基于NIELVISII+的電路實驗虛實結合開展教學實踐

劉艷芳 楊文榮 商建鋒

（河北工業大學 電氣工程學院，天津 300130）

0 引言

中外合作辦學項目是河北工業大學引進國外優質教育資源，促進學生交流、師資交流、科研合作，提升國際化水平的有效手段。秉承開放辦學的理念，科學謀劃、穩步實施，全面推進合作辦學項目管理體系建設，注重項目內涵建設，突出規范辦學與特色辦學并重的管理模式，“國際視野+專業技能+外語能力”的辦學特色得到學生、家長和社會的廣泛認可。依托于電氣工程專業一流學科的優勢，中美電氣工程及其自動化專業的實驗教學具有更高的要求。因實驗教學的直觀性、實踐性和創新性，更需要高校教師積極探索創新實驗教學的新模式[1]。電路實驗作為學生接觸的第一門專業基礎實驗類課程，在培養學生的創新實踐能力方面尤其重要，課程組開展了基于NI ELVISII+平臺采用虛實結合的實驗教學改革與實踐。

1 虛實結合實驗教學的平臺基礎

NI ELVIS是美國國家儀器公司提出的一種全新的設計、測試及教學電路方法。NI ELVISII+設計與原型平臺是一款簡單、集成的系統。使用該系統可以有效地調動學生學習積極性，并且可以利用已廣泛應用于全球工業和研究院校中的NI LabVIEW圖形化系統，設計虛擬儀器技術動手學習課程。NI ELVISII+具有開放式的配置性能，可作為高性價比的、可拓展的教學和原型平臺。

NI ELVIS II+可以結合Multisim和LabVIEW共同設計實驗教學方案。Multisim提供直觀的電路設計和SPICE仿真環境，幫助學生探索電路原理，觀察電路行為。NIELVISII+具有3D原型化環境，可以幫助學生平滑地從軟件環境過渡到實驗室環境。使用NIELVIS II原型化平臺，學生可以在實驗室或者課外使用內建的虛擬儀器（如示波器、萬用表、可變電源、函數發生器等）快速并方便地開發他們自己的電路，并進行交互式地測試。LabVIEW和LabVIEW Signal Express環境可以提供直觀的界面來進行測量，幫助學生將他們的實驗測量數據與仿真數據在同一個界面中進行對比[2，3]。

2 電路實驗內容的設計

電路實驗有20個學時，根據電路理論課程的授課內容和實踐要求，共設計了8個實驗內容見表1，進行層次遞進的教學。

表1 電路實驗的內容

3 電路實驗教學模式設計

在實驗課堂中，教師在講解結束后給學生提供豐富的元件列表，學生進行電路設計、通過Multisim仿真調整電路及元件參數，然后在NI ELVISII+進行實物電路的搭建和調試，借助NI ELVIS Instrument Launcher的虛擬儀器可同時觀看到實測波形和仿真波形，并進行比較分析。

以“運算放大器的使用”實驗中同相比例放大器的內容為例說明虛實結合的電路實驗的教學過程。

3.1 電路原理圖

實驗電路如圖1所示，需要用到兩個LM471運放芯片，其中第一個運放芯片構成電壓跟隨器電路，第二個運放構成同向比例放大電路。放大倍數K的表達式為：

圖1 “運算放大器的使用”實驗電路圖

要求輸入信號頻率大于50 Hz，其余參數自由設置。

3.2 仿真電路設計

參照實驗電路圖1，創建NIELVISII+設計文件完成仿真電路的搭建，如圖2所示。設置電阻R1=1 kΩ，R2=10 kΩ，可計算放大倍數。

圖2 “運算放大器的使用”仿真電路圖

在工具欄中選取NI ELVISFunction Generator信號發生器作為信號的輸入，Oscilloscope示波器觀測波形，其中CH0接輸入信號，CH1接輸出信號，同時觀測輸入輸出的波形。

3.3 仿真波形特性分析

運行Multisim，打開信號發生器和示波器界面。正弦信號的峰峰值1V、頻率100 Hz，設置情況如圖3所示。

圖3 NI ELVISFunction Generator信號發生器仿真時的參數設置界面

示波器測量結果如圖4所示，同時勾選Simulated Data通道和Real Data通道，Instrument Control欄DEVICE上選擇Simulate NIELVISII+。CH0通道和CH1通道的幅度單位均為2V/每格，垂直高度均是0V。由于目前未進行實物電路的調試，所以只顯示仿真曲線即兩條穩定的正弦波形的虛線。CH0是紅色虛線，測得輸入信號的電壓峰峰值是0.998V；CH1是黑色虛線，測得輸出信號的電壓峰值是10.977V。可以看到輸入信號經過電路之后被放大，且放大倍數為10.998，和理論計算的放大倍數相符。

圖4 NI ELVISOscilloscope示波器仿真時的觀測波形

停止運行Multisim，仿真的結果將保留在示波器的界面上。

3.4 實物電路

實物電路材料清單如表2所示。

表2 實物電路材料清單

首先NI ELVISII+與計算機連接好并接通電源，在實驗原型板上搭建電路，實際電路如圖5所示。

圖5 實物電路圖

3.5 虛實對比測試

在實驗原型板上進行電路的虛實對比測試。在Function Generator信號發生器界面的Instrument Control選擇NI ELVIS II+，Signal Route選擇FGEN BNC，其他參數保持不變，點擊運行信號發生器。

圖6 NI ELVISFunction Generator信號發生器虛實對比測試時的參數設置界面

示波器面板的Instrument Control選擇NIELVISII+，通道CH0的垂直高度設置為3V，通道CH1的垂直高度設置為-1V；CH0通道和CH1通道的幅度單位均為2V/每格，點擊運行示波器。目前，在進行實物電路的測試，可以同時看到仿真的虛線和實際測得的實線。紅色實線（通道CH0）是輸入信號，電壓峰峰值是1.091V；黑色實線（通道CH1）是輸出信號，電壓峰值是11.881V，放大倍數為10.89，在可接受的范圍內。

圖7 NI ELVISOscilloscope示波器虛實對比測試時的觀測波形

4 結語

基于NI ELVISII+的電路實驗虛實結合的教學模式實現了虛擬電路仿真和實物電路調試的無縫銜接，學生在Multisim上進行仿真電路設計，隨后馬上就可以進行實物電路的搭建，將抽象的數據轉化為可以直接觀測、調試的實際電路，并進行交互式的測試，將實驗測量數據與仿真數據在同一個界面中進行對比。基于NI ELVISII+的電路實驗虛實結合的教學實踐能夠鍛煉學生獨立完成實驗的動手能力，培養學生自主學習的主動性，能夠有效培養其對知識的綜合應用能力和創新能力。