虛擬儀器進(jìn)行電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題探討

楊犀　馬海燕

摘要：電子技術(shù)主要運(yùn)用電子元器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)某種特定的功能實(shí)現(xiàn)，來(lái)解決生產(chǎn)設(shè)備中存在的實(shí)際問(wèn)題。因此電子技術(shù)中有較多的演示實(shí)驗(yàn)，電子教學(xué)需要使用各種虛擬儀器，引導(dǎo)學(xué)生完成某些教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)步驟。該文主要探討虛擬儀器展開(kāi)電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，通過(guò)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(dòng)化信息測(cè)量方案。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；電子技術(shù)；演示實(shí)驗(yàn)；問(wèn)題

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(tái)，虛擬儀器技術(shù)引入到電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)中，能夠有效改善傳統(tǒng)儀器的測(cè)量精度與擴(kuò)展性問(wèn)題。虛擬儀器技術(shù)中硬件模塊的性能高，在軟件開(kāi)發(fā)與擴(kuò)展性方面也非常靈活。因此使用虛擬儀器進(jìn)行電子技術(shù)的演示實(shí)驗(yàn)，能夠滿足實(shí)驗(yàn)者的測(cè)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(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，數(shù)字信號(hào)處理代替原有的硬件信號(hào)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(tái)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(duì)某些程序模塊進(jìn)行調(diào)用或修改。而且在LabVIEW程序開(kāi)發(fā)環(huán)境中，系統(tǒng)內(nèi)的軟件和硬件可以快速實(shí)現(xiàn)連接，并對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理與存儲(chǔ)。在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息處理完成后，顯示面板會(huì)將最終結(jié)果展示給用戶。在數(shù)據(jù)測(cè)量與應(yīng)用日益復(fù)雜的情況下，模塊化I/O硬件能夠?yàn)榻處煛W(xué)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(jìn)行解決。在聲音測(cè)量、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集和儀器控制等方面，通過(guò)分布式I/O模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制與管理。機(jī)箱、系統(tǒng)控制器和外圍模塊組成的硬件平臺(tái)，逐漸成為軟件自動(dòng)化和信息測(cè)量的主要構(gòu)架。PXI機(jī)箱為系統(tǒng)提供了堅(jiān)固的模塊化封裝，其具有較高的靈活性和開(kāi)放性，自動(dòng)化信息測(cè)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(jì)算機(jī)的顯示器和儀器插件卡等，能夠完成演示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的控制與屏幕展示。虛擬儀器作為計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合的儀器，可以在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程中進(jìn)行聲音、信號(hào)等信息的自動(dòng)測(cè)量。因此虛擬儀器通過(guò)將數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊集合為一個(gè)整體，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種信息的處理活動(dòng)。教師只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)輸入相應(yīng)的指令，就能夠在虛擬儀器中查看相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。對(duì)于電子測(cè)量示波器中的信號(hào)變化，可以運(yùn)用不同顏色進(jìn)行輸入波形、輸出波形的顯示。虛擬儀器中的測(cè)控功能硬件，能夠與計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)進(jìn)行連接，從而完成計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)中的靈活度較高，用戶可以根據(jù)自身的測(cè)量需求，對(duì)虛擬儀器的硬件進(jìn)行配置與整合。當(dāng)前存在的主流電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)儀器，主要包括邏輯分析儀、波形示波器、多功能虛擬信號(hào)分析儀、數(shù)字電路測(cè)試儀和高精度數(shù)字頻率計(jì)等。在各種測(cè)試儀器結(jié)合為一個(gè)整體的情況下，虛擬儀器能夠?qū)⒆罱K的測(cè)試波形和數(shù)據(jù)信息投射到屏幕上。學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式及存在的問(wèn)題

2.1 實(shí)物演示方式及存在的問(wèn)題

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

2.2 視頻演示方式及存在的問(wèn)題

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

2.3 計(jì)算機(jī)模擬仿真演示方式及存在的問(wèn)題

PSPICE計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件、Multisim仿真工具等，都可以用來(lái)完成電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)。教師可以使用PSPICE計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，將其中的各種實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行連接，并對(duì)不同元器件設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，最后還要對(duì)模擬仿真測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，與電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)理論結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。教師在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，可以隨時(shí)調(diào)整模擬軟件中的電路連接，以適應(yīng)當(dāng)前的電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容。而且計(jì)算機(jī)輔助仿真軟件中的實(shí)驗(yàn)儀器，與現(xiàn)實(shí)中的演示元器件非常相似，得出的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較為客觀。但計(jì)算機(jī)模擬仿真演示的方式，仍舊屬于虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)，其在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)中的真實(shí)性較差。

2.4 計(jì)算機(jī)教學(xué)課件演示方式及存在的問(wèn)題

教學(xué)課件演示方式是演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)最常用的方式之一，其主要通過(guò)Authorware、Flash等制作PPT課件，然后在課堂中進(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，或者對(duì)教學(xué)課件的某些部分進(jìn)行調(diào)整和修改。但教學(xué)課件演示的方式過(guò)于理論化，學(xué)生不能通過(guò)簡(jiǎn)單的視頻動(dòng)畫(huà)，來(lái)了解電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的每個(gè)流程。而且教學(xué)輔助課件只能展示某幾種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，無(wú)法對(duì)所有實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行詳細(xì)介紹，因此教學(xué)課件演示實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性較低。所以在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，能夠有效提升電子儀器的測(cè)量精度與擴(kuò)展性。

3 虛擬儀器在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1 虛擬測(cè)量?jī)x器的構(gòu)成及發(fā)展

在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)的操作中，需要配備擬儀器、單級(jí)放大器、直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)源和液晶投影系統(tǒng)等硬件設(shè)施。虛擬測(cè)量?jī)x器主要包括硬件電子線路、計(jì)算機(jī)軟件、顯示器與虛擬旋鈕三部分組成。虛擬測(cè)量?jī)x器可以通過(guò)相應(yīng)的軟件算法，來(lái)完成對(duì)聲音和數(shù)字信號(hào)的處理活動(dòng)。虛擬測(cè)量?jī)x器能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子線路，在信號(hào)測(cè)量精度方面也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電子線路。而且在完成數(shù)字信號(hào)的處理后，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)中的顯示屏進(jìn)行數(shù)字與波形的顯示。因此虛擬儀器包含軟件測(cè)量、虛擬面板兩部分內(nèi)容，分別承擔(dān)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

虛擬儀器的電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括實(shí)驗(yàn)電路模塊、數(shù)據(jù)采集卡、電源和計(jì)算機(jī)。其中實(shí)驗(yàn)電路模塊中存在一個(gè)電路面包板，教師可以根據(jù)自身的教學(xué)需求，在電路面包板中組建相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)電路。而電路面包板又與數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)采集卡會(huì)將演示實(shí)驗(yàn)電路中的信息，傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有虛擬儀器軟件，其可以完成對(duì)電路中數(shù)字信號(hào)的測(cè)量活動(dòng)。在數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)處理完成后，計(jì)算機(jī)屏幕會(huì)在顯示板中給出最終的儀器測(cè)量信息。虛擬儀器的電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。

本文使用美國(guó)國(guó)家儀器公司生產(chǎn)的虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件，來(lái)構(gòu)建電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在LabVIEW程序開(kāi)發(fā)環(huán)境的前提下，數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件中整合了常用的實(shí)驗(yàn)儀器。其中最重要部分為用戶自定義工作臺(tái)，用戶可以對(duì)原型實(shí)驗(yàn)板中的信號(hào)連接器進(jìn)行自行配置。虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(cè)量示波器、NI ELVISmx波特圖分析儀和阻抗分析儀等，能夠?qū)π盘?hào)中存在的各種信息進(jìn)行分析；2）然后使用萬(wàn)用表電子測(cè)量?jī)x，對(duì)電路中的電阻、電壓、電容、電感和電流等進(jìn)行測(cè)量；3）任意波形發(fā)生器作為信號(hào)源的一種，其能夠根據(jù)使用者要求進(jìn)行測(cè)試信號(hào)的仿真，并將最終的信號(hào)信息提供給被測(cè)電路。信號(hào)發(fā)生器也能夠提供各種信號(hào)頻率和波形，還可以輸出輸出電平的電信號(hào)；4）數(shù)字I/O可在多個(gè)邏輯電平下采集和生成數(shù)字信號(hào)和模式，用戶可以通過(guò)數(shù)字I/O進(jìn)行電路特性分析和線路切換；5）虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的直流電源，可以通過(guò)相應(yīng)程序控制在+/-15V之間，還可以手動(dòng)調(diào)節(jié)可變電壓的參數(shù)。從以上虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件的功用分析中，可以得出：虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件是集多種電子測(cè)量?jī)x器與一體的系統(tǒng)，其能夠滿足電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)的課程要求。

除此之外，教師還可以在LabVIEW程序開(kāi)發(fā)環(huán)境中，進(jìn)行NI ELVIS原型實(shí)驗(yàn)板的功能擴(kuò)展。在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，需要將計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡，與虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件的工作面板進(jìn)行連接。然后在虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件的工作平臺(tái)中，進(jìn)行電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建，并使用計(jì)算機(jī)來(lái)控制各種操作指令。教師在進(jìn)行電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生能夠通過(guò)投影儀屏幕，來(lái)觀看教學(xué)的儀器操作流程，并記錄最終的演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于演示實(shí)驗(yàn)電路完全使用電子元器件建構(gòu)，因此虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件測(cè)量的真實(shí)性較高，最終演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較為客觀。

4 虛擬儀器的電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例分析

4.1 電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

本文主要以反相放大電路演示實(shí)驗(yàn)為基本內(nèi)容，向?qū)W生展示運(yùn)用虛擬儀器進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)流程。在反相放大電路演示實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，需要借助多媒體視頻向?qū)W生展示每個(gè)元器件，反相放大電路演示實(shí)驗(yàn)的元器件包含：R1（10kΩ電阻）、RF（100kΩ電阻）、單運(yùn)算放大器741和導(dǎo)線若干。之后教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件的電路構(gòu)建，電路構(gòu)建的過(guò)程也需要通過(guò)多媒體視頻進(jìn)行播放。反相放大電路演示實(shí)驗(yàn)電路圖如圖2所示：

從圖2中可以看出：FGEN FUNC OUT為整個(gè)電路提供輸入信號(hào)，所以要將電路導(dǎo)線接入虛擬信號(hào)發(fā)生器的工作臺(tái)，另一個(gè)導(dǎo)線要接入到虛擬信號(hào)發(fā)生器的GROUND。在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)的輸出端，則需要進(jìn)行ACHO、GROUND等引腳的連接。在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先應(yīng)該將虛擬信號(hào)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(lái)開(kāi)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(hào)源選擇”，調(diào)節(jié)為“ACHO”；將第二模擬通道的“觸發(fā)信號(hào)源選擇”，調(diào)節(jié)為“FGEN FUNC OUT”。在完成對(duì)兩個(gè)模擬通道的設(shè)置后，運(yùn)用第一模擬通道進(jìn)行輸出信號(hào)的檢測(cè)，運(yùn)用第二模擬通道進(jìn)行輸入信號(hào)的檢測(cè)。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(shí)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(guò)以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)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(duì)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(lái)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(jìn)行電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)，能夠大大減少各種測(cè)量?jī)x器的移動(dòng)工作量。同時(shí)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(hào)處理結(jié)果。教師在電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以將儀器操作流程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果投影到屏幕上，這能夠有效提升電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效率。

4.2 虛擬儀器存在的局限性

利用虛擬儀器進(jìn)行電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)，雖然能夠有效解決演示實(shí)驗(yàn)中的儀器測(cè)量、數(shù)據(jù)顯示問(wèn)題，但也存在著一定的局限性。在計(jì)算機(jī)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(wú)法完成信號(hào)波形與數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。而且在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸受阻的情況下，虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與信息顯示的響應(yīng)時(shí)間會(huì)明顯延后，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)主體需要對(duì)以上問(wèn)題引起注意。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了運(yùn)用虛擬儀器開(kāi)展的電子技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)。通過(guò)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(shí)驗(yàn)，并可以通過(guò)投影屏幕對(duì)儀器操作流程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行展示。因此虛擬儀器在數(shù)字電路測(cè)量、數(shù)字頻率、虛擬信號(hào)、波形函數(shù)等測(cè)量方面，具有廣泛的可行性與真實(shí)性。

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