虛擬儀器調(diào)幅新方法及其在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：通過(guò)分析基于虛擬儀器系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)幅的原理，說(shuō)明這種調(diào)幅方式可將傳統(tǒng)方法必須基于復(fù)雜電路或設(shè)備實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)和演示教學(xué)，轉(zhuǎn)化為直接基于信號(hào)調(diào)幅的數(shù)學(xué)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法的可行性，具有實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)化；參數(shù)調(diào)節(jié)方便；無(wú)需電路元件；設(shè)置、更改或更新系統(tǒng)靈活的特點(diǎn)。體現(xiàn)了虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)及教學(xué)中的一種創(chuàng)新應(yīng)用，在虛擬儀器應(yīng)用與電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域具有實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;調(diào)幅;實(shí)驗(yàn);教學(xué);應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP216+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控制另一作為載體的信號(hào)（稱為載波信號(hào)）的某個(gè)參數(shù)，如幅度、頻率或相位，使作用后的復(fù)合信號(hào)（已調(diào)波）具備調(diào)制信號(hào)的特征。傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制均要基于硬件電路進(jìn)行，這里將以調(diào)幅為例，探討一種基于虛擬儀器軟件進(jìn)行信號(hào)調(diào)幅的方法。這種方法只需向調(diào)制系統(tǒng)提供待調(diào)制信號(hào)，載波產(chǎn)生及信號(hào)調(diào)制處理過(guò)程則完全由軟件來(lái)完成，無(wú)需使用電路，從而也省去了電路搭建、調(diào)整的繁瑣過(guò)程，在已具備虛擬儀器系統(tǒng)的教學(xué)單位，可節(jié)省設(shè)備投資，方便地運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)、教學(xué)去。

1 虛擬儀器簡(jiǎn)介

1.1 虛擬儀器的概念

所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，配合相應(yīng)的輸入/輸出接口，具有計(jì)算機(jī)顯示器的虛擬面板，信號(hào)處理功能則由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)［1,2］。其突出特點(diǎn)是打破了傳統(tǒng)儀器的封閉性，把儀器的絕大部分硬件變成計(jì)算機(jī)上的文件；用戶可以自行定義、自行設(shè)計(jì)、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(jì)算機(jī)的儀器庫(kù)中，配以數(shù)據(jù)通信卡和傳感器，構(gòu)成功能、性能、外觀和操作方式都和傳統(tǒng)儀器相同或超過(guò)傳統(tǒng)儀器功能的新概念儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)就是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理及數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，利用相應(yīng)接口設(shè)備完成信號(hào)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(tǒng)儀器的根本原因，在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件”［3］。

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

1.2 虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬儀器不但可以完成幾乎所有傳統(tǒng)儀器的功能，而且其功能比傳統(tǒng)儀器更為先進(jìn)。如網(wǎng)絡(luò)化儀器、一機(jī)多用、實(shí)時(shí)更換更新，在信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等多個(gè)方面，都具有傳統(tǒng)儀器無(wú)法相比的優(yōu)越性。虛擬儀器有廣泛的應(yīng)用范圍，其中最典型的是信號(hào)測(cè)試及信號(hào)處理領(lǐng)域［4,5］。

探討虛擬儀器應(yīng)用于教學(xué)的方式［6,7］，可彌補(bǔ)有關(guān)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的相關(guān)不足，使虛擬儀器的強(qiáng)大功能在在教學(xué)領(lǐng)域進(jìn)一步獲得應(yīng)用［8,9］。

2 傳統(tǒng)調(diào)幅方法及其局限性

2.1 傳統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)幅方法

傳統(tǒng)的調(diào)幅方法完全基于硬件電路來(lái)完成，其調(diào)幅過(guò)程如圖1所示。

其中的各環(huán)節(jié)均由硬件電路完成。

2.2 傳統(tǒng)調(diào)幅方法的局限性

傳統(tǒng)模擬電路調(diào)幅雖然技術(shù)已比較成熟，但由于硬件電路本身固有的特點(diǎn)，存在著如下局限性：

（1）電路搭建及調(diào)試過(guò)程繁雜；

（2）由于元件參數(shù)的準(zhǔn)確度有限及存在較大離散性，最終電路的準(zhǔn)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(tài)受環(huán)境因素影響較大；

（5）難于實(shí)現(xiàn)多功能；

（6）電路的隨機(jī)故障難于避免。

這些局限性在虛擬儀器出現(xiàn)之前就本質(zhì)存在，且往往只能用改進(jìn)電路的方法來(lái)在一定程度上解決問(wèn)題，這是傳統(tǒng)技術(shù)在一定發(fā)展時(shí)期內(nèi)的必然現(xiàn)象。

3 基于虛擬儀器LabVIEW實(shí)現(xiàn)的軟件調(diào)幅方法

3.1 基于虛擬儀器的軟件調(diào)幅原理

基于虛擬儀器實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)幅，無(wú)需考慮硬件電路領(lǐng)域的若干問(wèn)題，其實(shí)現(xiàn)的思想是將所有的信號(hào)處理環(huán)節(jié)交由軟件來(lái)處理，必要的硬件環(huán)節(jié)只需完成信號(hào)與計(jì)算機(jī)之間的輸入/輸出接口即可，而且接口卡是通用的。

實(shí)現(xiàn)調(diào)幅的數(shù)學(xué)原理為［10］：

i=I0(1+mcos Ωt)cos ω0t(1)

式中：i表示已調(diào)幅信號(hào)電流（已調(diào)波）；I0為載波幅值；Ω調(diào)制信號(hào)角頻率；ω0為載波角頻率；m為調(diào)制深度（調(diào)制系數(shù)）?；谔摂M儀器實(shí)現(xiàn)軟件件調(diào)幅，直接運(yùn)用上述原理進(jìn)行。

3.2 基于虛擬儀器的軟件調(diào)幅實(shí)現(xiàn)

根據(jù)虛擬儀器的特點(diǎn)，用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)電路功能是直接根據(jù)信號(hào)處理的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需再考慮電路問(wèn)題，這從根本上改變了電路功能實(shí)現(xiàn)的方式。

3.2.1 調(diào)幅實(shí)驗(yàn)

根據(jù)式（1），載波（cos ω0t）及調(diào)制信號(hào)（cos Ωt）由LabVIEW系統(tǒng)的函數(shù)（VI）分別產(chǎn)生的正（余）弦信號(hào)提供，并設(shè)置控制因子m,I0,ω0,Ω，實(shí)現(xiàn)式（1）調(diào)幅過(guò)程就是完成該式的計(jì)算，其輸出為i，相應(yīng)的LabVIEW程序（后面板）如圖2所示。

利用圖2程序?qū)嶒?yàn)的典型結(jié)果（相應(yīng)的LabVIEW前面板）之一如圖3所示。

從實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以看出，調(diào)幅過(guò)程只需進(jìn)行式（1）的運(yùn)算即可，而且實(shí)現(xiàn)的程序非常簡(jiǎn)潔。下面討論如何實(shí)現(xiàn)實(shí)際信號(hào)的調(diào)幅。

3.2.2 實(shí)際調(diào)幅過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

為充分發(fā)揮虛擬儀器的功能和優(yōu)勢(shì)，盡量減少系統(tǒng)對(duì)外電路的依賴，只要是虛擬儀器系統(tǒng)能夠完成的信號(hào)處理功能，就盡量使用虛擬儀器系統(tǒng)來(lái)完成。信號(hào)調(diào)幅過(guò)程仍采用圖2的程序，選用合適的數(shù)據(jù)采集卡作為信號(hào)的輸入/輸出設(shè)備，做到只須向接口輸入調(diào)制信號(hào)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)幅后直接從接口卡輸出已調(diào)波，載波則由虛擬儀器系統(tǒng)自行產(chǎn)生，無(wú)需外界振蕩器提供。

這里選用NI USB－6009 DAQ采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)外信號(hào)的采集與輸出，其主要特點(diǎn)和性能參數(shù)為［4,11］：方便的拔熱插USB連接方式，無(wú)需外接電源;具有嵌入式、可移動(dòng)的連接器;12個(gè)數(shù)字I/O接口線32位計(jì)數(shù)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(dá)±20 V。

NI采集卡的驅(qū)動(dòng)程序在LabVIEW系統(tǒng)中已經(jīng)具備，配置也很簡(jiǎn)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(duì)外界實(shí)際輸入信號(hào)的調(diào)幅過(guò)程仍采用與圖2程序相同的方法，即將輸入調(diào)制信號(hào)連接至圖中標(biāo)注的調(diào)制信號(hào)輸入端，取代原調(diào)制信號(hào)發(fā)生器（VI）即可。

系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)制信號(hào)由實(shí)驗(yàn)用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)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(tǒng)VI產(chǎn)生的400Hz正弦信號(hào)作為載波，信號(hào)可經(jīng)DAQ卡的模擬端口向外輸出，其設(shè)置方法也很簡(jiǎn)單（略），調(diào)幅的結(jié)果如圖5所示。

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

4 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)于儀器設(shè)備功能單一、價(jià)格又比較昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，均可運(yùn)用虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。如實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)幅（調(diào)頻等）的教學(xué)過(guò)程，教學(xué)中往往只能進(jìn)行理論分析教學(xué)，因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)實(shí)驗(yàn)室一般只具備有關(guān)單元電路原理的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或電路單元模塊，一些多功能儀器往往也并不顧及調(diào)制之類(lèi)的功能，用虛擬儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)包括調(diào)幅、調(diào)頻等電子技術(shù)、電路原理相關(guān)的演示教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

另外，虛擬儀器系統(tǒng)是可以完成實(shí)際儀器系統(tǒng)功能的，而運(yùn)用仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行的演示教學(xué)，則只能是演示而已，并不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)際功能。這也是虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)時(shí)與仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最大不同之處。

5 結(jié) 語(yǔ)

盡管實(shí)現(xiàn)調(diào)幅等過(guò)程無(wú)需基于虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但從教學(xué)、實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)說(shuō)，其實(shí)現(xiàn)的方法簡(jiǎn)單，各項(xiàng)參數(shù)調(diào)節(jié)方便，無(wú)需電路元件；根據(jù)不同條件下的信號(hào)要求，可方便地設(shè)置、更改或更新系統(tǒng)，不同的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)還可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。其對(duì)調(diào)制等相關(guān)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)會(huì)起到事半功倍的效果，虛擬儀器應(yīng)用于教學(xué)、實(shí)驗(yàn)，是其在測(cè)試領(lǐng)域之外獲得應(yīng)用的一個(gè)重要補(bǔ)充。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 黃進(jìn)文 男，1972年出生，云南騰沖人，副教授,工學(xué)碩士。研究方向?yàn)殡娮有畔⒖茖W(xué)、信號(hào)處理。