虛擬儀器在電子技術演示實驗中的應用
來源:用戶上傳
作者:
摘 要：文章對如何在電子技術演示實驗中使用虛擬儀器進行了探討，分析了目前虛擬儀器在實驗教學使用的現狀以及傳統教學方式的不足，然后根據實例討論了具體的使用方法。
關鍵詞：虛擬儀器;電子技術展示;實驗;應用
傳統實驗演示教學有著各自的問題，無論是使用真實的儀器進行演示，還是使用課件、視頻和軟件，都不能滿足演示對真實性、可操作性上的需求。通過使用虛擬儀器進行演示，可以更好地將整個實驗過程演示出來。
1 虛擬儀器和傳統儀器的區別
虛擬儀器所使用的軟件和硬件都經過專門的處理，方便在實驗時更加快捷地獲得數據，在數據收集和分析等工作當中得到廣泛使用，能儲存實驗的各種數據，也可以根據實際需要自定義相關的實驗內容[1]。傳統的儀器在出廠前會被進行一次定義，而且儀器所使用的的軟件受到封裝，用戶最后得到的儀器都已經有了比較明確的功能，軟件和硬件嚴格綁定，功能往往也有所限制。通過計算機集成測試平臺，可以更好地滿足實驗的要求，尤其是在高校的教學工作當中，使用虛擬儀器進行演示能夠獲得良好的效果。虛擬儀器強大的擴展也能夠很好地符合高校在教學工作中豐富內容的要求，可以讓學生在較短的時間內就完成相關的開發，并開展實驗。
2 電子技術演示實驗中使用虛擬儀器的現狀
2.1 虛擬儀器的內涵
計算機技術得到了迅猛的發展，尤其是在信號處理技術上，相比過去已經進步了很多。隨著軟件水平的提升，很多軟件技術彌補或者取代了硬件技術的各種功能，在計算機上就能夠更好地實現信號處理。并且，計算機也有很多硬件不能比的優勢，比如計算機通過圖形操作界面和良好的交互能力，可以更好地表現現實數據，并對儀器進行精確的控制。虛擬儀器中使用了虛擬的儀器面板，通過軟件進行數據的測量，可以記錄整個測量過程，而不是直接根據實物來記錄。虛擬儀器就是一種計算機軟件，并且配合自主測試系統的儀器[2]。如果需要進行電子技術的演示，通過虛擬儀器能夠讓各種軟件都得到最大限度的利用。在日常的實驗室中的傳統儀器，也能夠利用這樣的系統將各種數據在計算機上面顯示，對于學生而言只需要通過操作鼠標鍵盤就能夠保證虛擬儀器的運行，使其能夠獲得最好的測試結果。而且為了保證結果的直觀性，還可以根據需要選擇不同的顏色、波形等。
2.2 虛擬儀器在電子技術演示實驗中應用概述
虛擬儀器技術在過去已經逐漸完善，取得了非?？斓陌l展。通過虛擬設備能夠實現電流表、電壓表、示波器和信號器的所有功能，而且利用計算機虛擬儀器也能夠取代之前的手工測量，讓計算機來記錄各種復雜的數據和工作。所以，目前虛擬儀器技術是非常成熟的，對科研和實驗教學都有較大的幫助。通過使用虛擬儀器，高校和企業也降低了資金上的投入，簡化了操作，讓工作變得更加簡單。
在演示實驗當中，演示者可以將實驗設備和虛擬儀器相連，來實現對于實驗操作全過程的演示，并獲得最后的實驗結果。這樣的方式非常直觀，而且在省去各種操作步驟之后也能夠變得更加快捷，在實踐上也實現了明顯的節約。目前，高校和企業都是使用虛擬技術進行電子演示實驗的，可以演示的實驗類型也十分豐富，包括二極管伏安特性曲線演示實驗、共射極單管放大實驗等，對于一些比較復雜的實驗，包括交流反饋放大倍數穩定性試驗等也有著巨大的影響，這些都可以采用虛擬儀器技術來完成實驗。
2.3 虛擬儀器演示實驗系統
虛擬儀器演示實驗系統包括實驗部分的電路板塊、數據采集器和計算機，實驗部分包括一個具有大量插口的板子，保證能夠演示不同的實驗內容。負責虛擬儀器的測量的主要是計算機和數據收集器。計算機系統和普通的計算機系統不同，主要的區別在于安裝了能夠專門演示實驗的軟件[3]。而且在演示工作當中，由于計算機的通用性，能夠演示很多不同角色，儀器測量、數據顯示以及對實驗的控制，都能夠很好地在屏幕上反映出來。目前學校里面使用比較多的是NI公司的是虛擬套件。這些套件能夠進行全面的信號分析，也集成了信號源等不同功能，可以非常全面地演示各種實驗。實際工作當中，會將數據采集卡和電腦相連，檢測無誤之后就可以在工作臺上構建出需要的電路圖，然后模擬實驗，并將實驗結果通過幻燈片反映到屏幕上。
3 電子技術演示實驗教學方式的問題
3.1 視頻演示方式存在的問題
視頻演示的方式都是采用提前進行錄制的方式開展演示工作，需要專業的人員對教師的實驗流程進行演示，然后添加相關的視頻和字母。教師在進行電子技術演示的教學當中，會播放相關的視頻，來給學生講解實驗的相關流程。這種通過多媒體進行演示的方式，可以將整個實驗操作的過程立體地展現出來，學生也可以對實驗流程有更加精準地把握[4]。但是，在錄制視頻展示文件時，必須要有專業的人員開展錄制工作，而且在完成了演示實驗的教學視頻拍攝之后，教師也很難再對其中的步驟進行修改，使得這種教學方法沒有足夠的靈活性。
3.2 計算機模擬仿真演示存在的問題
目前教師可以使用輔助軟件來實現實驗的演示，通過計算機的輔助設計軟件，能夠將所需要的各種元件連接起來，然后對不同元器件設置相應的參數，最后對模擬仿真的測試結果進行分析，并且和實際的結果進行比較，實現理論和實際的對比。使用這種方式的好處在于教師可以根據教學的需要對連接進行靈活的調整，仿真結果也比較真實和客觀。但是這種方式依然只是停留在虛擬環節上，缺少真實性，所以在演示實驗當中的教學效果也比較差。
3.3 課件存在的問題
教學課件的演示方式是目前最常見的演示方法，教師可以根據需要利用Flash動畫，制作成PPT課件，之后在課堂上播放。這些輔助演示中會有大量的文字和聲音作為輔助，教師也可以通過對圖形的調整來展示某一個實驗流程，或者對實驗的某一個部分進行修改。但這種方式的問題在于理論性過強，實驗結果缺少足夠的真實性[5]。而且，輔助課件在展示的范圍上十分有限，很多實驗內容都不能表現出來，進一步降低了真實性。 3.4 實物演示方式存在的問題
實物演示是最為傳統的演示方法，這種方法的好處在于整個演示過程中都是十分真實的，所以獲得的結果也具有很高的說服力。但是，這樣進行演示必然需要使用非常多的儀器，所以在教學實踐上操作十分繁瑣，應用性存在著嚴重不足。比如許多實驗器材都需要運送到課堂當中，如果實驗儀器的屏幕非常小，就不能保證所有人都看清實驗現象，導致演示效果不足。而且學生可能會存在視角不好的問題，并不能看見教師的演示過程。
4 虛擬儀器在電子演示中的實際應用
4.1 二極管動態伏安特性曲線演示
半導體二極管伏安特性演示工作時，可以根據實驗的原理圖，同導線和二極管、電阻、虛擬信號發生器、虛擬數字儲存示波器等進行連接。然后啟動虛擬儀器，利用計算機屏幕上的虛擬儀器面板對虛擬儀器進行操作和調整。虛擬儀器可以在窗口上進行切換，也可以同時顯示。
顯示波形信號時，可以通過鼠標點擊信號發生波形，并且還可以改變鼠標的頻率、波動的振幅等，使其能夠輸出合適的低頻正弦信號。之后，還可以調整虛擬示波器的測量通道、標尺、時基和衰減振幅等，最后能夠形成比較穩定的波形，得到伏安特性曲線[6]。對于曲線可以進行放大顯示，也可以在計算機當中儲存。如果需要進行演示，可以直接將儲存的數據調出，顯示整個操作過程，或者可以打印出來，使用非常方便。
4.2 單機低頻放大器演示實驗
在進行單機低頻放大器的實驗演示時，通過將單級低頻方放大實驗電路板放在視頻展示臺上，然后通過投影儀來呈現圖像，就能夠讓學生看清電路板的內部結構，然后利用虛擬儀器來掩飾單級低頻放大器的輸入電壓和輸出電壓，以及放大器的波形和相位差，也能夠在投影儀上播放。
實驗時，可以將虛擬信號發生器放在放大器的輸入端，然后虛擬數字的儲存示波器CH1探頭和放大器輸出端相連接，CH2探頭與放大器的輸入端相連接。之后，開啟虛擬儀器面板，開始對虛擬信號發生器發出的信號進行調整，選擇正弦波形，將頻率調整為1 kHz，幅度為15 mV，再對虛擬示波器進行調整，CH1的通道電壓為0.5 V/格，CH2通道的電壓為15 mV/格。之后，在計算機屏幕就會有輸入電壓和輸出電壓的曲線，兩個曲線會采用不同的顏色顯示，經過計算電壓被放大了80倍。然后在對電位器W進行調整，改變三極管的工作狀態，能夠看到波形出現飽和失真和截止失真的情況[7]。并且，計算機的聲卡和影像也能夠對頻率的變化進行監控，最后得到放大器飽和失真的波形圖。如果需要觀察單級低頻放大器的頻率特性，可以使用虛擬信號發生器和頻率特征特性而使儀器演示曲線的變化。
5 結語
虛擬儀器技術的發展讓測試技術比以前有了更好的發展，而利用虛擬儀器開展教學工作，也成了目前教學工作的發展趨勢。使用虛擬儀器能夠很好地解決視頻教學、課件教學、軟件模擬在真實性上的不足，而且也可以避免實物教學過多的儀器使用導致繁瑣。因此，教師需要在教學工作中使用更多虛擬儀器，提高教學水平，使學生更好地了解實驗過程。
作者簡介：伏乃林（1972— ），男，江蘇宿遷人，實驗師，碩士;研究方向：安全管理。
[參考文獻]
[1]李林宣.虛擬儀器在電子技術演示實驗中的應用[J].電子技術與軟件工程，2018（13）：64.
[2]劉術平，李虹燃.虛擬儀器在電子技術演示實驗中的應用[J].中國戰略新興產業，2018（8）：149.
[3]楊犀，馬海燕.虛擬儀器進行電子技術演示實驗的問題探討[J].電腦知識與技術，2017（36）：187-188，190.
[4]范威威.虛擬儀器在電子技術演示實驗中的運用[J].電子技術與軟件工程，2016（24）：119.
[5]馬進，趙洪亮，衛永琴，等.虛擬儀器在電子技術實驗中的應用研究[J].中國儀器儀表，2016（7）：43-46.
[6]范蘊秋.電子技術演示實驗中虛擬儀器的應用研究[J].電子技術與軟件工程，2013（20）：184-185.
[7]衛永琴，趙洪亮.自制虛擬儀器卡在電子技術實驗中的應用[J].數字技術與應用，2012（3）：81，83.
Abstract：This paper discusses how to use virtual instrument in demonstration experiment of electronic technology， analyzes the present situation of virtual instrument used in experiment teaching， and analyzes the deficiency of traditional teaching method. Then the concrete usage method is discussed according to the example.
Key words：virtual instrument; electronic technology display; experiment; application
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/8/view-14866343.htm
