虛擬儀器調幅新方法及其在電子實驗教學中的應用

摘 要：通過分析基于虛擬儀器系統來實現信號調幅的原理，說明這種調幅方式可將傳統方法必須基于復雜電路或設備實現的實驗和演示教學，轉化為直接基于信號調幅的數學原理來實現。實驗結果表明該方法的可行性，具有實現方法簡化；參數調節方便；無需電路元件；設置、更改或更新系統靈活的特點。體現了虛擬儀器在實驗及教學中的一種創新應用，在虛擬儀器應用與電子電路實驗教學領域具有實用意義。

關鍵詞：虛擬儀器;調幅;實驗;教學;應用

中圖分類號：TP216+.3 文獻標識碼：B 文章編號：1004－373X(2009)04－172－03

New Method of Amplitude Modulation Based on Virtual Instrument and Its

Applications in Electronics Teaching & Experiment

HUANG Jinwen

(Baoshan Teacher′s College,Baoshan,678000,China)

Abstract：By studing the amplitude modulation method based on virtual instrument,this amplitude modulation method only based on the complex circuits or demonstration teaching,it′s realized by mathematic principle based on signal amplitude modulation.The results prove the method is feasible,easy to realize,convinient to adjust,better adaptability,easy to configure or update system and so on.It′s an innovational application domain in electronics teaching & experiment.

Keywords：virtual instrument;amplitude modulation;experiment;teaching;application

0 引 言

調制就是用一個信號（稱為調制信號）去控制另一作為載體的信號（稱為載波信號）的某個參數，如幅度、頻率或相位，使作用后的復合信號（已調波）具備調制信號的特征。傳統方法實現信號調制均要基于硬件電路進行，這里將以調幅為例，探討一種基于虛擬儀器軟件進行信號調幅的方法。這種方法只需向調制系統提供待調制信號，載波產生及信號調制處理過程則完全由軟件來完成，無需使用電路，從而也省去了電路搭建、調整的繁瑣過程，在已具備虛擬儀器系統的教學單位，可節省設備投資，方便地運用到實驗、教學去。

1 虛擬儀器簡介

1.1 虛擬儀器的概念

所謂虛擬儀器，就是在以計算機為核心的硬件平臺上，配合相應的輸入/輸出接口，具有計算機顯示器的虛擬面板，信號處理功能則由軟件來實現的一種計算機儀器系統［1,2］。其突出特點是打破了傳統儀器的封閉性，把儀器的絕大部分硬件變成計算機上的文件；用戶可以自行定義、自行設計、自行組建自己需要的儀器，并可將組建的多種儀器存放在計算機的儀器庫中，配以數據通信卡和傳感器，構成功能、性能、外觀和操作方式都和傳統儀器相同或超過傳統儀器功能的新概念儀器系統。虛擬儀器的實質就是利用計算機強大的軟件功能實現信號調理及數據的運算、分析和處理，利用相應接口設備完成信號的采集、輸入/輸出，從而完成各種儀器功能。決定虛擬儀器超越傳統儀器的根本原因，在于“虛擬儀器的關鍵是軟件”［3］。

目前最具代表性的虛擬儀器系統是美國NI公司(National Instruments)的圖形化開發平臺LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），目前的最高版本是LabVIEW8.2。

1.2 虛擬儀器技術的應用領域

虛擬儀器不但可以完成幾乎所有傳統儀器的功能，而且其功能比傳統儀器更為先進。如網絡化儀器、一機多用、實時更換更新，在信號調理、數據分析、數據存儲、數據顯示等多個方面，都具有傳統儀器無法相比的優越性。虛擬儀器有廣泛的應用范圍，其中最典型的是信號測試及信號處理領域［4,5］。

探討虛擬儀器應用于教學的方式［6,7］，可彌補有關教學、實驗環節的相關不足，使虛擬儀器的強大功能在在教學領域進一步獲得應用［8,9］。

2 傳統調幅方法及其局限性

2.1 傳統模擬信號調幅方法

傳統的調幅方法完全基于硬件電路來完成，其調幅過程如圖1所示。

其中的各環節均由硬件電路完成。

2.2 傳統調幅方法的局限性

傳統模擬電路調幅雖然技術已比較成熟，但由于硬件電路本身固有的特點，存在著如下局限性：

（1）電路搭建及調試過程繁雜；

（2）由于元件參數的準確度有限及存在較大離散性，最終電路的準確度難于保證；

（3）電路制作一旦完成，功能便不可更改；

（4）電路工作狀態受環境因素影響較大；

（5）難于實現多功能；

（6）電路的隨機故障難于避免。

這些局限性在虛擬儀器出現之前就本質存在，且往往只能用改進電路的方法來在一定程度上解決問題，這是傳統技術在一定發展時期內的必然現象。

3 基于虛擬儀器LabVIEW實現的軟件調幅方法

3.1 基于虛擬儀器的軟件調幅原理

基于虛擬儀器實現軟件調幅，無需考慮硬件電路領域的若干問題，其實現的思想是將所有的信號處理環節交由軟件來處理，必要的硬件環節只需完成信號與計算機之間的輸入/輸出接口即可，而且接口卡是通用的。

實現調幅的數學原理為［10］：

i=I0(1+mcos Ωt)cos ω0t(1)

式中：i表示已調幅信號電流（已調波）；I0為載波幅值；Ω調制信號角頻率；ω0為載波角頻率；m為調制深度（調制系數）。基于虛擬儀器實現軟件件調幅，直接運用上述原理進行。

3.2 基于虛擬儀器的軟件調幅實現

根據虛擬儀器的特點，用虛擬儀器實現電路功能是直接根據信號處理的原理來實現，無需再考慮電路問題，這從根本上改變了電路功能實現的方式。

3.2.1 調幅實驗

根據式（1），載波（cos ω0t）及調制信號（cos Ωt）由LabVIEW系統的函數（VI）分別產生的正（余）弦信號提供，并設置控制因子m,I0,ω0,Ω，實現式（1）調幅過程就是完成該式的計算，其輸出為i，相應的LabVIEW程序（后面板）如圖2所示。

利用圖2程序實驗的典型結果（相應的LabVIEW前面板）之一如圖3所示。

從實驗過程可以看出，調幅過程只需進行式（1）的運算即可，而且實現的程序非常簡潔。下面討論如何實現實際信號的調幅。

3.2.2 實際調幅過程的實現

為充分發揮虛擬儀器的功能和優勢，盡量減少系統對外電路的依賴，只要是虛擬儀器系統能夠完成的信號處理功能，就盡量使用虛擬儀器系統來完成。信號調幅過程仍采用圖2的程序，選用合適的數據采集卡作為信號的輸入/輸出設備，做到只須向接口輸入調制信號，系統實現調幅后直接從接口卡輸出已調波，載波則由虛擬儀器系統自行產生，無需外界振蕩器提供。

這里選用NI USB－6009 DAQ采集卡實現對外信號的采集與輸出，其主要特點和性能參數為［4,11］：方便的拔熱插USB連接方式，無需外接電源;具有嵌入式、可移動的連接器;12個數字I/O接口線32位計數器功能模塊;8SE/4DI的模擬輸入;可單端輸入也可差分輸入;最大模擬輸入電壓范圍高達±20 V。

NI采集卡的驅動程序在LabVIEW系統中已經具備，配置也很簡單，這里所用采集卡接口為熱拔插的USB方式，體積小巧，方便易用。

對外界實際輸入信號的調幅過程仍采用與圖2程序相同的方法，即將輸入調制信號連接至圖中標注的調制信號輸入端，取代原調制信號發生器（VI）即可。

系統主體結構如圖4所示。

實驗時調制信號由實驗用函數信號發生器產生，合成后輸入到USB－6009 DAQ采集卡的模擬輸入端口，由虛擬儀器系統VI產生的400Hz正弦信號作為載波，信號可經DAQ卡的模擬端口向外輸出，其設置方法也很簡單（略），調幅的結果如圖5所示。

NI USB－6009 DAQ的采樣速率達48 kS/s，分辨率為14 b，響應時間為41.67 ns，故可以滿足音頻及低于音頻的信號采集要求。

4 在實驗教學中的應用

在實驗教學中，對于儀器設備功能單一、價格又比較昂貴的實驗設備，均可運用虛擬儀器系統實現。如實現信號調幅（調頻等）的教學過程，教學中往往只能進行理論分析教學，因為電子技術實驗室一般只具備有關單元電路原理的實驗設備或電路單元模塊，一些多功能儀器往往也并不顧及調制之類的功能，用虛擬儀器來實現包括調幅、調頻等電子技術、電路原理相關的演示教學與實驗教學，有其自身的特點和優勢。

另外，虛擬儀器系統是可以完成實際儀器系統功能的，而運用仿真技術、虛擬現實技術進行的演示教學，則只能是演示而已，并不能實現系統的實際功能。這也是虛擬儀器系統應用于教學時與仿真和虛擬現實技術的最大不同之處。

5 結 語

盡管實現調幅等過程無需基于虛擬儀器系統實現，但從教學、實驗的角度來說，其實現的方法簡單，各項參數調節方便，無需電路元件；根據不同條件下的信號要求，可方便地設置、更改或更新系統，不同的教學、實驗環節還可以實現一機多用。其對調制等相關教學、實驗環節的教學會起到事半功倍的效果，虛擬儀器應用于教學、實驗，是其在測試領域之外獲得應用的一個重要補充。

參 考 文 獻

［1］李紀欣.虛擬儀器技術及其發展趨勢［J］.電子材料與電子技術，2005(3):41－46.

［2］張毅剛.虛擬儀器技術介紹［J］.國外電子測量技術，2006，25(6):1－6.

［3］李震,柯旭貴,汪云祥.虛擬儀器的發展歷史、研究現狀與展望［J］.安徽工程科技學院學報，2005，18(4):1－4.

［4］陸綺榮.基于虛擬儀器技術個人實驗室的構建［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［5］戴鵬飛，王勝開，王格芳,等.測試測試工程與LabVIEW的運用［M］.北京:電子工業出版社,2006.

［6］楊勇，郭玲，張鋼.運用虛擬儀器技術改革電子實驗教學［J］.現代電子技術,2004,27(16):60－61.

［7］杜保強，葉會英.模擬電子線路虛擬實驗教學系統的設計與實現［J］.國外電子測量技術，2005(7):1－4.

［8］黃天辰，馮長江，黃興智,等.虛擬儀器實驗室建設研究［J］.華北航天工業學院學報，2006(16):18－20.

［9］畢娟.虛擬儀器與多功能實驗室建設的思考［J］.丹東紡專學報，2003,10(2):15－17.

［10］李國鑫.電子線路［M］.昆明：云南大學出版社，1990.

［11］National Instruments.Data Logging With NI LabVIEW Signal Express.http://www.ni.com/labview/signalexpress/daq.htm,2008.

作者簡介 黃進文 男，1972年出生，云南騰沖人，副教授,工學碩士。研究方向為電子信息科學、信號處理。