過LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器面板中的控件，實現(xiàn)對Multisim虛擬環(huán)境中的電路參數(shù)及輸入信號的設(shè)置，同時利用LabVIEW的數(shù)據(jù)采集功能，將電路元件值的改變而導(dǎo)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(qū)。并且相對于傳統(tǒng)的手工描點繪制曲線方法，學(xué)生可以通過虛擬實驗平臺對結(jié)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(tài)范圍，提高了實驗的效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性，為學(xué)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(lián)合仿真

為使數(shù)字仿真與模擬仿真進行有機的結(jié)合，使用LabVIEW與Multisim的聯(lián)合仿真開發(fā)虛擬儀器。在Multisim電路中添加LabVIEW接口，以實現(xiàn)Multisim與LabVIEW之間的數(shù)據(jù)通信，其工作流程如圖1所示。

如圖2所示。

圖1 開發(fā)環(huán)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(jīng)耦合電容C1和C2耦合后從1腳和10腳輸入。經(jīng)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(diào)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(xiàn)聯(lián)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(shù)字輸入控件，將不同的參數(shù)賦值到Multisim中，可實現(xiàn)兩者之間的數(shù)字通信。

2 MC1496混頻電路虛擬實驗平臺設(shè)計

2.1 LabVIEW程序面板的設(shè)計

在程序面板的設(shè)計中，為實現(xiàn)動態(tài)曲線的繪制以及結(jié)果數(shù)據(jù)的讀取，主要采用了控制與仿真循環(huán)，While循環(huán)，事件結(jié)構(gòu)以及層疊式順序結(jié)構(gòu)。其流程如圖3所示。

① 程序在指定的文件路徑中創(chuàng)建一個TDMS文件，用于儲存仿真過程中的數(shù)據(jù)結(jié)果，便于后期的數(shù)據(jù)分析；② 進入控件與仿真循環(huán)。在LabVIEW中對Multisim電路進行基本參數(shù)的預(yù)設(shè)與動態(tài)變量賦值，完成LabVIEW與Multisim的聯(lián)合數(shù)據(jù)通信；③ 在控件與仿真循環(huán)中，將Multisim中的運行結(jié)果動態(tài)顯示于波形圖表，并將輸出中頻信號波形數(shù)據(jù)寫入至之前創(chuàng)建的TDMS文件中；④ 當(dāng)仿真循環(huán)結(jié)束時，控件與仿真循環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)束，關(guān)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(shù)據(jù)，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(fā)“描點”事件結(jié)構(gòu)時，程序?qū)⑤斎胄盘柗岛突祛l增益值寫入預(yù)先設(shè)定的TXT文件中，并讀取。再將數(shù)據(jù)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(yīng)的XY圖中進行動態(tài)描點、連線；⑥ 觸發(fā)“清除”事件結(jié)構(gòu)時，程序?qū)⑾刃陆ㄒ粋€同名TXT文件以替換之前寫入的TXT文件，再讀取TXT文件中數(shù)據(jù),此時相對應(yīng)的XY圖中坐標(biāo)點以及曲線將被清除；⑦ 觸發(fā)“頻率查看”事件結(jié)構(gòu)時，程序?qū)?/p>

圖3 程序流程圖

按照當(dāng)前路徑，調(diào)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(shè)計

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

在平臺運行過程中，調(diào)節(jié)操作控制區(qū)旋鈕設(shè)置電路輸入信號幅度，點擊“查看幅值”按鈕即可在數(shù)據(jù)圖像顯示區(qū)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(shè)置兩個關(guān)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(yīng)的XY圖中動態(tài)顯示坐標(biāo)點與曲線；點擊“清除”將清空XY圖中已顯示的坐標(biāo)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(shè)置輸入射頻信號幅值參數(shù)(Vsm=30 mV)，數(shù)據(jù)圖像顯示區(qū)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(tài)范圍測試

經(jīng)過多次取值，在XY圖中動態(tài)繪制出關(guān)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(xiàn)“增益壓縮”現(xiàn)象。

由圖6(b)可知當(dāng)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(dāng)輸入幅度繼續(xù)增大時，由于“增益壓縮”現(xiàn)象的出現(xiàn)，導(dǎo)致混頻增益逐漸減小。

通過拖動游標(biāo)觀測可知，當(dāng)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(dāng)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(tài)范圍為10～47 mV，即當(dāng)輸入信號電壓幅值在此范圍內(nèi)，可獲得較大的電壓增益，電路性能較好。

(a)

(b)

4 總結(jié)

本文針對高校的電路實驗教學(xué)提出了新的方法，并利用Multisim與LabVIEW的聯(lián)合仿真技術(shù)，開發(fā)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(shù)據(jù)傳送與采集，實現(xiàn)了電路參數(shù)的靈活改變，信號波形的實時展現(xiàn)，以及混頻電路重要特性——1 dB壓縮電平與動態(tài)范圍及混頻增益的自動化分析測量。在高校學(xué)生規(guī)模不斷擴大，電路知識內(nèi)容不斷增加的教學(xué)現(xiàn)狀下，該虛擬仿真實驗平臺由于其操作界面直觀，調(diào)節(jié)參數(shù)方便，且不受時間空間限制的特點，為學(xué)生根據(jù)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(zhǔn)確度，符合教學(xué)研究的實際需要。