虛擬儀器在電子技術演示實驗中的應用研究

鄧輝

摘要：隨著社會的進步，信息技術的發展，傳統的實驗方式趕不上時代的需求，而是要將虛擬儀器引入電子技術演示實驗。本文對虛擬儀器技術進行了簡單介紹，并詳細闡述了虛擬儀器在電子技術演示實驗中的應用。

關鍵詞：虛擬儀器；電子演示實驗；應用

1 虛擬儀器技術簡介

1.1 虛擬儀器技術定義

所謂虛擬儀器技術，就是將具有較高性能的模塊化硬件與靈活性能優越的軟件有機結合起來，前者如虛擬示波器等，后者如Lab-VIEW、Signal Express等，以便確保相關測試、測量以及自動化應用順利實現。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NI LabVIEW圖形化開發工具用于產品設計周期的各個環節，從而改善了產品質量、縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發和生產效率。

1.2 虛擬儀器技術的構成

如圖1所示，虛擬儀器技術大致可以分為三部分：第一，靈活且高效的軟件。對專門程序模塊進行設計或調試，在充分利用適宜軟件的支持，可以確保所創建出的人機交互界面的高效性及友好性。諸如Lab-VIEW標準圖形化編程軟件以及Signal Express連接設計及測試交互軟件等就是有力證明；第二，模塊化I/O硬件，一直以來，只有在虛擬儀器技術發展的較為成熟之后才會進入到測試階段，隨著信息時代的到來，客戶對測試需求日益上升，要求也越來越高，例如，在電子市場，消費者就要求：盡可能多的功能以最低的成本集成在最有限的空間之內。美國國家儀器有限公司就設計出較為全面的軟件及硬件解決方案，可以向使用PCI、PXI、PCMCIA、USB以及1394總線配置專門的模塊化硬件產品，產品種類多種多樣，涉及數據收集、信號條理、測試聲音及振動、視覺、運動、儀器控制、分布式I/O以及CAN接口等工業通訊；第三，具有集成性能的硬件級軟件平臺，依托于PC平臺并且具備同步集成功能，設置有高端定時及觸發總線，此外還具備一系列模塊化的I/O硬件以及相關測試軟件，以便開展較為精準且吞吐量較高的測試，構建真正意義上的自動以測試方案。

1.3 虛擬儀器與傳統儀器的區別

構成虛擬儀器的香瓜軟件及硬件均是沒有經過廠家定義及封裝處理的，一方面，利用具有優越功能以及效力吐出的 軟件可以對采集、分析、存儲、共享以及顯示等進行自定義，另一方面，虛擬儀器與功能相近的傳統意義上的儀器相比，二者在價格方面差異不大，并且，隨著檢測量的越來越大，利用虛擬儀器技術所實現的成本節省優勢將會更加顯著。

傳統意義上的儀器，廠家在設備出廠前已經對其進行了定義，此外還對相關軟件及電路進行了封裝，用戶所得到的是已經將軟件與電路結合在一起的、功能有限的儀器。此外，傳統意義上的儀器還面臨著老化的問題，特別是在資金較為緊張的背景下，用利用計算機構建的集成化測試平臺取代傳統意義上的測試儀器，一方面，可以充分滿足電子技術演示實驗的現實需要，另一方面，所擁有的設備還能得到充分有效的利用，有效控制實驗費用。也正是由于虛擬儀器所具備的性能優越、擴展能力強、節省開發時間以及可以實現無縫集成等優點，所以備受推崇。

2 虛擬儀器在電子技術演示實驗中的設計

2.1 發生器信號測試

對發生器信號進行檢測的基本環境包括多功能信號發生器以及F24U各一臺，其中，F24U需要進行按照以下要求進行設置：將頻率設置為4MHz，時基旋鈕2.5us，通道幅值為0.5V，自動觸發，實時模式，交流耦合且一比一衰減，詳見圖1。

2.2 PAL復合視頻信號測量

PAL復合視頻信號測量所需要的測試環境為PAL視頻信號發生器以及F24U各一臺，其中，F24U需要依以下步驟進行設置：設置采樣頻率為4MHz，時基旋鈕25us，通道幅值為0.3V，反向觸發，實時模式，直流耦合且一比一衰減。

2.3 虛擬儀器在電子技術演示實驗中的應用

采用Flash設計的前端儀器模塊，通過萬用表采用用伏安法測電阻時，只要能算出待測電阻兩端的電壓即可。一般來說，萬用表應看三個指標即滿偏電壓、滿偏電流和內阻，由于電表此時滿足部分電路歐姆定律，故三個指標中只有兩個是獨立的，利用任意兩個指標可由歐姆定律求出第三個指標。這也說明電表可扮演三種角色，例如一個電壓表，既是一個電壓表（測內阻RV兩端的電壓），又是一個定值電阻（阻值為內阻RV），同時還能反串電流表（“測”通過RV的電流）．能否“測出”通過RV的電流，就取決于其內阻是否已知。

具體操作方法為：

①單擊開關 打開萬用表

②測量電阻前，根據電阻色環大致判斷電阻阻值大小，將萬用表按鈕要旋到要相應的檔位，此時萬用表顯示1。

③測量電阻時， 將筆放到電阻兩端，讀出萬用表上數據，在下方的問題列表中選擇答案，選對則在后面打√，不對則打×

2）電路存取模塊

電路存取模塊要能夠滿足用戶隨時存儲或者調用電路。當用戶要對當前的電路進行保存時，系統會想控制中心發送保存的命令，而控制中心在接到命令之后，會將相關的信息進行搜集，并且封裝成XML格式的文件，隨后將該等文件發送到后臺進行保存。控制中心手機并封裝的信息應該包括了電路元件信息、電路板上的OUTLET信息以及相關的電路儀器月電路板自身的所有相關信息。而當用戶需要讀取他之前保存的數據之時，也是通過系統向控制中心發送讀取的命令，系統控制中心再接收到命令之后，會對命令進行判斷，并且根據判斷結構調取相應的電路信息文件，再傳遞給數據的讀取模塊，供用戶查閱。

隨著時代的發展，信息技術的進步，計算機硬件升級頻率越來越高，互聯網的影響范圍也越來越廣，以及廣泛深入到工作、學習以及生活的方方面面，在電子技術演示實驗中，虛擬儀器也已經可以取代大部分的傳統意義上的電子類實驗設備，將虛擬儀器引進電子技術演示實驗當中，一方面可以達到硬件資源以及人力資源有效節約的目的，另一方面，還提供了一個十分有利的學習平臺，為研究的深入提供了有利條件。當前此技術已經在航空航天、物理以及國防等諸多領域得到普遍應用。

3 結語

在電子技術演示實驗中引進虛擬儀器，一方面，不再受到時間以及設備的限制，另一方面，有培養創造能力以及實踐操作能力。但需要注意的是，虛擬儀器并非完美無缺，當與其他設備進行連接時，極易受到客觀環境的制約；在面對較大的計算任務時，常會出現較為嚴重的延時問題；此外，虛擬儀器實驗不適宜單獨進行，否則會導致對實體儀器了解不足的后果。筆者主張在進行電子技術演示實驗時將虛擬儀器與傳統意義上的儀器有機結合起來。

參考文獻

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文