NI ELVIS在模擬電子技術教學中的應用

鐘兆根 孫雪麗 張亞周 金堃

摘 ?要 針對模擬電子技術課程在教學環節存在的問題，將NI ELVIS引入實驗教學過程，虛實結合，“軟”“硬”兼顧，以此來充分調動學生學習的積極性和能動性，有效提升學生的實踐能力和設計水平，全面提高學生綜合運用所學知識的素質和能力。

關鍵詞 模擬電子技術;虛擬儀器;NI ELVIS;Multisim

中圖分類號：G642 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）14-0031-03

Abstract Against problems existed in teaching of analog electronics?teaching， NI ELVIS was introduced into the classroom， which com-bined virtual and real equipment， and considered both software and?hardware. aiming at motivating the students enthusiasm and initia-tives， and promoting their enthusiasm and practical， as well. Thus， we hoped to fully improve the students qualities and abilities in using the knowledge theyve learnt.

Key words simulation electronic technology; virtual equipment; NI ELVIS; Multisim

1 引言

隨著近年來電子技術、計算機技術和網絡技術的飛速發展，模擬電子技術課程已逐漸成為工程類專業學生的必修課程。該課程是在學習了工程數學、大學物理、電路等課程的基礎上進行教學的，也是學生進行后續專業課程學習的第一站，具有承上啟下的重要作用。通過該課程的學習，學生獲得模擬電子技術方面的基本理論、基本知識和分析方法，培養思考問題、分析問題、解決問題的基本能力，為后續的學習、研究打下基礎。

模擬電子技術課程以基本放大電路、集成運算放大電路、信號的運算和處理等作為基本內容，具有較強的理論性、應用性和工程實踐性等特征。該課程的根本目的在于培養學生分析和解決問題的專業素質及能力，在綜合運用所學知識的基礎上進行具體模擬電子電路的分析，為學生將來能夠綜合運用所學知識解決工程實踐問題打下良好的基礎。因此，優化該課程的實踐教學環節，對提高課程教學質量至關重要，對提高學生基礎科學素養、培養創新意識和實踐操作能力等具有非常突出的價值和意義。

模擬電子技術課程內容抽象、公式多、計算多、電路種類復雜多樣，學生在學習過程中明顯感覺吃力，不容易理解。當前，模擬電子技術課程中主要存在下面一些問題。

1）若采用板書繪圖講解，對教員的繪圖能力要求較高，課上耗時較多，教學效率較低。

2）若采用PPT作為輔助工具進行講解，教學效率提升，但學生印象不深刻，轉眼既忘。

3）若理論講授與實驗相結合，一方面可以讓學生很直觀地觀察到實驗現象，加深印象;另一方面，對照實際電路進行講解，使抽象的理論公式對應到每一個電路中去，學生理解更加深刻。但是，模擬電子技術實驗多采用傳統的集成實驗箱進行，需要外加信號發生器、示波器、電源等設備，既不便于攜帶，又會降低效率。

NI ELVIS可以解決上述難題，不僅能提供吸引人的、親手實踐的體驗，還在理論與原型之間起到了橋梁的作用。

2 NI ELVIS和Multisim簡介

NI ELVIS ?NI ELVIS是由美國NI公司開發的一套集成了示波器、函數發生器、數字萬用表等12款最常用虛擬儀器套件的軟硬件相結合的教學實驗平臺，中間的面包板可以由使用者自主設計電路。NI ELVIS具有以下幾個特點。

1）NI ELVIS基于NI LabVIEW的圖形化系統設計軟件，具備虛擬儀器技術的靈活性及自定義功能，適用于電路設計、儀器控制和無線通信等多種教學場合[1]。NI ELVIS作為NI電子教育平臺中的重要組成部分，其套件中包含示波器、信號發生器等12款最常用儀器，使用者能夠簡單、快速地實現所需的各種實驗信號、信號測量等。通過與NI Multisim仿真軟件相結合，可以實現NI ELVIS板載電路的測量及仿真，實現仿真與原型的平滑無縫轉換。

2）NI ELVIS提供了即插即用功能，通過USB線與計算機連接，只需要在計算機中安裝NI ELVIS，提高了NI ELVIS的便攜性，方便帶入課堂，并且大大縮短了故障排除時間。通過NI ELVIS平臺上安裝的NI ELVISmx驅動及NI ELVISmxInstrument Launcher軟件，用戶可以對全部12款儀器進行快速連接和配置[2]。此外，通過NI ELVIS與Multisim的集成，用戶可在Multisim中使用NI ELVIS虛擬儀器來設計電路，并且以3D仿真的方式在NI ELVIS開發板上予以實現。

Multisim ?Multisim是一款通過SPICE實現仿真、設計及驗證電路的軟件包，專門用于電子線路計算機輔助分析和設計。它基于元器件庫，以圖形方式創建電路并直接調用和修改元器件及參數，完成從電路仿真設計到電路版圖生成的全過程，操作方便、界面形象[3]，實現了“軟件即元器件”“軟件即儀器”。通過輕易地繪制出一些常用Multisim電路，可以讓學生在仿真環境下學習書本上的理論知識，并觀察預期的理論結果。而且學生可以邊設計邊實驗，修改調試方便。在仿真結束后，學生還可以在NI ELVIS平臺上做電路原型設計，并同仿真測量數據項對比，從而拓展仿真經驗。

3 應用舉例

本節以電壓比較器為例，探討NI ELVIS在模擬電子電路實踐教學中的具體應用。電壓比較器是集成運放在非線性區的典型應用，對輸入信號進行鑒幅與比較的電路，在測量和控制中有著相當廣泛的應用。而單門限電壓比較器和滯回電壓比較器作為典型的電壓比較器電路，被廣泛應用于各種電子線路系統之中。電壓比較器可采用LM324集成運放進行電路搭建，涉及集成運放的電壓傳輸特性、放大電路中的反饋與波形轉換等多個問題，能夠很好地鍛煉學生的綜合分析能力。

集成運放在開環狀態下工作，便可構成單門限電壓比較器;若電路中存在正反饋，則可構成滯回電壓比較器。可先利用Multisim軟件搭建電路進行軟件仿真，驗證所設計電路的正確性，如圖1和圖2所示。基于Multisim功能強大的元器件庫，可以在仿真過程中任意選擇元器件而不受其來源上的限制，并且降低元器件的損耗率。并且可以多次反復驗證不同的搭建方式，直至完成電路設計的全部任務。在整個過程中，所有操作都在軟件中進行，在出現問題時也便于查找原因并進行修改，省時、省力、高效。

在通過Multisim完成虛擬仿真實驗后，再到NI ELVIS面板上進行相應電路的搭建，將單門限電壓比較器電路和滯回電壓比較器電路搭建到一塊面包板上，共用一片LM324，一方面節約教學資源，另一方面便于學生對比和分析。搭建電路如圖3所示，只用了其中的一個集成運放，就構建了這樣一個單門限電壓比較器。這是構建的電路實物圖，其中信號從橘色線輸入，由綠色線輸出。

利用NI ELVIS任意波形發生器導入無噪聲信號和帶噪聲信號作為兩種電壓比較器的待變換的輸入信號，如圖4所示。將輸入信號經過一根USB線連接至搭建電路的輸入端，并通過虛擬示波器進行。待變換信號在電路板上允許之后，并將輸出結果送回計算機，在虛擬示波器中進行顯示，這樣通過虛擬示波器的兩個通道可以清楚看到兩種電壓比較器波形變換效果的對比，如圖5-a和圖5-b所示。

4 結語

通過在仿真測試完成后再進行實際電路的搭建，大大提高了電路調試的成功率，縮短了調試時間，并且顯著降低了實驗室的器材損耗。同時，這種方式也在很大程度上鍛煉了學生的思考和動手能力，激發了他們對實驗課的興趣。在實驗課程教學的具體實踐中，學生普遍反映良好，實驗教學效果得到明顯增強。

參考文獻

[1]王冠華，吳永佩.ELVIS電路原型設計及測試[M].北京：國防工業出版社，2013.

[2]NI公司.什么是NI ELVIS？[EB/OL].https：//www.ni.com/zh-cn/shop/engineering-education/engineering-lab-stations/ni-elvis-engineering-lab-workstation/what-is-ni-elvis.html.

[3]聶典，李北雁，聶夢晨，等.Multisim 12仿真設計[M].北京：電子工業出版社，2016.