虛擬儀器在“電子測量”課程教學中的實踐探析

冒莉

“電子測量”是理工科高職院校電類專業的一門基礎性課程，具有較強的理論性、實用性和工程實踐性，教學內容較為抽象，教學難度較大。教師只有帶領學生進行大量實踐測量，才能讓學生在熟練使用電子儀器的基礎上，加深對電路知識的理解。在課程教學中，教師可以嘗試通過引入虛擬儀器（NI-ELVIS II）實驗平臺來提高教學效果，增強師生、生生間的互動性，從而激發學生的學習興趣和創新意識，深化學生對實驗的理解，培養學生的工程意識和系統分析能力。

一、“電子測量”課程的現狀分析

“電子測量”是電類、測控類專業的基礎課，內容包含了各種電子測量儀器的使用和測量技術運用， 還包括測量誤差分析和數據處理分析。就電類專業來說，“電子測量”是“電路分析基礎”“模擬電子技術”“數字電子技術”“高頻電路”等課程的后續專業課。“電子測量”課程主要是對電子學中的各類信號進行測量、分析，重點培養學生的測量能力和分析能力。如今，隨著現代測量技術、通信技術的發展，傳統的電子測量儀器已經向智能化、復雜化的自動測試儀器和虛擬儀器等方向發展。同時，隨著測量工具和測量方法的變化，“電子測量”課程的教學方式也必然發生變化。本文就是結合新技術條件下，利用虛擬儀器在“電子測量”課程教學中的實踐，具體分析“電子測量”課程的教學，特別是虛擬儀器的運用。

二、虛擬儀器介紹——以NI-ELVIS II實驗平臺為例

虛擬儀器（Virtual Instrument），簡稱VI，它是以測量板塊為采樣點，通過計算機信號處理的信息采集和處理系統，利用虛擬儀器軟件的開發平臺在計算機上模擬出儀器的儀表面板和相應功能，采集的數據通過通信線在計算機上實現數據的顯示、存儲以及分析和處理。虛擬儀器強調軟件的作用，“軟件即是儀器”是虛擬儀器的核心概念（通信框圖如圖1所示：①為計算機;②為通信線;③NI-ELVIS II工作站（平臺）;④實驗電路面包板塊;⑤電源適配器;⑥電源線）。

我們采用的虛擬儀器是由美國國家儀器有限公司（Na-tional Instruments，簡稱 NI）生產的NI-ELVIS II（專門面向高校實驗室進行創新教學的解決平臺，在實驗教學領域得到廣泛的應用），是NI于2008年6月推出的一套虛擬儀器教學實驗套件，其硬件集成度很高，共集合了示波器、萬用表、函數信號發生器、阻抗分析儀等12種最常用實驗儀器（其外形如圖2所示）。此虛擬儀器主要由平臺和板卡兩部分組成，平臺上提供信號源、電源、儀器接口、萬用表接口等;上面是搭建電路的面包板，通過DIMM接口與平臺相連，實現搭建的實際電路與平臺通信，并通過平臺與電腦連接。

目前，很多高職院校使用的都是NI公司出品的電子仿真教學軟件Multisim，該軟件與NI-ELVIS II進行了完美對接，當學生使用Multisim進行電路仿真時，可在NI-ELVIS II平臺上直接進行測量，實現了實物圖、仿真圖、仿真數據與實測數據之間相互切換，提高了學生的使用效率，提高了實驗成功率，也減少了電子元器件的損耗。因此，利用NI-ELVIS II，結合Multisim軟件可以進行電路設計、數據分析、實測電路等一體化實驗流程。

三、基于NI-ELVIS II項目設計

數字萬用表、直流穩壓電源、函數信號發生器、雙蹤數字示波器是電子測量實驗中最常用的儀器設備，教師可以讓學生以固定偏置式放大電路為載體，綜合運用以上4種儀器，在應用電路的基礎上，學習、鞏固儀器的使用及電路知識。事實上，NI-ELVIS II虛擬儀器面板功能與真實儀器基本一樣，通過對虛擬儀器的學習與使用，學生在以后學習或工作中對真實儀器進行操作也會變得毫無障礙。以三極管放大電路測試為例，在三極管放大電路中完成靜態工作、放大倍數和波形的測量，需要使用到數字萬用表、數字示波器、函數信號發生器、電源等4類儀器。教師可通過電路的設計、仿真、測試等方面向學生闡述虛擬儀器在電子測量課程中的運用。下面介紹一下基于NI-ELVIS II虛擬儀器對放大電路的測試過程。

（一）分析載體電路，了解需要測試的數據，調整靜態工作點Q并確定測試點

NI公司把Multisim仿真軟件和NI-ELVIS II實驗平臺進行了完美結合，通過API，用戶可在Multisim內編寫的LabVIEW程序及仿真程序實現NI-ELVIS II工作站的自定義控制及訪問。下面我們利用Multisim仿真軟件進行原理圖繪制并分析電路原理圖及測試圖（如圖3所示）。由于我們主要目的是為了學習和使用儀器，因此選用了器件少、測試數據明確的固定式偏置放大電路作為載體。三極管放大電路通過對靜態工作點Q的設置，能完成小信號、無失真地放大。靜態工作點對放大器的性能和輸出波形都有很大影響。若靜態工作點偏高，放大器在加入交流信號后，其輸出波形易出現飽和失真;若靜態工作點偏低，則易出現截止失真。因此，靜態工作點設置的合適與否，放大器能否放大具有重要的意義。但在硬件實驗操作中，由于學生的失誤，常常觀察不到實驗結果，導致一部分學生會對實驗產生厭倦情緒。NI-ELVIS II實驗平臺結合Multisim仿真，學生可嘗試不同方式的布局、布線，在很大程度上保證了面包板搭建與原理圖設計間的同步，學生可以不斷地去嘗試，大大提高了實驗的效率，降低了器件的損耗。靜態工作點Q就是直流電路下的工作狀態，需要通過調整電路中的電位器R1，改變基極電流IB，因為IC=βIB，UCEQ=VCC-R3IC，通過調整R1來調整UCEQ，用數字萬用表對UCEQ進行測量觀察，調整到合適的位置，本電路選用的電源為8V，為保證信號不失真，可將Q點調整到中間（即4V）位置（圖4為靜態工作點Q調整測試圖）。

（二）軟件仿真，儀器講解

NI公司把NI-ELVIS II實驗平臺嵌入在Multisim軟件內，在Multisim軟件內新建的NI-ELVIS II工程文件繪制原理圖，并在基極加函數信號發生器、在集電極加直流穩壓電源，添加雙蹤示波器測量輸入輸出端的波形。LabVIEW數字萬用表測試面板如圖5所示，并調整數據到4V，第一排為功能選擇端，依次為直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流、電阻、電容、電感、二極管、蜂鳴器，第二排為模式和范圍，右邊是接線端子、設備選擇、獲取模式。

電源面板圖（如圖6）主要包括2路電源“Supply+”和“Supply-”，我們實驗時選擇“Supply+”;電源的范圍，我們選擇0-12V;電源的遞進電壓為0.25V;采集周期為1000ms。函數信號發生器面板（如圖7），波形設置主要有正弦波、三角波、矩形波，我們選擇最常用的正弦波，信號的頻率設置選擇1KHz，范圍為100Hz～11KHz，幅值（Amplitude）選擇30mV峰值，占空比50%。因此，雙蹤示波器面板（如圖8）通道選擇CH0，時間基準周期（timebase）選擇500us，電壓基準選擇輸入為10mV， 輸出1V，獲取方式一般有單次掃描和連續掃描兩種。

（三）交流信號數據測試和分析

測試數據分為仿真測試數據和實物測試數據，Multisim仿真和NI-ELVIS II實物測試波形可以在虛擬儀器上同步顯示，這也是NI-ELVIS II平臺的最大優勢，便于進行比較分析。在搭建實物電路圖時，我們選用的是9013三極管，放大倍數理論值是150左右，基極電阻是47K，電位器500K，集電極電阻是1K，耦合電容為100uF，電源選擇8V，輸入信號為30mV的正弦交流信號。實物搭建在NI-ELVIS II平臺面包板上，測試數據如圖9所示，虛線為放大電路的輸入、輸出仿真波形，有毛刺的為實物測試波形圖，上方波形為輸入信號，下方波形為輸出信號。通過比較可以發現，實測的放大倍數與仿真的放大倍數誤差比較小。由此可見，信號輸出符合我們的設計值，波形測試數據完整。

四、結語

在實驗教學中，我們利用 NI-ELVIS II虛擬儀器實驗平臺自帶的儀器和儀表、虛擬儀器的高仿真性、虛擬儀器的可調整性，以及豐富的用戶界面和強大的附加功能，實現了從電路理論到設計仿真、原型測量、比較、實現的無縫銜接，而且可以根據學生的興趣及創造性添加更多新的功能，讓理論學習與工程實現緊密地結合。同時，在實驗教學中引入NI-ELVIS II虛擬儀器實驗平臺可以方便實驗項目的更新，降低了購置實驗設施的成本，還可減小實驗測量過程中的人為誤差，提高了實驗測量的準確度，而且在收集數據上學生不用花費太多時間，使學生有更多的時間去思考，激發了學生自主學習的積極性，提高了學生動手實踐能力和創新意識。

（本文系無錫商業職業技術學院校級課題“基于LabVIEW的‘電子測量課程教學研究”階段性成果，項目編號：KJXJ18436）

（責編? 李光遠）