1 虚拟仪器简介
1.1 虚拟仪器的概念
所谓虚拟仪器,就是在以计算机为核心的硬件平台上,配合相应的输入/输出接口,具有计算机显示器的虚拟面板,信号处理功能则由软件来实现的一种计算机仪器系统其突出特点是打破了传统仪器的封闭性,把仪器的绝大部分硬件变成计算机上的文件;用户可以自行定义、自行设计、自行组建自己需要的仪器,并可将组建的多种仪器存放在计算机的仪器库中,配以数据通信卡和传感器,构成功能、性能、外观和操作方式都和传统仪器相同或超过传统仪器功能的新概念仪器系统。虚拟仪器的实质就是利用计算机强大的软件功能实现信号调理及数据的运算、分析和处理,利用相应接口设备完成信号的采集、输入/输出,从而完成各种仪器功能。决定虚拟仪器超越传统仪器的根本原因,在于“虚拟仪器的关键是软件”。
目前最具代表性的虚拟仪器系统是美国NI公司(National Instrumets)的图形化开发平台LabVIEW(Labor。atory Virtual Instrument Engineering Work—bench),目前的最高版本是LabVIEw8.2。
1.2 虚拟仪器技术的应用领域
虚拟仪器不但可以完成几乎所有传统仪器的功能,而且其功能比传统仪器更为先进。如网络化仪器、一机多用、实时更换更新,在信号调理、数据分析、数据存储、数据显示等多个方面,都具有传统仪器无法相比的优越性。虚拟仪器有广泛的应用范围,其中最典型的是信号测试及信号处理领域。
探讨虚拟仪器应用于教学的方式,可弥补有关教学、实验环节的相关不足,使虚拟仪器的强大功能在在教学领域进一步获得应用。
2 传统调幅方法及其局限性
2.1 传统模拟信号调幅方法
传统的调幅方法完全基于硬件电路来完成,其调幅过程如图1所示。
其中的各环节均由硬件电路完成。
2.2 传统调幅方法的局限性
传统模拟电路调幅虽然技术已比较成熟。但由于硬件电路本身固有的特点,存在着如下局限性:
(1)电路搭建及调试过程繁杂;
(2)由于元件参数的准确度有限及存在较大离散性,最终电路的准确度难于保证;
(3)电路制作一旦完成,功能便不可更改;
(4)电路工作状态受环境因素影响较大;
(5)难于实现多功能;
(6)电路的随机故障难于避免。
这些局限性在虚拟仪器出现之前就本质存在,且往往只能用改进电路的方法来在一定程度上解决问题,这是传统技术在一定发展时期内的必然现象。
3 基于虚拟仪器LabVIEW实现的软件调幅方法
3.1 基于虚拟仪器的软件调幅原理
基于虚拟仪器实现软件调幅.无需考虑硬件电路领域的若干问题,其实现的思想是将所有的信号处理环节交由软件来处理,必要的硬件环节只需完成信号与计算机之间的输入/输出接口即可,而且接口卡是通用的。
实现调幅的数学原理为:
式中:i表示已调幅信号电流(已调波);I0为载波幅值;n调制信号角频率;0ω为载波角频率;m为调制深度(调制系数)。基于虚拟仪器实现软件件调幅,直接运用上述原理进行。
3.2 基于虚拟仪器的软件调幅实现
根据虚拟仪器的特点,用虚拟仪器实现电路功能是直接根据信号处理的原理来实现,无需再考虑电路问题,这从根本上改变了电路功能实现的方式。
3.2.1 调幅实验
根据式(1),载波(COSω0t)及调制信号(cos Ω)由LabVIEw系统的函数(VI)分别产生的正(余)弦信号提供,并设置控制因子m,I0,ω0,Ω,实现式(1)调幅过程就是完成该式的计算,其输出为i,相应的LabVIEW程序(后面板)如图2所示。
利用图2程序实验的典型结果(相应的LabVIEW前面板)之一如图3所示。