虛擬儀器在“電子測(cè)量”課程教學(xué)中的實(shí)踐探析

冒莉

“電子測(cè)量”是理工科高職院校電類專業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)性課程，具有較強(qiáng)的理論性、實(shí)用性和工程實(shí)踐性，教學(xué)內(nèi)容較為抽象，教學(xué)難度較大。教師只有帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行大量實(shí)踐測(cè)量，才能讓學(xué)生在熟練使用電子儀器的基礎(chǔ)上，加深對(duì)電路知識(shí)的理解。在課程教學(xué)中，教師可以嘗試通過(guò)引入虛擬儀器（NI-ELVIS II）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)提高教學(xué)效果，增強(qiáng)師生、生生間的互動(dòng)性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，深化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和系統(tǒng)分析能力。

一、“電子測(cè)量”課程的現(xiàn)狀分析

“電子測(cè)量”是電類、測(cè)控類專業(yè)的基礎(chǔ)課，內(nèi)容包含了各種電子測(cè)量?jī)x器的使用和測(cè)量技術(shù)運(yùn)用， 還包括測(cè)量誤差分析和數(shù)據(jù)處理分析。就電類專業(yè)來(lái)說(shuō)，“電子測(cè)量”是“電路分析基礎(chǔ)”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“高頻電路”等課程的后續(xù)專業(yè)課?！半娮訙y(cè)量”課程主要是對(duì)電子學(xué)中的各類信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、分析，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的測(cè)量能力和分析能力。如今，隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器已經(jīng)向智能化、復(fù)雜化的自動(dòng)測(cè)試儀器和虛擬儀器等方向發(fā)展。同時(shí)，隨著測(cè)量工具和測(cè)量方法的變化，“電子測(cè)量”課程的教學(xué)方式也必然發(fā)生變化。本文就是結(jié)合新技術(shù)條件下，利用虛擬儀器在“電子測(cè)量”課程教學(xué)中的實(shí)踐，具體分析“電子測(cè)量”課程的教學(xué)，特別是虛擬儀器的運(yùn)用。

二、虛擬儀器介紹——以NI-ELVIS II實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例

虛擬儀器（Virtual Instrument），簡(jiǎn)稱VI，它是以測(cè)量板塊為采樣點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)信號(hào)處理的信息采集和處理系統(tǒng)，利用虛擬儀器軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)上模擬出儀器的儀表面板和相應(yīng)功能，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通信線在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析和處理。虛擬儀器強(qiáng)調(diào)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(jì)算機(jī);②為通信線;③NI-ELVIS II工作站（平臺(tái)）;④實(shí)驗(yàn)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(guó)國(guó)家儀器有限公司（Na-tional Instruments，簡(jiǎn)稱 NI）生產(chǎn)的NI-ELVIS II（專門(mén)面向高校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行創(chuàng)新教學(xué)的解決平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用），是NI于2008年6月推出的一套虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件，其硬件集成度很高，共集合了示波器、萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、阻抗分析儀等12種最常用實(shí)驗(yàn)儀器（其外形如圖2所示）。此虛擬儀器主要由平臺(tái)和板卡兩部分組成，平臺(tái)上提供信號(hào)源、電源、儀器接口、萬(wàn)用表接口等;上面是搭建電路的面包板，通過(guò)DIMM接口與平臺(tái)相連，實(shí)現(xiàn)搭建的實(shí)際電路與平臺(tái)通信，并通過(guò)平臺(tái)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(xué)軟件Multisim，該軟件與NI-ELVIS II進(jìn)行了完美對(duì)接，當(dāng)學(xué)生使用Multisim進(jìn)行電路仿真時(shí)，可在NI-ELVIS II平臺(tái)上直接進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了實(shí)物圖、仿真圖、仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間相互切換，提高了學(xué)生的使用效率，提高了實(shí)驗(yàn)成功率，也減少了電子元器件的損耗。因此，利用NI-ELVIS II，結(jié)合Multisim軟件可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、實(shí)測(cè)電路等一體化實(shí)驗(yàn)流程。

三、基于NI-ELVIS II項(xiàng)目設(shè)計(jì)

數(shù)字萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤數(shù)字示波器是電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)中最常用的儀器設(shè)備，教師可以讓學(xué)生以固定偏置式放大電路為載體，綜合運(yùn)用以上4種儀器，在應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)、鞏固儀器的使用及電路知識(shí)。事實(shí)上，NI-ELVIS II虛擬儀器面板功能與真實(shí)儀器基本一樣，通過(guò)對(duì)虛擬儀器的學(xué)習(xí)與使用，學(xué)生在以后學(xué)習(xí)或工作中對(duì)真實(shí)儀器進(jìn)行操作也會(huì)變得毫無(wú)障礙。以三極管放大電路測(cè)試為例，在三極管放大電路中完成靜態(tài)工作、放大倍數(shù)和波形的測(cè)量，需要使用到數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、電源等4類儀器。教師可通過(guò)電路的設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試等方面向?qū)W生闡述虛擬儀器在電子測(cè)量課程中的運(yùn)用。下面介紹一下基于NI-ELVIS II虛擬儀器對(duì)放大電路的測(cè)試過(guò)程。

（一）分析載體電路，了解需要測(cè)試的數(shù)據(jù)，調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)Q并確定測(cè)試點(diǎn)

NI公司把Multisim仿真軟件和NI-ELVIS II實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了完美結(jié)合，通過(guò)API，用戶可在Multisim內(nèi)編寫(xiě)的LabVIEW程序及仿真程序?qū)崿F(xiàn)NI-ELVIS II工作站的自定義控制及訪問(wèn)。下面我們利用Multisim仿真軟件進(jìn)行原理圖繪制并分析電路原理圖及測(cè)試圖（如圖3所示）。由于我們主要目的是為了學(xué)習(xí)和使用儀器，因此選用了器件少、測(cè)試數(shù)據(jù)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(guò)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)Q的設(shè)置，能完成小信號(hào)、無(wú)失真地放大。靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大器的性能和輸出波形都有很大影響。若靜態(tài)工作點(diǎn)偏高，放大器在加入交流信號(hào)后，其輸出波形易出現(xiàn)飽和失真;若靜態(tài)工作點(diǎn)偏低，則易出現(xiàn)截止失真。因此，靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)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(shí)驗(yàn)操作中，由于學(xué)生的失誤，常常觀察不到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致一部分學(xué)生會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生厭倦情緒。NI-ELVIS II實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合Multisim仿真，學(xué)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(shè)計(jì)間的同步，學(xué)生可以不斷地去嘗試，大大提高了實(shí)驗(yàn)的效率，降低了器件的損耗。靜態(tài)工作點(diǎn)Q就是直流電路下的工作狀態(tài)，需要通過(guò)調(diào)整電路中的電位器R1，改變基極電流IB，因?yàn)镮C=βIB，UCEQ=VCC-R3IC，通過(guò)調(diào)整R1來(lái)調(diào)整UCEQ，用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)UCEQ進(jìn)行測(cè)量觀察，調(diào)整到合適的位置，本電路選用的電源為8V，為保證信號(hào)不失真，可將Q點(diǎn)調(diào)整到中間（即4V）位置（圖4為靜態(tài)工作點(diǎn)Q調(diào)整測(cè)試圖）。

（二）軟件仿真，儀器講解

NI公司把NI-ELVIS II實(shí)驗(yàn)平臺(tái)嵌入在Multisim軟件內(nèi)，在Multisim軟件內(nèi)新建的NI-ELVIS II工程文件繪制原理圖，并在基極加函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、在集電極加直流穩(wěn)壓電源，添加雙蹤示波器測(cè)量輸入輸出端的波形。LabVIEW數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試面板如圖5所示，并調(diào)整數(shù)據(jù)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(shè)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(shí)驗(yàn)時(shí)選擇“Supply+”;電源的范圍，我們選擇0-12V;電源的遞進(jìn)電壓為0.25V;采集周期為1000ms。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器面板（如圖7），波形設(shè)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(hào)的頻率設(shè)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(shí)間基準(zhǔn)周期（timebase）選擇500us，電壓基準(zhǔn)選擇輸入為10mV， 輸出1V，獲取方式一般有單次掃描和連續(xù)掃描兩種。

（三）交流信號(hào)數(shù)據(jù)測(cè)試和分析

測(cè)試數(shù)據(jù)分為仿真測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)，Multisim仿真和NI-ELVIS II實(shí)物測(cè)試波形可以在虛擬儀器上同步顯示，這也是NI-ELVIS II平臺(tái)的最大優(yōu)勢(shì)，便于進(jìn)行比較分析。在搭建實(shí)物電路圖時(shí)，我們選用的是9013三極管，放大倍數(shù)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(hào)為30mV的正弦交流信號(hào)。實(shí)物搭建在NI-ELVIS II平臺(tái)面包板上，測(cè)試數(shù)據(jù)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(shí)物測(cè)試波形圖，上方波形為輸入信號(hào)，下方波形為輸出信號(hào)。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)的放大倍數(shù)與仿真的放大倍數(shù)誤差比較小。由此可見(jiàn)，信號(hào)輸出符合我們的設(shè)計(jì)值，波形測(cè)試數(shù)據(jù)完整。

四、結(jié)語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們利用 NI-ELVIS II虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自帶的儀器和儀表、虛擬儀器的高仿真性、虛擬儀器的可調(diào)整性，以及豐富的用戶界面和強(qiáng)大的附加功能，實(shí)現(xiàn)了從電路理論到設(shè)計(jì)仿真、原型測(cè)量、比較、實(shí)現(xiàn)的無(wú)縫銜接，而且可以根據(jù)學(xué)生的興趣及創(chuàng)造性添加更多新的功能，讓理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)現(xiàn)緊密地結(jié)合。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入NI-ELVIS II虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以方便實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的更新，降低了購(gòu)置實(shí)驗(yàn)設(shè)施的成本，還可減小實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中的人為誤差，提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確度，而且在收集數(shù)據(jù)上學(xué)生不用花費(fèi)太多時(shí)間，使學(xué)生有更多的時(shí)間去思考，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。

（本文系無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題“基于LabVIEW的‘電子測(cè)量課程教學(xué)研究”階段性成果，項(xiàng)目編號(hào)：KJXJ18436）

（責(zé)編? 李光遠(yuǎn)）