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，利用相應接口設備完成信號的采集、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 虛擬儀器技術的應用領域
    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用范圍，其中最典型的是信號測試及信號處理領域。
    探討虛擬儀器應用于教學的方式，可彌補有關教學、實驗環(huán)節(jié)的相關不足，使虛擬儀器的強大功能在在教學領域進一步獲得應用。

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，相應的LabVIEW程序(后面板)如圖2所示。

    利用圖2程序實驗的典型結果(相應的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)主體結構如圖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，其設置方法也很簡單(略)，調(diào)幅的結果如圖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 在實驗教學中的應用
    在實驗教學中，對于儀器設備功能單一、價格又比較昂貴的實驗設備，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，因為電子技術實驗室一般只具備有關單元電路原理的實驗設備或電路單元模塊，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、電路原理相關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、虛擬現(xiàn)實技術進行的演示教學，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)應用于教學時與仿真和虛擬現(xiàn)實技術的最大不同之處。

5 結 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，虛擬儀器應用于教學、實驗，是其在測試領域之外獲得應用的一個重要補充。