周文委，賈立新，翁國慶

摘要：筆者針對當(dāng)前電子技術(shù)課程教學(xué)存在的問題，設(shè)計(jì)了基于SOC單片機(jī)的硬件電路和基于LabVIEW的虛擬測量儀器軟件，以虛擬測量儀器作為教學(xué)工具，在電子技術(shù)課堂教學(xué)中開展了二極管伏安特性測試等現(xiàn)場驗(yàn)證式教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐表明現(xiàn)場驗(yàn)證式教學(xué)方法能夠吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù)；虛擬儀器；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1674-9324（2012）12-0252-02

一、當(dāng)前電子技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀及解決方案

受辦學(xué)經(jīng)費(fèi)、場地等因素的限制，當(dāng)前絕大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)資源非常有限。開放性、自主性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的欠缺，在很大程度上導(dǎo)致從事工程技術(shù)工作的學(xué)生就業(yè)前迷茫、困惑，就業(yè)后無法直接進(jìn)入工作角色，需要二次培訓(xùn)，既增大了就業(yè)難度，又影響了發(fā)展前景。引入虛擬儀器概念，采用低成本的硬件電路結(jié)合自主開發(fā)的控制軟件構(gòu)成虛擬測量系統(tǒng)，形成兼具通用性、便攜性和低成本的虛擬儀器。一方面儀器成本極低，可以減少常規(guī)儀器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，便于實(shí)驗(yàn)室大量配備；另一方面，利用虛擬測量儀器，教師可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容隨堂演示，學(xué)生可以進(jìn)行課外自主實(shí)驗(yàn)。由于虛擬儀器的核心是軟件，可以由用戶自己定義功能，又不怕?lián)p壞，對于學(xué)生不斷的操作實(shí)踐非常適合，能充分調(diào)動學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性。

二、虛擬測量儀器系統(tǒng)

以教學(xué)上通用的測量與控制為目標(biāo)，設(shè)計(jì)的虛擬測量儀器系統(tǒng)具備信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集和電平測量等基本功能，由儀器硬件和軟件構(gòu)成。

1.儀器硬件電路。虛擬測量儀器硬件上以Silabs公司內(nèi)置USB控制器、10位ADC和IDAC的SOC單片機(jī)C8051F320為核心，具有數(shù)據(jù)采集和信號發(fā)生功能，并提供直流電源方便外部實(shí)驗(yàn)電路搭建。信號調(diào)理電路分成雙通道模擬輸入和一通道模擬輸出兩個部分。通過CD4051切換模擬輸入信號，經(jīng)過AD526進(jìn)行程控增益放大后由雙運(yùn)放MAX4016實(shí)現(xiàn)固定增益放大和電平平移。單片機(jī)IDAC輸出電流信號由MAX4016轉(zhuǎn)換為電壓信號，AD526和LM1875分別實(shí)現(xiàn)程控增益放大和功率放大。

2.儀器軟件設(shè)計(jì)。虛擬測量儀器軟件通過LabVIEW平臺開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面操作響應(yīng)和信號傳輸、運(yùn)算、存儲和顯示功能。根據(jù)測量對象和儀器功能不同，人機(jī)界面設(shè)計(jì)各不相同。其中由模擬輸入采集的信號數(shù)據(jù)或者用于模擬輸出的信號數(shù)據(jù)通過調(diào)用Silabs公司函數(shù)庫USBXpress實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

三、虛擬測量儀器的教學(xué)應(yīng)用

我們在電子技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)中，充分利用虛擬測量儀器所具有的功能多樣、攜帶方便、成本低廉等特點(diǎn)，進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證式課堂教學(xué)的探索，取得了良好效果。比如在模擬電子技術(shù)課程中，我們發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生初次接觸半導(dǎo)體器件，很難正確、全面地掌握半導(dǎo)體材料的載流子運(yùn)動規(guī)律，因此難以理解和接受器件的非線性特性。針對這種情況，我們在所接觸第一個半導(dǎo)體器件——二極管的課堂教學(xué)中，進(jìn)行了伏安特性現(xiàn)場測量。測量原理如圖1所示，其中限流電阻R=10kΩ。二極管選用常用的硅二極管1N4148。信號發(fā)生器輸出幅值范圍-1～+20V的三角波，雙蹤示波器同時(shí)采集一周期電壓信號uR和uD，并通過計(jì)算得到電流iD。

由于示波器兩通道共地，所以通道CH2實(shí)際測量-uD。將uD和iD分別作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，得到曲線如圖2所示。由圖2可知，1N4148死區(qū)電壓約0.5V，導(dǎo)通壓降約0.7V，反向飽和電流約6.9nA。通過演示實(shí)際元件特性的測量過程，不僅讓學(xué)生明白了相應(yīng)特性的測量方法，而且把典型二極管的伏安特性曲線深深地植入了學(xué)生的腦海。

虛擬測量儀器是一種低成本通用性強(qiáng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)工具，可作為簡易示波器、函數(shù)發(fā)生器和直流穩(wěn)壓電源等常用儀器。通用PC上運(yùn)行的控制軟件和用戶界面替代傳統(tǒng)設(shè)備的顯示器件使得測量儀器體積小巧、攜帶方便，便于開展現(xiàn)場驗(yàn)證式課堂教學(xué)，有效地幫助學(xué)生完成對教學(xué)內(nèi)容從感性認(rèn)識到深刻理解的過渡。

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基金項(xiàng)目：浙江工業(yè)大學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目（JG1112）

作者簡介：周文委（1978-），男，講師，碩士，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與虛擬儀入式系統(tǒng)與虛擬儀器技術(shù)。