王 斌 張國強

(西北工業(yè)大學 明德學院，西安 710124)

虛擬儀器技術(shù)在電子學實驗中的應(yīng)用實踐

王 斌 張國強

(西北工業(yè)大學 明德學院，西安 710124)

基于虛擬儀器的仿真實驗和基于虛擬儀器的實際測試實驗是虛擬儀器技術(shù)在實驗教學領(lǐng)域的兩個應(yīng)用方向。通過對兩種實驗?zāi)Ｊ降姆治霰容^，既指出它們相對于傳統(tǒng)的實驗教學模式的優(yōu)點，也指出兩種模式的不足之處，并提出了彌補措施。實踐證明，合理應(yīng)用兩種實驗?zāi)Ｊ?，可以充分發(fā)揮現(xiàn)代測試技術(shù)的優(yōu)勢，提高實驗教學質(zhì)量。

虛擬儀器；仿真測試；實際測試；實驗教學

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和測試技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到教學、科研、工程測試等許多領(lǐng)域。其在實驗教學方面的應(yīng)用有兩個方向[1]：(1)基于虛擬儀器技術(shù)的仿真測試實驗；(2)基于虛擬儀器的實際測試實驗。如何合理地將這兩個方向應(yīng)用到電子學實驗教學中，對提高實驗教學質(zhì)量有重要意義。

1 基于虛擬儀器的仿真測試實驗

基于虛擬儀器的仿真測試實驗主要用于判斷設(shè)計的電路是否合理，或者驗證和了解電路的有關(guān)工作原理及規(guī)律。進行電路仿真測試的軟件很多，常用的有Pspice、EWB、Multisim、Protues、Matlab等。通過仿真測試實驗，有助于學生對電路概念、基本理論、規(guī)律的認識和理解，對培養(yǎng)學生的實際動手能力非常有益。

1.1 仿真測試實驗的優(yōu)點

仿真測試實驗相對于基于虛擬儀器的實際測試和傳統(tǒng)實驗而言，其優(yōu)點是：(1)使用方便簡單。只要有裝有仿真軟件的電腦，可以隨時隨地進行實驗。在教學上便于對理論進行驗證，以加深學生對理論的掌握；在工程設(shè)計上，可以對設(shè)計的電路進行理論測試，以驗證電路設(shè)計的正確性。(2)實驗成本極低。實驗用元器件、測試儀器均是由軟件編程形成的圖標，不存在器件及設(shè)備損耗。(3)易于在網(wǎng)絡(luò)化實驗教學系統(tǒng)[2]中實現(xiàn)。

1.2 仿真測試實驗的不足

仿真測試實驗也存在局限性，表現(xiàn)在以下三個方面：(1)缺少“實物感”[3]。例如，常用的電子測量儀表儀器、元件等，在仿真實驗教學中僅僅以圖標形式出現(xiàn)，其外形和使用方法與實際儀器相差甚遠，不利于學生掌握實際儀器的使用。(2)仿真測試是一種理想狀態(tài)下的測試，與實際測試之間有一定差距[4]。如電路連接中存在的接觸不良，元器件標稱值與實際值的誤差，同一類型元器件參數(shù)的不一致性，工作環(huán)境不同造成的參數(shù)的差異性等因素對電路性能的影響在仿真測試中難以反映出來。這對訓練學生檢查和排除故障，提高分析和解決問題的實踐動手能力非常不利，學生難以積累工程應(yīng)用方面的實際工作經(jīng)驗。(3)實際測試中各種干擾信號對測試的影響在仿真實驗中難以反映出來，實際系統(tǒng)中有些性能指標在仿真實驗中很難獲得準確信息[5]。

2 基于虛擬儀器的實際測試實驗

基于虛擬儀器的實際測試實驗是以硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過計算機軟件完成實驗數(shù)據(jù)分析處理與結(jié)果顯示，而測試軟件是虛擬儀器的核心。在進行電子學實驗時，從測試界面中調(diào)用虛擬信號源、虛擬電壓表、虛擬示波器等虛擬儀器，設(shè)置信號源輸出信號參數(shù)，打開各虛擬儀器啟動開關(guān)，虛擬信號源產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡(實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換)輸出到測試電路，作為激勵；響應(yīng)信號再經(jīng)采集卡采集(實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換)送回計算機，利用虛擬示波器、虛擬電壓表等程序軟件進行數(shù)據(jù)分析、顯示、存儲等操作。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采用虛擬儀器技術(shù)測試

虛擬儀器實驗系統(tǒng)一般由裝有測試軟件的計算機、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、信號調(diào)理電路、實驗電路模塊、穩(wěn)壓電源、萬用表等硬件構(gòu)成。而傳統(tǒng)實驗中常用的信號源、示波器、(交、直流)電壓表、頻譜分析儀、邏輯分析儀等儀器均由軟件實現(xiàn)，在此實驗?zāi)Ｊ较聼o需購買，節(jié)省了大量的實驗室建設(shè)費用[6]。

2.1 基于虛擬儀器的實際測試實驗的優(yōu)點

基于虛擬儀器的實際測試相對于傳統(tǒng)儀器和仿真測試具有很多優(yōu)點：(1)虛擬儀器使用方便省時，功能強[7]。虛擬儀器的操作只需要鼠標和鍵盤，其界面和實際儀器差別不大，甚至比實際儀器的界面更為簡潔；數(shù)據(jù)的分析處理由計算機完成，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)用和打印。(2)儀表性能提升空間大。虛擬儀器對數(shù)據(jù)的采集量、處理速度和精度都由計算機的性能決定，任何計算機技術(shù)的提升都能及時提高所設(shè)計的虛擬儀器的功能。因此，計算機技術(shù)的發(fā)展會推動虛擬儀器技術(shù)的進一步發(fā)展[8]。(3)靈活性高。虛擬儀器的功能由軟件確定，用戶可以通過修改程序自由地改變儀器功能，滿足測量工作的需要。對實際儀器，無論是智能儀器還是數(shù)字或模擬儀器，其電路和程序在出廠時都已固定，儀器功能無法更改。(4)實驗室建設(shè)成本小，不存在儀器損耗和更新?lián)Q代問題。

2.2 基于虛擬儀器的實際測試實驗的不足

基于虛擬儀器的實際測試實驗?zāi)Ｊ揭泊嬖谝欢ǖ木窒扌裕?1)采集卡價格較高。性能較好的數(shù)據(jù)采集卡價格很高，增加了實驗室建設(shè)經(jīng)費。(2)虛擬儀器的使用不能代替實際測試儀器的使用練習。虛擬儀器雖是未來測試儀器的發(fā)展方向，但在目前，許多生產(chǎn)科研中所用儀器還是以傳統(tǒng)測試儀器為主體，為了使學生適應(yīng)以后的工作需要，還是有必要加強實際儀器的使用練習。此外，虛擬儀器設(shè)計中用到的許多概念都與實際儀器組成的工作原理有關(guān)。(3)測試數(shù)據(jù)誤差受測試條件影響較大[9]。由于數(shù)據(jù)采集所遵循的基本理論是采樣定理，在工程上，一般要求采樣頻率fs與信號頻率f應(yīng)滿足fs=(5～10)f，否則就可能產(chǎn)生較大系統(tǒng)誤差。由于測試系統(tǒng)所用信號頻率范圍較寬，所以同一個虛擬儀器很難保證在不同的實驗測試中滿足信號的頻率與采樣頻率的匹配。此外，樣本數(shù)、采集卡轉(zhuǎn)換精度都可能影響測試數(shù)據(jù)的真實性和可靠性，因而，在用虛擬儀器測量時測試誤差變化較大。

3 虛擬儀器技術(shù)在實驗教學中應(yīng)用實踐

為了充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)點，西北工業(yè)大學明德學院在電子類課程實驗室建設(shè)和實驗教學改革中采取了以下措施。

3.1 將虛擬儀器技術(shù)與傳統(tǒng)實驗手段緊密結(jié)合

對一般的驗證性實驗均在計算機上進行仿真測試，由于仿真測試節(jié)省時間，使得實驗項目和實驗內(nèi)容大幅增加。對一些典型實驗項目，讓學生課前先做仿真測試，以熟悉實驗原理、測試方法，再進實驗室做實際測試，讓學生體會理論與實踐應(yīng)用的差異、實際實驗與仿真實驗的差異，積累經(jīng)驗，增強實際動手能力。

3.2 加大設(shè)計性、綜合性實驗的比重

驗證性實驗對學生深刻理解有關(guān)重要規(guī)律和理論是非常必要的。但用傳統(tǒng)實驗手段全部完成這類實驗比較費時，而且與實踐應(yīng)用相差較遠，學生普遍對此類實驗缺乏興趣。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電路設(shè)計在形式和測試的手段上都得到了極大的便捷，為實驗教學的改革提供了客觀條件。目前，明德學院電類各專業(yè)電工電子技術(shù)實驗項目中，對于驗證性實驗，都由學生課前根據(jù)實驗要求查閱資料，自行設(shè)計實驗電路并確定元器件參數(shù)，再進實驗室進行仿真測試；對于設(shè)計性和綜合性實驗，完全由學生根據(jù)設(shè)計指標設(shè)計實驗電路，在仿真測試的基礎(chǔ)上再進行電路組裝和程序下載，利用虛擬儀器測試平臺進行調(diào)試，直到電路滿足設(shè)計要求。

3.3 強化基本實驗儀器的操作訓練

虛擬儀器是未來測試儀器的發(fā)展方向，但目前在生產(chǎn)企業(yè)、科研院所還大量使用的是傳統(tǒng)測試儀器。為滿足學生以后的工作需要，根據(jù)不同專業(yè)的教學要求，在介紹儀器儀表原理的基礎(chǔ)上，分階段強化學生對基本儀器儀表的使用練習，以達到熟練操作目的。

3.4 吸收和引導學生參與到實驗室建設(shè)中

目前，除了一部分實驗儀器和測試軟件采取外購?fù)?，明德學院還以教改項目、科研基金的形式組織教師、學生共同進行有關(guān)虛擬儀器實驗教學系統(tǒng)構(gòu)建的課題研究和設(shè)計，先后開發(fā)設(shè)計了多門課程的虛擬儀器實驗系統(tǒng)，并已廣泛應(yīng)用于實驗教學中。這些措施既鍛煉了師生，又為學校節(jié)省了實驗室建設(shè)經(jīng)費，一舉多得。

4 結(jié)束語

自實施實驗教學改革以后，成效明顯。對電子設(shè)計有濃厚興趣的學生大為增加，多名學生在全國大學生電子設(shè)計大賽、全國大學生飛思卡爾智能小車設(shè)計大賽、全國大學生測控技術(shù)與儀器創(chuàng)新設(shè)計大賽等各類競賽中獲獎。實踐表明，只要充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在不同應(yīng)用方面的優(yōu)勢，并與傳統(tǒng)實驗方式有機結(jié)合起來，揚長避短，就能夠有效地提高實驗教學質(zhì)量。

[1]徐華結(jié)，陳林.基于虛擬儀器和仿真技術(shù)的實驗室探討[J]. 池州學院學報，2009，23(3)：115-118.

[2] 解東光，趙珩. 虛擬儀器技術(shù)課程建設(shè)的實踐與認識[J].東北電力大學學報，2010，30(5)：33-35.

[3] 閆曉梅,高文華.虛擬儀器在電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用[J].電氣電子教學學報，2011，33(1)：81-82.

[4]任俊，郭文普，楊百龍． 虛擬化技術(shù)在實驗室建設(shè)中的應(yīng)用研究[J].高校實驗室工作研究，2012(2): 95-96．

[5]陳林，潘旭，陳喬，等. 虛擬儀器技術(shù)在電子技術(shù)課程設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理，2011，28(8)：83-85.

[6]龍云玲,劉艷,秦鑫. 基于LabVIEW的新型實驗教學方式[J].科技信息,2010,2(17)：657.

[7]許潔.虛擬儀器在測控專業(yè)實驗教學中的應(yīng)用[J]. 高校實驗室工作研究,2013(3)：20-23.

[8]作者不詳.虛擬儀器在測控技術(shù)與儀器專業(yè)教學中的應(yīng)用[EB/OL].[2014-05-19].http://www.fenxi 17.com/news/show-1251.html.

[9]孫惠章.虛擬儀器中軟誤差的分析與研究[J].電子測量技術(shù)，2007，30(11)：152-155.

Study and Practice of the Application of Virtual Instrument Technology in Electronic Experiment Teaching

WANG Bin, ZHANG Guoqiang

(College of Mingde, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710124, China)

Simulation experiment and actual testing experiment based on virtual instrument are two application directions in teaching. Through comparing the two experimental models with the traditional experimental teaching models, both their advantages and disadvantages are pointed out here. Practice has proved, the reasonable application of the two experimental can give full play to the advantages of modern testing technologyimprove the quality of experimental teaching.

virtual instrument；simulation testing；actual testing; experiment technology

2014-07-18

王 斌(1969-)，碩士，講師，研究方向：電子技術(shù)、智能儀器及測試技術(shù)。

TP391.9；TH89；G642.423

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.020