基于虛擬儀器的輔助教學系統

郭 慶，徐翠鋒，張文龍

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

“模擬電子技術”是電子信息類專業一門重要的專業基礎課［1］。該課程教學可培養學生的工程概念和工程思維能力。在課程學習過程中，學生感到實際電路的調試十分困難，往往花了很長時間進行調試。為此，有必要在課堂中采用輔助教學系統。

高校在“模擬電子技術”課堂教學中普遍使用仿真軟件輔助教學，如Multisim和Spice等，可以取得較好的教學效果［2－4］。但仿真軟件中某一元件模型忽略了元件的離散性，未計及溫度和電壓變化等因素的影響，致使仿真結果與實際有一定的差距。學生無法從仿真中了解實際電路分析與設計時應注意的一些工程問題。

本文在現有多媒體教學系統的基礎上，增加一定的設備，設計了一個基于虛擬儀器技術的“模擬電子技術”輔助教學系統，可以較好地解決上述問題。

1 系統的組成

本輔助教學系統由柔性“模擬電子技術”實驗電路板、數據采集設備、筆記本電腦、上位機軟件、投影儀和投影幕布六部分組成。如圖1所示。

圖1 系統組成圖

本輔助教學系統的特點在于“虛實結合”。實體是本系統的最顯著特點，也是與仿真軟件最大的不同。該實驗電路板是由實際電子元器件構成。首先將實驗電路噴繪在廣告布上，然后將電子元件、導線布于廣告布背面，所有的測試點、電源連接點用接線柱引到廣告布正面，從而構成可拆疊的柔性“模擬電子技術”實驗電路板。最大區別是將硬質基板換成了可攜帶的廣告布，這為教學代來了極大的便利。

柔性模擬電子技術實驗電路板加上電源后，輸入信號加到模擬電路輸入端，將數據采集設備的探頭分別接到模擬電路的輸入端和輸出端。數據采集設備將采集到的模擬信號進行A／D轉換，轉換后的數據通過USB口傳送給筆記本電腦中的上位機軟件，軟件對數據做相應處理。于是，在筆記本電腦屏幕上顯示出信號的波形和頻譜等相關參數。通過筆記本的VGA視頻接口，顯示的畫面被傳送到投影儀上，投影儀再投影到黑板的幕布上。數據采集設備直接由筆記本的USB口供電。由上位機軟件是一個功能強大的多功能虛擬儀器軟件，它包括雙蹤示波器、雙蹤頻譜分析儀、雙蹤信號發生器和雙蹤萬用表等，這些虛擬設備全完可以滿足實驗教學的需要。

2 單管放大電路實例

本文僅以單管放大電路為例說明實驗。一個共發射極單管放大電路如圖2所示，三極管采用9013。工作條件：Vcc＝12V，Uce＝6V。測試信號來自筆記本電腦音頻輸出口，通過虛擬儀器軟件設置正弦波有效值為50mV，頻率為1000Hz。數據采集設備的探頭分別連接到模擬電路的輸入和輸出端。由上位機軟件界面顯示的波形如圖3所示。圖中示波器界面上部中幅度小的為輸入信號（0.16V／div），幅度大的為輸出信號（1.6V／div），兩者相位相差180°。下部萬用表顯示輸出信號的有效值1.759V，輸入信號有效為0.0439V，放大倍數約為40。

圖2 共射極單管放大電路

圖3 輸入輸出波形比較

如果調節放大電路中的滑動變阻器，可以改變放大電路的靜態工作點。能觀察放大電路的飽和失真和截止失真狀態波形，也可以將輸入信號為方波，輸出信號波形。圖4上部所示，其下部是頻譜分析儀界面，在頻譜圖中可知輸出信號的頻率成分。

圖4 不同輸入信號的輸出波形及其頻譜

3 結語

本文設計的“模擬電子技術”輔助教學系統在課堂教學中，能及時的向學生演示電路的原理、功能、特點和調試過程。

我們將理論教學與實驗教學有機地結合起來，使學生在學習“模擬電子技術”課程的過程中，對教學內容感到真實可信，改善了學習難度，提高了學生的學習興趣，收到了事半功倍的效果。然而，本系統受數據采集設備參數（如頻率、幅度和精度等）的限制，有些參數尚無法測試，如放大電路的幅頻特性等，這些都有待改進。

本文僅介紹了虛擬儀器技術在“模擬電子技術”課教學中的基本應用。虛擬儀器技術還可以運用到電路分析、數字邏輯、信號與系統等課程的教學中。在今后還將繼續探索，努力使虛擬儀器技術在教學中有更廣泛的應用。

［1］康華光 電子技術基礎.模擬部分；華中科技大學電子技術課程組編［M］.北京：高等教育出版社，2006.1

［2］李如琦 Multisim仿真軟件在電工電子實驗教學中的應用［J］.南寧：廣西大學學報（哲學社會科學版），2005，27（增刊）

［3］田豐.虛擬實驗與真實實驗的整合研究［M］.北京：清華大學出版社，2005

［4］黃智偉.基于 Multisim2001的電子電路計算機仿真設計與分析［M］.北京：電子工業出版社，2004