虛擬儀器調(diào)幅新方法及其在電子實驗教學中的應(yīng)用
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行，這里將以調(diào)幅為例，探討一種基于虛擬儀器軟件進行信號調(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)的教學單位，可節(jié)省設(shè)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(yīng)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(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)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)就是利用計算機強大的軟件功能實現(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”。
目前最具代表性的虛擬儀器系統(tǒng)是美國NI公司(National Instrumets)的圖形化開發(fā)平臺LabVIEW(Labor。atory Virtual Instrument Engineering Work—bench)，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。如網(wǎng)絡(luò)化儀器、一機多用、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。
探討虛擬儀器應(yīng)用于教學的方式，可彌補有關(guān)教學、實驗環(huán)節(jié)的相關(guān)不足，使虛擬儀器的強大功能在在教學領(lǐng)域進一步獲得應(yīng)用。
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(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)學原理為：
式中：i表示已調(diào)幅信號電流(已調(diào)波)；I0為載波幅值；n調(diào)制信號角頻率；0ω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(COSω0t)及調(diào)制信號(cos Ω)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一6009 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：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±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一6009 DAQ采集卡的模擬輸入端口，由虛擬儀器系統(tǒng)VI產(chǎn)生的400 Hz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一6009 DAQ的采樣速率達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 在實驗教學中的應(yīng)用
在實驗教學中，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)的教學過程，教學中往往只能進行理論分析教學，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)的演示教學與實驗教學，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)進行的演示教學，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、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、實驗環(huán)節(jié)還可以實現(xiàn)一機多用。其對調(diào)制等相關(guān)教學、實驗環(huán)節(jié)的教學會起到事半功倍的效果，虛擬儀器應(yīng)用于教學、實驗，是其在測試領(lǐng)域之外獲得應(yīng)用的一個重要補充。
下載文檔
