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)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”。
    目前最具代表性的虛擬儀器系統(tǒng)是美國(guó)NI公司(National Instrumets)的圖形化開發(fā)平臺(tái)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(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。
    探討虛擬儀器應(yīng)用于教學(xué)的方式，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。

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：

   
式中：i表示已調(diào)幅信號(hào)電流(已調(diào)波)；I0為載波幅值；n調(diào)制信號(hào)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(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(COSω0t)及調(diào)制信號(hào)(cos Ω)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一6009 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：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(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一6009 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)?strong>電子技術(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。