虚拟测量仪器设计及教学应用探索

周文委，贾立新，翁国庆

摘要：笔者针对当前电子技术课程教学存在的问题，设计了基于SOC单片机的硬件电路和基于LabVIEW的虚拟测量仪器软件，以虚拟测量仪器作为教学工具，在电子技术课堂教学中开展了二极管伏安特性测试等现场验证式教学。教学实践表明现场验证式教学方法能够吸引学生注意力，激发学习兴趣，提升教学效果。

关键词：电子技术；虚拟仪器；教学实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A文章编号：1674-9324（2012）12-0252-02

一、当前电子技术教学现状及解决方案

受办学经费、场地等因素的限制，当前绝大多数高校的实验资源非常有限。开放性、自主性实验环节的欠缺，在很大程度上导致从事工程技术工作的学生就业前迷茫、困惑，就业后无法直接进入工作角色，需要二次培训，既增大了就业难度，又影响了发展前景。引入虚拟仪器概念，采用低成本的硬件电路结合自主开发的控制软件构成虚拟测量系统，形成兼具通用性、便携性和低成本的虚拟仪器。一方面仪器成本极低，可以减少常规仪器设备的经费投入，便于实验室大量配备；另一方面，利用虚拟测量仪器，教师可以结合教学内容随堂演示，学生可以进行课外自主实验。由于虚拟仪器的核心是软件，可以由用户自己定义功能，又不怕损坏，对于学生不断的操作实践非常适合，能充分调动学生的实验积极性。

二、虚拟测量仪器系统

以教学上通用的测量与控制为目标，设计的虚拟测量仪器系统具备信号发生、数据采集和电平测量等基本功能，由仪器硬件和软件构成。

1.仪器硬件电路。虚拟测量仪器硬件上以Silabs公司内置USB控制器、10位ADC和IDAC的SOC单片机C8051F320为核心，具有数据采集和信号发生功能，并提供直流电源方便外部实验电路搭建。信号调理电路分成双通道模拟输入和一通道模拟输出两个部分。通过CD4051切换模拟输入信号，经过AD526进行程控增益放大后由双运放MAX4016实现固定增益放大和电平平移。单片机IDAC输出电流信号由MAX4016转换为电压信号，AD526和LM1875分别实现程控增益放大和功率放大。

2.仪器软件设计。虚拟测量仪器软件通过LabVIEW平台开发，主要实现人机界面操作响应和信号传输、运算、存储和显示功能。根据测量对象和仪器功能不同，人机界面设计各不相同。其中由模拟输入采集的信号数据或者用于模拟输出的信号数据通过调用Silabs公司函数库USBXpress实现与单片机的数据交换。

三、虚拟测量仪器的教学应用

我们在电子技术相关课程的教学中，充分利用虚拟测量仪器所具有的功能多样、携带方便、成本低廉等特点，进行了现场验证式课堂教学的探索，取得了良好效果。比如在模拟电子技术课程中，我们发现很多学生初次接触半导体器件，很难正确、全面地掌握半导体材料的载流子运动规律，因此难以理解和接受器件的非线性特性。针对这种情况，我们在所接触第一个半导体器件——二极管的课堂教学中，进行了伏安特性现场测量。测量原理如图1所示，其中限流电阻R=10kΩ。二极管选用常用的硅二极管1N4148。信号发生器输出幅值范围-1～+20V的三角波，双踪示波器同时采集一周期电压信号uR和uD，并通过计算得到电流iD。

由于示波器两通道共地，所以通道CH2实际测量-uD。将uD和iD分别作为横坐标和纵坐标，得到曲线如图2所示。由图2可知，1N4148死区电压约0.5V，导通压降约0.7V，反向饱和电流约6.9nA。通过演示实际元件特性的测量过程，不仅让学生明白了相应特性的测量方法，而且把典型二极管的伏安特性曲线深深地植入了学生的脑海。

虚拟测量仪器是一种低成本通用性强的教学实验工具，可作为简易示波器、函数发生器和直流稳压电源等常用仪器。通用PC上运行的控制软件和用户界面替代传统设备的显示器件使得测量仪器体积小巧、携带方便，便于开展现场验证式课堂教学，有效地帮助学生完成对教学内容从感性认识到深刻理解的过渡。

参考文献：

[1]唐颖，赵茂娟.基于信息技术的电子类课程教学新模式研究[J].中国电力教育，2011，（2）：88-90.

[2]周文委，王涌，金燕.虚拟仪器技术及其教学应用[J].浙江工业大学学报，2007，35（1）：69-72.

[3]张学军，回文静.基于虚拟仪器的实验教学研究[J].仪器仪表用户，2011，18（1）：57-59.

[4]郭庆，徐翠峰，张文龙.基于虚拟仪器的辅助教学系统[J].电气电子教学学报，2011，33（3）：89-93

基金项目：浙江工业大学校教学改革项目（JG1112）

作者简介：周文委（1978-），男，讲师，硕士，研究方向为嵌入式系统与虚拟仪入式系统与虚拟仪器技术。