虛擬儀器進行電子技術(shù)演示實驗的問題探討

楊犀　馬海燕

摘要：電子技術(shù)主要運用電子元器件進行電路設(shè)計，并通過某種特定的功能實現(xiàn)，來解決生產(chǎn)設(shè)備中存在的實際問題。因此電子技術(shù)中有較多的演示實驗，電子教學需要使用各種虛擬儀器，引導學生完成某些教學內(nèi)容與實驗步驟。該文主要探討虛擬儀器展開電子技術(shù)演示實驗的問題，通過分析虛擬儀器技術(shù)的特征與應(yīng)用途徑，提出高效的電子自動化信息測量方案。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；電子技術(shù)；演示實驗；問題

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）36-0187-02

虛擬儀器技術(shù)是集合模塊化硬件和軟件的操作平臺，虛擬儀器技術(shù)引入到電子技術(shù)演示實驗中，能夠有效改善傳統(tǒng)儀器的測量精度與擴展性問題。虛擬儀器技術(shù)中硬件模塊的性能高，在軟件開發(fā)與擴展性方面也非常靈活。因此使用虛擬儀器進行電子技術(shù)的演示實驗，能夠滿足實驗者的測量與數(shù)據(jù)處理需求。

1 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)組成與主要特征

1.1 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)組成

在計算機數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，數(shù)字信號處理代替原有的硬件信號處理技術(shù)，成為數(shù)據(jù)信息處理的主要方式。虛擬儀器包括軟件、模塊化I/O硬件和集成軟硬件平臺三部分，其中軟件為虛擬儀器最重要的組成部分。在虛擬儀器軟件中可以自由設(shè)置交互界面，還可以對某些程序模塊進行調(diào)用或修改。而且在LabVIEW程序開發(fā)環(huán)境中，系統(tǒng)內(nèi)的軟件和硬件可以快速實現(xiàn)連接，并對相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進行處理與存儲。在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息處理完成后，顯示面板會將最終結(jié)果展示給用戶。在數(shù)據(jù)測量與應(yīng)用日益復(fù)雜的情況下，模塊化I/O硬件能夠為教師、學生提供多樣化的軟硬件組合方案。任何形式的電子電路接口，都可以用相應(yīng)的模塊化硬件產(chǎn)品進行解決。在聲音測量、信號處理、數(shù)據(jù)采集和儀器控制等方面，通過分布式I/O模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制與管理。機箱、系統(tǒng)控制器和外圍模塊組成的硬件平臺，逐漸成為軟件自動化和信息測量的主要構(gòu)架。PXI機箱為系統(tǒng)提供了堅固的模塊化封裝，其具有較高的靈活性和開放性，自動化信息測量的成本也較低。

1.2 虛擬儀器的主要特征

虛擬儀器搭配計算機的顯示器和儀器插件卡等，能夠完成演示實驗數(shù)據(jù)信息的控制與屏幕展示。虛擬儀器作為計算機軟硬件結(jié)合的儀器，可以在電子技術(shù)實驗演示過程中進行聲音、信號等信息的自動測量。因此虛擬儀器通過將數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲等模塊集合為一個整體，來實現(xiàn)各種信息的處理活動。教師只需點擊鼠標輸入相應(yīng)的指令，就能夠在虛擬儀器中查看相應(yīng)的實驗測試結(jié)果。對于電子測量示波器中的信號變化，可以運用不同顏色進行輸入波形、輸出波形的顯示。虛擬儀器中的測控功能硬件，能夠與計算機硬件平臺進行連接，從而完成計算機內(nèi)部的資源共享操作。而且虛擬儀器在電子技術(shù)演示實驗中的靈活度較高，用戶可以根據(jù)自身的測量需求，對虛擬儀器的硬件進行配置與整合。當前存在的主流電子技術(shù)演示實驗儀器，主要包括邏輯分析儀、波形示波器、多功能虛擬信號分析儀、數(shù)字電路測試儀和高精度數(shù)字頻率計等。在各種測試儀器結(jié)合為一個整體的情況下，虛擬儀器能夠?qū)⒆罱K的測試波形和數(shù)據(jù)信息投射到屏幕上。學生只需觀看虛擬儀器的屏幕，就能夠獲取想要的電子技術(shù)演示實驗結(jié)果。

2 電子技術(shù)演示實驗教學方式及存在的問題

2.1 實物演示方式及存在的問題

傳統(tǒng)電子技術(shù)演示實驗教學運用實物演示，實物演示的電路元件更加真實，最終的儀器測量結(jié)果也更具說服力。但由于電子技術(shù)演示涉及的儀器較多，所以實物演示在教學實踐方面的效果較差。而且實物演示需要將各種實驗儀器搬運到課堂中，在實驗儀器屏幕較小的情況下，學生很難看清實驗儀器操作的整個流程。因此使用實物演示的電子技術(shù)測量方式，不能滿足課堂教學的觀察與操作要求。

2.2 視頻演示方式及存在的問題

視頻演示是提前錄制的演示方式，需要專業(yè)人員對教師的實驗流程進行攝制，并添加相應(yīng)的字幕成為一個視頻。教師在電子技術(shù)演示實驗教學中，只需要播放相應(yīng)的演示視頻，就能夠向?qū)W生講解實驗的整個流程。這種播放多媒體視頻的實驗演示方式，能夠立體性的展現(xiàn)實驗操作的過程，學生也可以更加直觀的了解實驗的主要流程。但對于視頻演示文件的錄制，需要由專業(yè)的視頻制作人員進行操作。而且一旦完成電子技術(shù)演示實驗教學視頻的拍攝，教師很難對其中的教學步驟進行調(diào)整與更改，所以這種演示實驗的靈活性較低。

2.3 計算機模擬仿真演示方式及存在的問題

PSPICE計算機輔助設(shè)計軟件、Multisim仿真工具等，都可以用來完成電子技術(shù)演示實驗。教師可以使用PSPICE計算機輔助設(shè)計軟件，將其中的各種實驗儀器進行連接，并對不同元器件設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，最后還要對模擬仿真測試結(jié)果進行分析，與電子技術(shù)演示實驗理論結(jié)果進行比對。教師在電子技術(shù)演示實驗的教學中，可以隨時調(diào)整模擬軟件中的電路連接，以適應(yīng)當前的電子技術(shù)教學內(nèi)容。而且計算機輔助仿真軟件中的實驗儀器，與現(xiàn)實中的演示元器件非常相似，得出的仿真實驗結(jié)果也較為客觀。但計算機模擬仿真演示的方式，仍舊屬于虛擬的仿真實驗，其在電子技術(shù)演示實驗中的真實性較差。

2.4 計算機教學課件演示方式及存在的問題

教學課件演示方式是演示實驗教學最常用的方式之一，其主要通過Authorware、Flash等制作PPT課件，然后在課堂中進行課件的播放。這種輔助演示方式中包含圖片、文字、聲音和視頻，教師還可以引入相應(yīng)的實驗教學流程，或者對教學課件的某些部分進行調(diào)整和修改。但教學課件演示的方式過于理論化，學生不能通過簡單的視頻動畫，來了解電子技術(shù)實驗的每個流程。而且教學輔助課件只能展示某幾種實驗內(nèi)容，無法對所有實驗流程進行詳細介紹，因此教學課件演示實驗的真實性較低。所以在電子技術(shù)演示實驗教學中，引入虛擬儀器技術(shù)進行演示實驗，能夠有效提升電子儀器的測量精度與擴展性。

3 虛擬儀器在電子技術(shù)演示實驗中的應(yīng)用

3.1 虛擬測量儀器的構(gòu)成及發(fā)展

在電子技術(shù)演示實驗的操作中，需要配備擬儀器、單級放大器、直流穩(wěn)壓電源、信號源和液晶投影系統(tǒng)等硬件設(shè)施。虛擬測量儀器主要包括硬件電子線路、計算機軟件、顯示器與虛擬旋鈕三部分組成。虛擬測量儀器可以通過相應(yīng)的軟件算法，來完成對聲音和數(shù)字信號的處理活動。虛擬測量儀器能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子線路，在信號測量精度方面也遠遠高于傳統(tǒng)電子線路。而且在完成數(shù)字信號的處理后，可以通過計算機中的顯示屏進行數(shù)字與波形的顯示。因此虛擬儀器包含軟件測量、虛擬面板兩部分內(nèi)容，分別承擔著數(shù)據(jù)信息處理與顯示的職能。

3.2 基于虛擬儀器的電子技術(shù)演示實驗系統(tǒng)

虛擬儀器的電子技術(shù)演示實驗系統(tǒng)，主要包括實驗電路模塊、數(shù)據(jù)采集卡、電源和計算機。其中實驗電路模塊中存在一個電路面包板，教師可以根據(jù)自身的教學需求，在電路面包板中組建相應(yīng)的演示實驗電路。而電路面包板又與數(shù)據(jù)采集卡進行連接，數(shù)據(jù)采集卡會將演示實驗電路中的信息，傳輸至計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)中有虛擬儀器軟件，其可以完成對電路中數(shù)字信號的測量活動。在數(shù)字信號數(shù)據(jù)處理完成后，計算機屏幕會在顯示板中給出最終的儀器測量信息。虛擬儀器的電子技術(shù)演示實驗系統(tǒng)如圖1 所示。

本文使用美國國家儀器公司生產(chǎn)的虛擬儀器教學實驗套件，來構(gòu)建電子技術(shù)演示實驗系統(tǒng)。在LabVIEW程序開發(fā)環(huán)境的前提下，數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器教學實驗套件中整合了常用的實驗儀器。其中最重要部分為用戶自定義工作臺，用戶可以對原型實驗板中的信號連接器進行自行配置。虛擬儀器教學實驗套件有以下幾方面的功能與作用：1）高精度數(shù)據(jù)采集器、電子測量示波器、NI ELVISmx波特圖分析儀和阻抗分析儀等，能夠?qū)π盘栔写嬖诘母鞣N信息進行分析；2）然后使用萬用表電子測量儀，對電路中的電阻、電壓、電容、電感和電流等進行測量；3）任意波形發(fā)生器作為信號源的一種，其能夠根據(jù)使用者要求進行測試信號的仿真，并將最終的信號信息提供給被測電路。信號發(fā)生器也能夠提供各種信號頻率和波形，還可以輸出輸出電平的電信號；4）數(shù)字I/O可在多個邏輯電平下采集和生成數(shù)字信號和模式，用戶可以通過數(shù)字I/O進行電路特性分析和線路切換；5）虛擬儀器教學實驗中的直流電源，可以通過相應(yīng)程序控制在+/-15V之間，還可以手動調(diào)節(jié)可變電壓的參數(shù)。從以上虛擬儀器教學實驗套件的功用分析中，可以得出：虛擬儀器教學實驗套件是集多種電子測量儀器與一體的系統(tǒng)，其能夠滿足電子技術(shù)演示實驗的課程要求。

除此之外，教師還可以在LabVIEW程序開發(fā)環(huán)境中，進行NI ELVIS原型實驗板的功能擴展。在電子技術(shù)演示實驗教學之前，需要將計算機中的數(shù)據(jù)采集卡，與虛擬儀器教學實驗套件的工作面板進行連接。然后在虛擬儀器教學實驗套件的工作平臺中，進行電子技術(shù)演示實驗的構(gòu)建，并使用計算機來控制各種操作指令。教師在進行電子技術(shù)演示實驗的過程中，學生能夠通過投影儀屏幕，來觀看教學的儀器操作流程，并記錄最終的演示實驗結(jié)果。由于演示實驗電路完全使用電子元器件建構(gòu)，因此虛擬儀器教學實驗套件測量的真實性較高，最終演示實驗結(jié)果也較為客觀。

4 虛擬儀器的電子技術(shù)演示實驗教學實例分析

4.1 電子技術(shù)演示實驗教學實例

本文主要以反相放大電路演示實驗為基本內(nèi)容，向?qū)W生展示運用虛擬儀器進行教學實驗的整個流程。在反相放大電路演示實驗開始之前，需要借助多媒體視頻向?qū)W生展示每個元器件，反相放大電路演示實驗的元器件包含：R1（10kΩ電阻）、RF（100kΩ電阻）、單運算放大器741和導線若干。之后教師要引導學生進行虛擬儀器教學實驗套件的電路構(gòu)建，電路構(gòu)建的過程也需要通過多媒體視頻進行播放。反相放大電路演示實驗電路圖如圖2所示：

從圖2中可以看出：FGEN FUNC OUT為整個電路提供輸入信號，所以要將電路導線接入虛擬信號發(fā)生器的工作臺，另一個導線要接入到虛擬信號發(fā)生器的GROUND。在電子技術(shù)演示實驗的輸出端，則需要進行ACHO、GROUND等引腳的連接。在電子技術(shù)演示實驗過程中，首先應(yīng)該將虛擬信號發(fā)生器調(diào)整至1kHZ、200mV的正弦曲線。之后利用虛擬示波器的高性能模塊，來開啟波形函數(shù)的第一模擬通道和第二模擬通道。將第一模擬通道的“觸發(fā)信號源選擇”，調(diào)節(jié)為“ACHO”；將第二模擬通道的“觸發(fā)信號源選擇”，調(diào)節(jié)為“FGEN FUNC OUT”。在完成對兩個模擬通道的設(shè)置后，運用第一模擬通道進行輸出信號的檢測，運用第二模擬通道進行輸入信號的檢測。最后將第一模擬通道的電壓/格設(shè)置為1V/div，第二模擬通道的電壓/格設(shè)置為100mV/div，時間/格設(shè)置為500s/div。虛擬示波器面板中的波形顯示如圖3：

通過以上實驗發(fā)現(xiàn)，在電子技術(shù)演示實驗輸入電壓為100mV的情況下，得到的輸出電壓為1V，所以反相放大電路對電壓的放大倍數(shù)為10倍。而且從輸入電壓、輸出電壓的波形來看，兩電壓在波形函數(shù)中的相位差值為180°。因此使用虛擬儀器進行電子技術(shù)演示實驗，能夠大大減少各種測量儀器的移動工作量。同時在虛擬儀器中存在著不同數(shù)據(jù)的顯示面板，可以顯示所有的信號處理結(jié)果。教師在電子技術(shù)演示實驗教學中，可以將儀器操作流程和實驗結(jié)果投影到屏幕上，這能夠有效提升電子技術(shù)演示實驗的教學效率。

4.2 虛擬儀器存在的局限性

利用虛擬儀器進行電子技術(shù)演示實驗，雖然能夠有效解決演示實驗中的儀器測量、數(shù)據(jù)顯示問題，但也存在著一定的局限性。在計算機硬件、數(shù)據(jù)采集卡性能不足的情況下，僅僅依靠虛擬儀器無法完成信號波形與數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。而且在計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸受阻的情況下，虛擬儀器進行數(shù)據(jù)處理與信息顯示的響應(yīng)時間會明顯延后，因此實驗教學主體需要對以上問題引起注意。

5 結(jié)束語

本文主要研究了運用虛擬儀器開展的電子技術(shù)演示實驗。通過使用虛擬儀器技術(shù)，能夠幫助教師方便快捷地完成演示實驗，并可以通過投影屏幕對儀器操作流程、實驗結(jié)果進行展示。因此虛擬儀器在數(shù)字電路測量、數(shù)字頻率、虛擬信號、波形函數(shù)等測量方面，具有廣泛的可行性與真實性。

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