虚拟仪器技术在电子学实验中的应用实践

王 斌 张国强

(西北工业大学 明德学院，西安 710124)

虚拟仪器技术在电子学实验中的应用实践

王 斌 张国强

(西北工业大学 明德学院，西安 710124)

基于虚拟仪器的仿真实验和基于虚拟仪器的实际测试实验是虚拟仪器技术在实验教学领域的两个应用方向。通过对两种实验模式的分析比较，既指出它们相对于传统的实验教学模式的优点，也指出两种模式的不足之处，并提出了弥补措施。实践证明，合理应用两种实验模式，可以充分发挥现代测试技术的优势，提高实验教学质量。

虚拟仪器；仿真测试；实际测试；实验教学

随着电子技术、计算机技术和测试技术的发展，虚拟仪器技术已被广泛应用到教学、科研、工程测试等许多领域。其在实验教学方面的应用有两个方向[1]：(1)基于虚拟仪器技术的仿真测试实验；(2)基于虚拟仪器的实际测试实验。如何合理地将这两个方向应用到电子学实验教学中，对提高实验教学质量有重要意义。

1 基于虚拟仪器的仿真测试实验

基于虚拟仪器的仿真测试实验主要用于判断设计的电路是否合理，或者验证和了解电路的有关工作原理及规律。进行电路仿真测试的软件很多，常用的有Pspice、EWB、Multisim、Protues、Matlab等。通过仿真测试实验，有助于学生对电路概念、基本理论、规律的认识和理解，对培养学生的实际动手能力非常有益。

1.1 仿真测试实验的优点

仿真测试实验相对于基于虚拟仪器的实际测试和传统实验而言，其优点是：(1)使用方便简单。只要有装有仿真软件的电脑，可以随时随地进行实验。在教学上便于对理论进行验证，以加深学生对理论的掌握；在工程设计上，可以对设计的电路进行理论测试，以验证电路设计的正确性。(2)实验成本极低。实验用元器件、测试仪器均是由软件编程形成的图标，不存在器件及设备损耗。(3)易于在网络化实验教学系统[2]中实现。

1.2 仿真测试实验的不足

仿真测试实验也存在局限性，表现在以下三个方面：(1)缺少“实物感”[3]。例如，常用的电子测量仪表仪器、元件等，在仿真实验教学中仅仅以图标形式出现，其外形和使用方法与实际仪器相差甚远，不利于学生掌握实际仪器的使用。(2)仿真测试是一种理想状态下的测试，与实际测试之间有一定差距[4]。如电路连接中存在的接触不良，元器件标称值与实际值的误差，同一类型元器件参数的不一致性，工作环境不同造成的参数的差异性等因素对电路性能的影响在仿真测试中难以反映出来。这对训练学生检查和排除故障，提高分析和解决问题的实践动手能力非常不利，学生难以积累工程应用方面的实际工作经验。(3)实际测试中各种干扰信号对测试的影响在仿真实验中难以反映出来，实际系统中有些性能指标在仿真实验中很难获得准确信息[5]。

2 基于虚拟仪器的实际测试实验

基于虚拟仪器的实际测试实验是以硬件实现数据采集，通过计算机软件完成实验数据分析处理与结果显示，而测试软件是虚拟仪器的核心。在进行电子学实验时，从测试界面中调用虚拟信号源、虚拟电压表、虚拟示波器等虚拟仪器，设置信号源输出信号参数，打开各虚拟仪器启动开关，虚拟信号源产生的数字信号经数据采集卡(实现D/A转换)输出到测试电路，作为激励；响应信号再经采集卡采集(实现A/D转换)送回计算机，利用虚拟示波器、虚拟电压表等程序软件进行数据分析、显示、存储等操作。测试系统结构如图1所示。

图1 采用虚拟仪器技术测试

虚拟仪器实验系统一般由装有测试软件的计算机、数据采集卡、传感器、信号调理电路、实验电路模块、稳压电源、万用表等硬件构成。而传统实验中常用的信号源、示波器、(交、直流)电压表、频谱分析仪、逻辑分析仪等仪器均由软件实现，在此实验模式下无需购买，节省了大量的实验室建设费用[6]。

2.1 基于虚拟仪器的实际测试实验的优点

基于虚拟仪器的实际测试相对于传统仪器和仿真测试具有很多优点：(1)虚拟仪器使用方便省时，功能强[7]。虚拟仪器的操作只需要鼠标和键盘，其界面和实际仪器差别不大，甚至比实际仪器的界面更为简洁；数据的分析处理由计算机完成，可实现数据的存储、调用和打印。(2)仪表性能提升空间大。虚拟仪器对数据的采集量、处理速度和精度都由计算机的性能决定，任何计算机技术的提升都能及时提高所设计的虚拟仪器的功能。因此，计算机技术的发展会推动虚拟仪器技术的进一步发展[8]。(3)灵活性高。虚拟仪器的功能由软件确定，用户可以通过修改程序自由地改变仪器功能，满足测量工作的需要。对实际仪器，无论是智能仪器还是数字或模拟仪器，其电路和程序在出厂时都已固定，仪器功能无法更改。(4)实验室建设成本小，不存在仪器损耗和更新换代问题。

2.2 基于虚拟仪器的实际测试实验的不足

基于虚拟仪器的实际测试实验模式也存在一定的局限性：(1)采集卡价格较高。性能较好的数据采集卡价格很高，增加了实验室建设经费。(2)虚拟仪器的使用不能代替实际测试仪器的使用练习。虚拟仪器虽是未来测试仪器的发展方向，但在目前，许多生产科研中所用仪器还是以传统测试仪器为主体，为了使学生适应以后的工作需要，还是有必要加强实际仪器的使用练习。此外，虚拟仪器设计中用到的许多概念都与实际仪器组成的工作原理有关。(3)测试数据误差受测试条件影响较大[9]。由于数据采集所遵循的基本理论是采样定理，在工程上，一般要求采样频率fs与信号频率f应满足fs=(5～10)f，否则就可能产生较大系统误差。由于测试系统所用信号频率范围较宽，所以同一个虚拟仪器很难保证在不同的实验测试中满足信号的频率与采样频率的匹配。此外，样本数、采集卡转换精度都可能影响测试数据的真实性和可靠性，因而，在用虚拟仪器测量时测试误差变化较大。

3 虚拟仪器技术在实验教学中应用实践

为了充分发挥虚拟仪器技术的优点，西北工业大学明德学院在电子类课程实验室建设和实验教学改革中采取了以下措施。

3.1 将虚拟仪器技术与传统实验手段紧密结合

对一般的验证性实验均在计算机上进行仿真测试，由于仿真测试节省时间，使得实验项目和实验内容大幅增加。对一些典型实验项目，让学生课前先做仿真测试，以熟悉实验原理、测试方法，再进实验室做实际测试，让学生体会理论与实践应用的差异、实际实验与仿真实验的差异，积累经验，增强实际动手能力。

3.2 加大设计性、综合性实验的比重

验证性实验对学生深刻理解有关重要规律和理论是非常必要的。但用传统实验手段全部完成这类实验比较费时，而且与实践应用相差较远，学生普遍对此类实验缺乏兴趣。随着虚拟仪器技术的发展和广泛应用，电路设计在形式和测试的手段上都得到了极大的便捷，为实验教学的改革提供了客观条件。目前，明德学院电类各专业电工电子技术实验项目中，对于验证性实验，都由学生课前根据实验要求查阅资料，自行设计实验电路并确定元器件参数，再进实验室进行仿真测试；对于设计性和综合性实验，完全由学生根据设计指标设计实验电路，在仿真测试的基础上再进行电路组装和程序下载，利用虚拟仪器测试平台进行调试，直到电路满足设计要求。

3.3 强化基本实验仪器的操作训练

虚拟仪器是未来测试仪器的发展方向，但目前在生产企业、科研院所还大量使用的是传统测试仪器。为满足学生以后的工作需要，根据不同专业的教学要求，在介绍仪器仪表原理的基础上，分阶段强化学生对基本仪器仪表的使用练习，以达到熟练操作目的。

3.4 吸收和引导学生参与到实验室建设中

目前，除了一部分实验仪器和测试软件采取外购外，明德学院还以教改项目、科研基金的形式组织教师、学生共同进行有关虚拟仪器实验教学系统构建的课题研究和设计，先后开发设计了多门课程的虚拟仪器实验系统，并已广泛应用于实验教学中。这些措施既锻炼了师生，又为学校节省了实验室建设经费，一举多得。

4 结束语

自实施实验教学改革以后，成效明显。对电子设计有浓厚兴趣的学生大为增加，多名学生在全国大学生电子设计大赛、全国大学生飞思卡尔智能小车设计大赛、全国大学生测控技术与仪器创新设计大赛等各类竞赛中获奖。实践表明，只要充分发挥虚拟仪器技术在不同应用方面的优势，并与传统实验方式有机结合起来，扬长避短，就能够有效地提高实验教学质量。

[1]徐华结，陈林.基于虚拟仪器和仿真技术的实验室探讨[J]. 池州学院学报，2009，23(3)：115-118.

[2] 解东光，赵珩. 虚拟仪器技术课程建设的实践与认识[J].东北电力大学学报，2010，30(5)：33-35.

[3] 闫晓梅,高文华.虚拟仪器在电子技术实验中的应用[J].电气电子教学学报，2011，33(1)：81-82.

[4]任俊，郭文普，杨百龙． 虚拟化技术在实验室建设中的应用研究[J].高校实验室工作研究，2012(2): 95-96．

[5]陈林，潘旭，陈乔，等. 虚拟仪器技术在电子技术课程设计中的应用[J]. 实验技术与管理，2011，28(8)：83-85.

[6]龙云玲,刘艳,秦鑫. 基于LabVIEW的新型实验教学方式[J].科技信息,2010,2(17)：657.

[7]许洁.虚拟仪器在测控专业实验教学中的应用[J]. 高校实验室工作研究,2013(3)：20-23.

[8]作者不详.虚拟仪器在测控技术与仪器专业教学中的应用[EB/OL].[2014-05-19].http://www.fenxi 17.com/news/show-1251.html.

[9]孙惠章.虚拟仪器中软误差的分析与研究[J].电子测量技术，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-)，硕士，讲师，研究方向：电子技术、智能仪器及测试技术。

TP391.9；TH89；G642.423

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.020