淺析電子線路虛擬實驗教學設計相關問題

摘 要:本文通過設計出功能上等效于傳統模擬電子線路實驗儀器的低頻放大器實驗虛擬儀器，說明虛擬實驗教學設計可行性，最后總結出模擬電子線路實驗虛擬儀器特點。

關鍵詞:電子線路虛擬儀器低頻放大器

中圖分類號:TN70-4文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(c)-0183-01

1 引言

電子儀器和實驗室是工科高等院校必備的實驗教學設施。這種傳統的實驗儀器投資大、用途單一、維護工作量大和成本高。本文試圖開發出功能上等效于一套傳統模擬電子線路實驗儀器，并且滿足實驗要求的虛擬儀器，取而代之用于模擬電子線路課程實驗教學。

2 低頻放大器實驗虛擬儀器實例

2.1 實驗內容

在模擬電子線路課程中，主要學習的是各類低頻放大器，實驗教學課程包含下列實驗內容:單級放大器;多級放大器;負反饋放大器;差分放大器;運算放大器等等。這些實驗項目所用實驗儀器大部分完全相同，不同的是每個實驗項目使用各自的實驗電路板，因此開發了一臺通用的低頻放大器實驗虛擬儀器。該儀器配不同的實驗電路板，即可進行上述相應實驗。

2.2 低頻放大器實驗虛擬儀器

2.2.1 功能描述

低頻放大器實驗虛擬儀器具有以下功能:(1)具有直流電壓、直流電流測量功能，用于測量放大器的靜態工作點;(2)具有交流信號電壓測量功能，用于測量輸入、輸出交流信號電壓;(3)具有函數發生器的功能，能產生頻率、幅度在一定范圍內可調的正弦、三角、方波三種波形，用于給放大器提供信號源。(4)具有波形顯示和測量功能，用于顯示輸入、輸出信號波形，且可由波形讀出信號頻率和幅度。(5)具有仿真和實測功能。仿真時儀器與外界無聯系，僅演示放大的原理和主要參數對輸出信號的影響實測時虛擬儀器向被測放大器提供輸入信號并獲得放大器的輸出信號，輸入、輸出信號要與被測電路的參數相匹配。放大器主要指標由其自身參數決定。功能描述中的(2)，(3)，(4)，(5)項和(1)項中直流電壓測量用LabVIEW環境實現起來較容易[1，2]，實驗中的直流電流測量原理如下:直流電流測量有兩種方法，一是將直流電流表串入被測的兩斷點之間，通過指針或數字顯示測得直流電流數值，稱之為直接測電流法。另一種方法是通過測量某個電阻上的電壓，根據電壓和電阻值求出電流，稱之為間接測電流法。

2.2.2 設計原理

(1)測某條支路中己有的電阻上的電壓值，求出流過該電阻電流即某支路電流值。(2)在數據采集卡一個特定的輸入通道并接1Ω電阻。此時就像直接測電流法一樣，將某通道的兩根線串入被測支路的兩個斷點之間，數據采集卡獲得了1Ω電阻的電壓值，在數值上也就是流過1Ω電阻的電流值。在測電流的斷點兩側一般存在有數KΩ的其他電阻，所以1Ω電阻串入斷點對支路電流值的影響可以忽略。采用并入1Ω電阻法，在數據采集卡上很容易實現，但此時通道只能作為測量直流電流專用通道，一定不能再作為測量電壓的輸入通道使用。

2.2.3 低頻放大器實驗虛擬儀器設計

根據前述功能描述，該虛擬儀器應具有下述控件:a.輸入控件六個:信號源的幅度和頻率參數設置控件各一個，輸出信號波形選擇控件一個，放大倍數設置控件一個(僅用于仿真情況下設置放大器的放大倍數)，采樣頻率和采樣點數設置控件各一個。b.輸出控件六個:直流電壓、電流顯示控件各一個，輸入、輸出信號大小和頻率顯示控件各兩個。c.波形顯示控件一個:用于放大器輸入和輸出信號波形顯示。d.開關控件三個:一個用于控制交流和直流測量，一個用于仿真與實測，一個用于關機。注:輸入輸出信號波形顯示控件可合二為一。

2.2.4 運行及檢驗

(1)仿真運行

當在前面板中，“仿真/實測”開關置“仿真”位，“直流/交流”置“交流”位時，不斷改變放大器輸入信號幅度和頻率，可以看到放大器輸出信號幅度和頻率也變化，幅度總是大于輸入信號幅度一定的倍數，頻率始終相同。改變放大倍數，重復上述過程，結果相同。在仿真狀態下，無論輸入信號是哪種波形，放大器輸出信號和輸入信號都具有相同的波形和頻率，只是幅度不同。

(2)實測運行結果

a.直流工作點測量。接好實驗電路工作電源，電壓測量開關置“直流”位置，數據采集卡的模擬信號輸入端接入測電流的兩斷點之間(設采用間接測電流法)，運行儀器，前面板控件“DA”顯示測得的直流電流值。接好測電流的兩個斷點，采集卡的輸入端并接到放大管的不同極之間，前面板控件“DV”顯示測得的直流電壓值。b.放大倍數測量。用信號線連接好數據采集卡的模擬信號輸出端和放大器的輸入端，采集卡的輸入端與放大器的輸出端(放大器的直流電源由實驗箱提供)，電壓測量開關置“交流”位，“仿真/實測”開關置“實測”位，選擇輸出正弦信號，即可得到相應波形。保持放大器輸入信號幅度不變，在一定范圍內不斷改變其頻率，每改變一次讀一次放大器輸出信號幅度。由這些數據可求出電壓放大倍數A。c. 放大三角波、方波。輸入信號改為三角波和方波，分別觀察輸出波形。可以發現，輸入方波時輸出信號出現了明顯的失真。這是因為放大器的帶寬有限，在放大器頻帶之外的信號受到了衰減。

3 模擬電子線路實驗虛擬儀器特點

(1)功能多。a.虛擬儀器不僅具有實測功能，還有仿真功能。b.測量功能多樣，滿足各種實際需求。c.分析和顯示己調波頻譜。調頻及鑒頻虛擬儀器可以分析和顯示FM波頻譜，其他儀器無此功能但很容易添加和實現。頻譜分析是信號分析的重要內容。d.高頻放大器虛擬儀器既能用逐點法測量放大器的A-f特性曲線，又能用掃頻法測出A-f特性曲線，且測量精確度較高。

(2)仿真演示波形形象直觀。仿真以三角波、鋸齒波和方波等非正弦信號為輸入信號或調制信號，波形變換和信號處理的中間過程和最終結果形象直觀。

(3)測量結果簡潔明了。用傳統儀器測量時，許多測量結果是用測量數據和公式計算出來的。虛擬儀器能把最終測量結果直接顯示在前面板顯示控件中，直觀明了。

(4)擴展功能和提高性能容易實現。由于測量功能以軟件實現，在保持硬件不變的情況下，改變和刪除現有的功能、增加新功能都很容易實現，只需要改動現有的程序即可。以添加新功能為例，選擇合適的函數或子vi，把它們按一定的邏輯關系組合在一起，再與現有程序連接起來，虛擬儀器就具有了新的功能。虛擬儀器的性能與硬件和測量程序都有關系，LabVIEW提供了檢測測量程序性能的基本工具和提高性能的一般方法。軟件維護工作量小，如果硬件升級了，只需重新設置測量程序的一些參數，虛擬儀器的性能將得以提高。

(5)適合模擬電子線路實驗。根據多年模擬電子線路課程理論和實驗教學經驗，針對每個實驗項目的具體要求，“量身定做”為它們設計了各自的實驗儀器，虛擬儀器的功能與相應實驗項目的需求匹配良好。

參考文獻

[1]肖如杏，房俊龍，楊方，等.基于LabVIEW和Multisim的電子電路虛擬實驗室[J].東北農業大學學報，2008(4).

[2]段曉杰，苗長云.LabVIEW在電子線路課程教學中的應用[J].國外電子測量技術，2008(8).