電子技術(shù)實驗?zāi)K設(shè)計中NI ELVIS的應(yīng)用

齊齊哈爾工程學(xué)院 張 磊

本文以基于NI ELVIS電子技術(shù)實驗?zāi)K的設(shè)計應(yīng)用為研究對象，首先對不同類型的電子技術(shù)實驗進行了簡單的介紹與分析，隨后探討了基于NI ELVIS的模擬電子技術(shù)實驗?zāi)K設(shè)計應(yīng)用，最后針對數(shù)字電子技術(shù)實驗?zāi)K，提出了基于NI ELVIS平臺的設(shè)計應(yīng)用措施，希望能夠為相關(guān)研究提供一定參考。

傳統(tǒng)電子技術(shù)實驗較為復(fù)雜，學(xué)生在實驗過程中，常會因為接線錯誤或其他原因?qū)е聦W(xué)生精力被分散，難以專注于實驗本身的研究。因此，通過在NI ELVIS平臺之上，做好電子技術(shù)實驗?zāi)K的設(shè)計應(yīng)用，能夠有效解決這一問題，讓學(xué)生專心進行實驗操作，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力與實踐能力，從根本上提升實驗教學(xué)效果。

1 不同類型的電子技術(shù)實驗概述

當前，在高等教育實驗教學(xué)中，電子技術(shù)實驗教學(xué)發(fā)展已經(jīng)日趨完善，并且已經(jīng)形成了一個完善的實驗項目體系，這些實驗教學(xué)本身有著較強針對性，且層次分明，能夠呈現(xiàn)豐富的知識，已經(jīng)在很多高校中得到了良好的應(yīng)用。學(xué)生通過參與這些實驗，在教師引導(dǎo)下，能夠鍛煉自己的動手實踐能力，加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

按照知識點綜合程度這一標準，我們可以將電子技術(shù)實驗項目分為以下四種類型：

一是基本技能型實驗。這種實驗整體操作相對簡單，包含內(nèi)容也并不復(fù)雜，主要目的是讓學(xué)生在參與實驗的過程中，掌握一些實驗電子儀器的用法。在高校中，比較常用的電子實驗儀器有很多，比如：雙蹤數(shù)字示波器、信號發(fā)生器、晶體管測試儀等，這些儀器均有專門針對性基本技能實驗；此外，在基本技能型實驗的幫助下，學(xué)生還能夠了解識別基本的電子元器件，比如：電容、電感、半導(dǎo)體器件等，并認識到不同實驗項目設(shè)計的實驗?zāi)K。

二是驗證型實驗。這種類型的電子技術(shù)實驗與理論教學(xué)內(nèi)容有著非常緊密的聯(lián)系，通常需要學(xué)生通過操作相關(guān)的實驗，來驗證所學(xué)的一些理論知識的正確性；在這一過程中，進一步加深對實驗儀器儀表操作的了解與熟悉；同時，對于理論知識理解也會更加深刻，在此過程中，學(xué)生還可學(xué)習(xí)如何進行數(shù)據(jù)的測試與處理。

三是綜合型實驗。在這種類型的實驗中，涉及到的內(nèi)容通常具有綜合性、復(fù)雜性特點，要求學(xué)生將不同知識點融合在一起，才能順利完成電子技術(shù)實驗的操作。一般只有在學(xué)生經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)后，才能有機會接觸到這類實驗。通過該類型實驗，能夠有效檢驗學(xué)生對知識綜合應(yīng)用及分析的能力。對于綜合實驗而言，本身開放性更強，耗費時間更久，期間需要學(xué)生自主進行相關(guān)資料查找，做好實驗數(shù)據(jù)的處理，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力與獨立工作能力。

四是設(shè)計型實驗。相較于綜合性實驗，設(shè)計型實驗開放性更強，通常由教師給定實驗任務(wù)的要求與條件，學(xué)生自主進行實驗方案的設(shè)計，并最終通過實驗完成教師布置的任務(wù)。在整個實驗過程中，學(xué)生有著非常大的自主性，需要學(xué)生綜合應(yīng)用各學(xué)科知識，尋找實驗核心原理，自主確定實驗材料、實驗所需的儀器設(shè)備、實驗發(fā)生條件等，并以此為依據(jù)，完成實驗方案設(shè)計，最終達到實驗?zāi)康?。這對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力、獨立解決問題能力有著較為積極的影響。

綜上，通過上述四種類型的電子技術(shù)實驗我們能夠認識到，這些實驗本身有著不同的目的，在對學(xué)生能力培養(yǎng)方面也有著較強的針對性，能逐步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握更深層次的知識與操作技巧，提高學(xué)生綜合素質(zhì)?；诖耍ㄟ^結(jié)合上述四個類型的電子技術(shù)實驗項目，做好針對性實驗?zāi)K的設(shè)計與應(yīng)用；在此基礎(chǔ)上，再進一步整合不同實驗?zāi)K，使其形成一個完整有價值的實驗系統(tǒng)，能夠讓學(xué)生的實踐能力得到有效培養(yǎng)，并真正應(yīng)用于未來工作實踐中去。

2 基于NI ELVIS的模擬電子技術(shù)實驗?zāi)K設(shè)計應(yīng)用

驗證型實驗是模擬電子技術(shù)實驗的一項比較經(jīng)典的實驗項目，該實驗項目包含諸多內(nèi)容，常見的有單級晶體管共射極放大電路、功率放大電路等。在當前的模擬電子技術(shù)理論教學(xué)中，上述實驗項目均囊括了很多典型的應(yīng)用知識點，使學(xué)生對理論知識的理解有重要的幫助。實驗項目要求學(xué)生以相關(guān)原理圖為依據(jù)，選擇在實驗室的實驗箱或面包板之上，自主搭建相應(yīng)的電路，并做好電路試運行，分析電路運行結(jié)果。在實驗開展過程中，學(xué)生也會遇到一些問題，多是因為沒有正確進行插線連接所引發(fā)。若電路的干路連線比較復(fù)雜，比如：多級阻容耦合放大電路便是其中典型代表。針對該電路，僅依靠學(xué)生自身，雖大量耗時也很難及時發(fā)現(xiàn)錯誤的連線，因此會給學(xué)生帶來挫敗感。為避免出現(xiàn)這類問題，在實際進行實驗?zāi)K設(shè)計時，針對連線電路，需要制成印制電路板形式，讓學(xué)生可以直接將元器件安放在模塊上。在實際進行電路測試時，針對線路連接，能夠借助跳線帽來完成，保證線路連接的正確性。

例如：針對某兩級放大電路實驗?zāi)K設(shè)計中，根據(jù)該電路原理圖元器件排列，設(shè)計的模塊會與之一一對應(yīng)，學(xué)生在實際進行實驗操作時，只需要將元器件插入相應(yīng)位置；在PCB板之上，可以利用走銅線，提前將不同元器件準確連接在一起。在實際測試時，由于設(shè)置有專門測試點，然后通過導(dǎo)線引出接入ELVIS原型板之中，即可在測試點之上完成測量工作。如果電路需要依次測量，在實際進行模塊設(shè)計中，引入了插針元件，該元件的默認狀態(tài)是斷開狀態(tài)，只需要安插上短接帽，即可處于連接狀態(tài)。仍以兩級放大電路為例，針對第一級放大電路靜態(tài)工作點，在實際調(diào)試過程中，可以將插針默認斷開進行測試，如果需要兩級放大，只需要在測試點安插上短接帽，即可使得電路處于連接狀態(tài)。這種實驗?zāi)K的設(shè)計，能夠減輕學(xué)生實驗壓力，讓學(xué)生能夠?qū)Ｐ姆治鰧嶒炘砗徒Y(jié)果。

針對功率放大電路的實驗項目模塊，還可以按照實驗?zāi)K上的電路，分步驟做好元器件的安插，第一步能夠讓學(xué)生觀察雙電源互補對稱電路的交越失真程度；第二步能夠組成偏置電路，從而有效緩解電路交越失真的問題；在此過程中，通過在電路中引入二極管，能夠為三極管提供合適的偏壓，使其處于微導(dǎo)通狀態(tài)，如此一來，學(xué)生能夠?qū)Ω纳坪蟮慕辉绞д媲闆r進行全面了解；第三步還可以在模塊上引入自舉電路，電路有相應(yīng)元器件組成，從而促使功率放大電路的特點得到彰顯，還能夠逐步展示不同操作下的器件組成原理，并讓學(xué)生對相應(yīng)原理有全面的認知。在此基礎(chǔ)上，還能夠進行波形對比輸出，進一步加深學(xué)生印象，能夠有效改善以往電路連線錯誤帶來的問題，充分發(fā)揮實驗的價值。

3 基于NI ELVIS的數(shù)字電子技術(shù)實驗?zāi)K設(shè)計應(yīng)用

從當下高校開展的數(shù)字電子技術(shù)實驗現(xiàn)狀來看，采用的數(shù)字集成芯片規(guī)模均較小，難以滿足實際實驗需求。比如：想要完成一個規(guī)模相對較大的綜合型數(shù)字電路實驗，通常需要多個通用集成芯片，不僅效率低下，而且在實際應(yīng)用中，這些芯片應(yīng)用已經(jīng)越來越少，無法起到鍛煉學(xué)生能力的作用?；诖?，在現(xiàn)有數(shù)字電子技術(shù)實驗?zāi)K設(shè)計應(yīng)用中，應(yīng)積極引入一些先進的器件與技術(shù)。比如可以引入可編程邏輯器件，從而讓學(xué)生能夠?qū)W到更多貼合實際的知識與技術(shù)。對于通用型中小規(guī)模集成電路而言，雖然在理論上也能夠組成較為復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，但在實際操作上可行性不佳，因為在面包板之上進行電路搭建時，容易出現(xiàn)線路接觸不良問題，且問題原因多種多樣，學(xué)生很難在短時間內(nèi)找出解決的方法，容易打擊學(xué)生開展實驗的積極性。為解決這一問題，可以在實驗?zāi)K設(shè)計中，引入可編程邏輯器件（CPLD），設(shè)計人員能夠在相應(yīng)軟硬件環(huán)境的幫助下，自主完成芯片的功能定義。學(xué)生也能夠在此過程中完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計輸入、編譯、優(yōu)化、仿真、下載、執(zhí)行等，可有效實現(xiàn)學(xué)生實踐操作能力的培養(yǎng)。對于CPLD實驗內(nèi)容設(shè)計而言，能夠給予學(xué)生更大的自主探索空間，不會讓學(xué)生局限于理論，僅僅對相關(guān)原理進行驗證，而是能夠引導(dǎo)學(xué)生從全局入手，了解一個完整數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計，并且在其中能夠有機會應(yīng)用新興的技術(shù)，提高學(xué)生實踐能力。

對于綜合性和設(shè)計性較強的數(shù)字電子技術(shù)實驗?zāi)K設(shè)計來說，需要做好CPLD數(shù)字電路實驗?zāi)K的設(shè)計，在初始設(shè)計中，模塊功能一般較簡單。具體而言，通過在模塊設(shè)計中引入Max 7000s系列CPLD芯片，同時提供了Byte Blaster下載線，I/O引腳自定義，并將引腳引出至模塊插孔上，交由學(xué)生自定義，NI ELVIS則需要提供芯片的電源。在后續(xù)過程中，隨著學(xué)生理論知識越來越豐富，實驗?zāi)K設(shè)計會更深入，一般會在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出CPLD實驗?zāi)K2.0，在顯示終端之上，額外新增了液晶屏、8×8點陣、蜂鳴器等器件；同時對電源也進行了改進，不再需要 NI ELVIS供電，而是采用了USB供電，防止學(xué)生出現(xiàn)電源接反問題，導(dǎo)致芯片被燒毀。在新的實驗?zāi)K設(shè)計中對CPLD芯片也進行了更新，采用了更先進的VHDL文本設(shè)計；下載方式也變得更加豐富，學(xué)生可以選擇串口下載，也可以選擇USBCPLD實驗項目模塊進行下載，能夠從根本上排除接線復(fù)雜的干擾，保證實驗結(jié)果的準確性，同時也給予了學(xué)生一定的自主開發(fā)空間，讓學(xué)生有機會進行開發(fā)實踐。從當下數(shù)字電子技術(shù)理論課程和實驗課程內(nèi)容來看，關(guān)于VHDL或Veilog硬件編程語言內(nèi)容比較少，因此為了更好完成實驗，使用先進的儀器設(shè)備與技術(shù)，還需要學(xué)生利用課外時間，加強上述編程知識的學(xué)習(xí)。通過在CPLD實驗項目模塊的幫助下，能夠讓學(xué)生在實驗室以外的地方進行使用學(xué)習(xí)。學(xué)生可以結(jié)合自身興趣，做好相應(yīng)數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)研究，真正意義上實現(xiàn)實驗室開放，有利學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)。

總結(jié)：通過做好電子技術(shù)實驗?zāi)K化設(shè)計，不僅能夠有效幫助學(xué)生排除一些客觀因素的干擾，讓學(xué)生專心于理論知識的驗證與實踐操作技術(shù)的鍛煉；同時，也為學(xué)生提供了更為廣闊的自主研究空間。因此需要采取有效措施，加強對不同類型電子技術(shù)實驗?zāi)K化設(shè)計，促使實驗?zāi)K設(shè)計的作用得到發(fā)揮，提高學(xué)生實踐能力。