虛擬測試技術在電子測量實踐教學中的應用

馬慧娟 韓淼

摘要：隨著計算機技術、大規模集成電路和通信技術的飛速發展，尤其是測量信息論和系統論的不斷完善，電子測量技術領域發生了巨大的變化，從理論到手段、從思想到方法、從技術到儀器無不在經歷著一場浩大的變革。儀器的結構日趨復雜，導致專業的實驗室建設需要投放過高的費用，且損耗過大，幾年后就難以滿足基本的需求，而且普通院校很難滿足高端儀器的運用，這樣就導致學生沒有辦法體會到這些專業的設備。文章研究了虛擬測試技術在電子測量實踐教學中的應用，很好地解決了傳統教學模式的弊端。

關鍵詞：電子測量；虛擬測試技術；教學應用

“電子測量技術”是電子信息、通信技術、自動控制等專業的專業基礎課。它不但為適應今后生產和科研中將會遇到的大量現代測量業務進行必要的準備，也對加深對本專業其他課程尤其是實踐環節課程的理解有很好的作用。課程的目標是通過本課程的學習，使學生具有電子測量技術與儀器方面的基礎知識和實際應用能力，掌握常用電子測量儀器進行一般的電子產品的調試和檢驗。但是，興建一個功能齊備的測量實驗室在普通院校里很難實現，這樣就導致學生沒有辦法體會到這些專業的設備。

虛擬測試技術幫我們很好地解決了這個難題，隨著計算機技術的快速發展，利用計算機軟件進行的虛擬測試技術已經廣泛應用到電子測量技術的實踐教學中。采用計算機虛擬測試技術可以不受實驗設備和實驗時間的限制，彌補了實驗設備不全造成的影響。

1 Multisim仿真軟件中的虛擬儀器

1.1 Multisim仿真軟件簡介

Multisim是美國國家儀器推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模數電路板的設計工作。包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

它不僅可以用于實際工程的仿真，并且可以用于電子測量技術課程的輔助教學。一方面教師可以在理論課的講授過程中隨時隨地將實驗仿真的現象直觀地演示給學生看，另一方面學生可以很方便地把學到的理論知識進行仿真，真正地自己動手再現出來，這樣可以很好地提高學生的學習熱情和積極性。

1.2 Multisim中的虛擬儀器

可用于電子測量的軟件有很多，Multisim作為最流行的仿真軟件，擁有直觀的圖形界面、豐富的元器件和測試儀器、強大的仿真能力、詳細的電路分析功能，可以幫助用戶方便地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真，將學到的理論知識真實地展現出來。

對于電子測量技術課程的教學，一般高校電子測量實驗室都只能配備比較基礎的測量設備，不能滿足學生的需求。Multisim的儀表庫中可以提供22種虛擬儀表，教師就可以利用這些儀表，來模擬實驗室中沒有的電子設備，從而開闊學生的眼界，提高學生的積極性，達到提高教學效果的目的。

Multisim中的虛擬儀器儀表主要包括數字萬用表、函數發生器、示波器、邏輯轉換儀、邏輯分析儀、頻譜分析儀、波特圖示儀等[1]。

2 波特圖示儀在電子測量技術教學中的應用實例

電子測量技術實驗教學內容較多，現以波特圖示儀為例說明虛擬測試技術在實踐教學中的優勢。

2.1 波特圖示儀的設置與使用

波特圖示儀也稱為掃頻儀，用來測量和顯示電路或系統的幅頻特性與相頻特性，常用于對濾波電路進行分析。它有兩組端子，分別是IN和OUT端子，每組端子分別有“+”和“一 ”兩個接線柱[2]。

波特圖示儀面板分為Mode區、Horizontal區、Vertical區和Control區4個部分，如圖1所示。模式區用于設置屏幕中內容的顯示類型；水平區用于設置信號曲線的水平坐標，當測量信號的頻率范圍比較寬時，使用Log顯示，所得的曲線較為直觀。垂直區用于設置信號曲線的垂直坐標，當測量相頻特性時，Y軸表示相位，單位為dB，通常采用線性刻度；控制區用于設置面板的相關參數。此外，移動波特圖示儀的垂直游標可以得到頻率相對應的電壓比的大小或相位的度數[3]。

2.2 波特圖示儀的應用實例

以濾波器電路為例測量其幅頻特性和相頻特性。具體步驟如下。

（1）建立濾波器仿真電路，如圖2所示。注意在電路的輸入端接入AC信號源，對其頻率的設定并無特殊的要求。

（2）運行仿真，設置水平區和垂直區的初始值I和最終值F，設置水平區F為10 MHz，I為20 Hz，設置垂直區F為10dB，I為-50dB。

（3）觀察并記錄濾波器幅頻特性曲線和相頻特性曲線。使用垂直游標可以讀出某一頻率上的幅值和相位。

2.3 虛擬測試技術在實踐教學中的優勢

在利用波特圖示儀來測量濾波器的幅頻特性和相頻特性曲線中，利用Multisim豐富的虛擬儀器，便于觀察所設計的電路的工作情況及參數分析。電路中使用的AC交流信號源、直流電源、電容、電阻等元器件數值準確，避免了在實際硬件操作中元器件的標稱值和實際值不相等的問題。可以排除此部分的誤差，更好地分析電路的特性。

學生在傳統實驗室里，用實物做實驗時，對接線的要求非常嚴格，萬一接錯線可能會燒壞元件甚至燒壞儀表，這樣的話不僅造成實驗材料的浪費而且還有一定的危險性。同時也會打擊學生的自信心，使得學生不敢大膽地去嘗試。而將Multisim引入教學，卻可以把電路圖故意接錯，人為地、有目的性地去設置一些故障，比如短路、斷路、漏電等，進行故障仿真時，會出現故障提示，這時教師再去引導和解釋，會給學生留下深刻的印象，從而更好地去理解和掌握所學的理論知識。并且在以后的實際操作中會大大減少接線錯誤，在訓練學生掌握正確的測量方法和熟練使用儀器方面都有明顯的改善和提高，這是傳統教學所不能比擬的優越性[4]。

3 結語

在電子測量的教學過程中，不僅要使學生掌握最基本的測量理論，更重要的是學會常用儀器的工作原理以及使用方法。因此，電子測量的實踐教學占有舉足輕重的地位，只有通過實踐，學生才能夠掌握一些經典的測量方法和常用儀器的使用方法，為今后從事測量技術工作打下良好的基礎。

將Multisim軟件引入電子測量技術的實踐教學中，為學生提供一種可供他們體驗和觀測的環境，其建構出的逼真情境，生動地再現真實，讓學生身臨其境，記憶猶新。但是，我們也應看到在傳統實驗中培養學生動手能力的重要性，電路的連接和調試，這些實際操作是軟件無法實現的。因此，應取長補短，將虛擬測試技術和傳統實驗相結合，達到最佳教學效果。

[參考文獻]

[1]吳福高，張明增.Multisim電路仿真及應用[M].北京：航空工業出版社，2015.

[2]詹惠琴，古天祥，習友寶，等.電子測量原理[M].北京：機械工業出版社，2016.

[3]楊德，沈俊霞.MULTISIM仿真軟件在電子測量課程中的應用[J].運程學院學報，2012（2）：41-43.

[4]王槐生，李娟娟.虛擬儀器在“電子測量技術”教學中的改革與應用[J].中國電力教育，2011（11）：107-108.