摘 要：通過分析基于虛擬儀器系統(tǒng)來實現(xiàn)信號調(diào)幅的原理，說明這種調(diào)幅方式可將傳統(tǒng)方法必須基于復(fù)雜電路或設(shè)備實現(xiàn)的實驗和演示教學(xué)，轉(zhuǎn)化為直接基于信號調(diào)幅的數(shù)學(xué)原理來實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明該方法的可行性，具有實現(xiàn)方法簡化；參數(shù)調(diào)節(jié)方便；無需電路元件；設(shè)置、更改或更新系統(tǒng)靈活的特點。體現(xiàn)了虛擬儀器在實驗及教學(xué)中的一種創(chuàng)新應(yīng)用，在虛擬儀器應(yīng)用與電子電路實驗教學(xué)領(lǐng)域具有實用意義。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;調(diào)幅;實驗;教學(xué);應(yīng)用

中圖分類號：TP216+.3 文獻(xiàn)標(biāo)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(diào)制就是用一個信號（稱為調(diào)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(shù)，如幅度、頻率或相位，使作用后的復(fù)合信號（已調(diào)波）具備調(diào)制信號的特征。傳統(tǒng)方法實現(xiàn)信號調(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，載波產(chǎn)生及信號調(diào)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(diào)整的繁瑣過程，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，方便地運用到實驗、教學(xué)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(jī)為核心的硬件平臺上，配合相應(yīng)的輸入/輸出接口，具有計算機(jī)顯示器的虛擬面板，信號處理功能則由軟件來實現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)［1,2］。其突出特點是打破了傳統(tǒng)儀器的封閉性，把儀器的絕大部分硬件變成計算機(jī)上的文件；用戶可以自行定義、自行設(shè)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(jī)的儀器庫中，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)儀器相同或超過傳統(tǒng)儀器功能的新概念儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實質(zhì)就是利用計算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實現(xiàn)信號調(diào)理及數(shù)據(jù)的運算、分析和處理，利用相應(yīng)接口設(shè)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(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NI公司(National Instruments)的圖形化開發(fā)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(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、實時更換更新，在信號調(diào)理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示等多個方面，都具有傳統(tǒng)儀器無法相比的優(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測試及信號處理領(lǐng)域［4,5］。

探討虛擬儀器應(yīng)用于教學(xué)的方式［6,7］，可彌補有關(guān)教學(xué)、實驗環(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)模擬信號調(diào)幅方法

傳統(tǒng)的調(diào)幅方法完全基于硬件電路來完成，其調(diào)幅過程如圖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，存在著如下局限性：

（1）電路搭建及調(diào)試過程繁雜；

（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)電路的方法來在一定程度上解決問題，這是傳統(tǒng)技術(shù)在一定發(fā)展時期內(nèi)的必然現(xiàn)象。

3 基于虛擬儀器LabVIEW實現(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

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

實現(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)幅信號電流（已調(diào)波）；I0為載波幅值；Ω調(diào)制信號角頻率；ω0為載波角頻率；m為調(diào)制深度（調(diào)制系數(shù)）?；谔摂M儀器實現(xiàn)軟件件調(diào)幅，直接運用上述原理進(jìn)行。

3.2 基于虛擬儀器的軟件調(diào)幅實現(xiàn)

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

3.2.1 調(diào)幅實驗

根據(jù)式（1），載波（cos ω0t）及調(diào)制信號（cos Ωt）由LabVIEW系統(tǒng)的函數(shù)（VI）分別產(chǎn)生的正（余）弦信號提供，并設(shè)置控制因子m,I0,ω0,Ω，實現(xiàn)式（1）調(diào)幅過程就是完成該式的計算，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)嶒灥牡湫徒Y(jié)果（相應(yīng)的LabVIEW前面板）之一如圖3所示。

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

3.2.2 實際調(diào)幅過程的實現(xiàn)

為充分發(fā)揮虛擬儀器的功能和優(yōu)勢，盡量減少系統(tǒng)對外電路的依賴，只要是虛擬儀器系統(tǒng)能夠完成的信號處理功能，就盡量使用虛擬儀器系統(tǒng)來完成。信號調(diào)幅過程仍采用圖2的程序，選用合適的數(shù)據(jù)采集卡作為信號的輸入/輸出設(shè)備，做到只須向接口輸入調(diào)制信號，系統(tǒng)實現(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，無需外界振蕩器提供。

這里選用NI USB－6009 DAQ采集卡實現(xiàn)對外信號的采集與輸出，其主要特點和性能參數(shù)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(shù)字I/O接口線32位計數(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)動程序在LabVIEW系統(tǒng)中已經(jīng)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(diào)幅過程仍采用與圖2程序相同的方法，即將輸入調(diào)制信號連接至圖中標(biāo)注的調(diào)制信號輸入端，取代原調(diào)制信號發(fā)生器（VI）即可。

系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

實驗時調(diào)制信號由實驗用函數(shù)信號發(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正弦信號作為載波，信號可經(jīng)DAQ卡的模擬端口向外輸出，其設(shè)置方法也很簡單（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(xué)中的應(yīng)用

在實驗教學(xué)中，對于儀器設(shè)備功能單一、價格又比較昂貴的實驗設(shè)備，均可運用虛擬儀器系統(tǒng)實現(xiàn)。如實現(xiàn)信號調(diào)幅（調(diào)頻等）的教學(xué)過程，教學(xué)中往往只能進(jìn)行理論分析教學(xué)，因為電子技術(shù)實驗室一般只具備有關(guān)單元電路原理的實驗設(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)制之類的功能，用虛擬儀器來實現(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)與實驗教學(xué)，有其自身的特點和優(yōu)勢。

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

5 結(jié) 語

盡管實現(xiàn)調(diào)幅等過程無需基于虛擬儀器系統(tǒng)實現(xiàn)，但從教學(xué)、實驗的角度來說，其實現(xiàn)的方法簡單，各項參數(shù)調(diào)節(jié)方便，無需電路元件；根據(jù)不同條件下的信號要求，可方便地設(shè)置、更改或更新系統(tǒng)，不同的教學(xué)、實驗環(huán)節(jié)還可以實現(xiàn)一機(jī)多用。其對調(diào)制等相關(guān)教學(xué)、實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)會起到事半功倍的效果，虛擬儀器應(yīng)用于教學(xué)、實驗，是其在測試領(lǐng)域之外獲得應(yīng)用的一個重要補充。

參 考 文 獻(xiàn)

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