虚拟仪器在《电子测量技术》课程中的应用

刘琳++刘童

摘要：在《电子测量技术》课程中，传统的教学方法仅利用多媒体和板书相结合的方式进行理论讲解，而忽略了对学生动手能力的培养，并缺乏实践环节。本文从《电子测量技术》对实际教学仪器的要求出发，介绍虚拟仪器给《电子测量技术》课程带来的一些新思路，不仅增加了课程的趣味性和生动性，还能为学生提供实践机会，让学生更好地学习和理解这门课程。

关键词：虚拟仪器，电子测量技术，教学应用

中图分类号：G632

一引言

《电子测量技术》是电子工程系与通信工程系的专业基础必修课。[1]在生活中处处离不开测量，而《电子测量技术》主要讲解了测量相关的理论知识，其在通信、电子、自动控制、工业自动化、仪器仪表及计算机技术等领域都存在广泛地应用。从电子测量的应用和特点可以看出，随着科学技术的发展，要测量的内容和测量设备愈来愈多。[2]但是在传统教学中主要进行了理论知识的讲解，课堂上大部分是ppt和文字讲解，缺乏一些形象的表达方式，学生缺乏实践操作，并且经常使用试验器材成本太高、无法进行大范围的普及。然而，虚拟仪器可很好地解决这一问题，老师不仅可以在课堂上使用虚拟仪器进行演示，学生也可以在课下随时使用虚拟仪器将理论与实践结合，而且虚拟仪器几乎不需要硬件成本。比如在相位、频率和周期的测量中，可使用虚拟仪器信号发生器模拟一个正弦信号，用graph显示出来，通过改变周期、相位或者频率观察信号的变化以及对应的输出参数变化。

二 虚拟仪器特点

长期以来实验设备和教学方法的落后在很大程度上制约了教学质量的提高。[3]传统教学中，老师大部分通过多媒体和板书的方式进行教学，缺乏实践环节，内容也比较枯燥。造成这种现象主要原因是传统仪器成本高、体积庞大、不易操作等。虚拟仪器拥有许多优点可以有效地解决这些问题，主要优点包含以下三个方面：

2.1.不强调物理实现，经济实惠

虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集与控制、数据处理与分析及数据的显示这3部分的物理功能。它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器。[4]使用虚拟仪器几乎没有成本投入，这样不仅老师可以在课堂上使用，学生自己也可以自己在课下操作。

2.2.硬件资源共享，快捷方便

虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源。通过互联网，老师可以将一些演示的程序分享给同学，学生之间也能进行资源共享。

2.3.图形化演示，形象生动

虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。友好的人机交互界面使仪器的使用操作十分简便，软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件，并且软面板上虚拟的显示器件和操作控件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，具有极大的灵活性。[4]虚拟仪器使用图形化的表现方式更加形象，在课堂上还能及时地更改参数，通过显示软件看到输出参数的变化状况。

三 虚拟仪器在教学中的应用实例

在《电子测量技术》课程里，相位差测量是其中一个非常重要的内容。首先，对信号进行相位差测量可以帮助理解和熟悉信号的特性；再者，信号的相位差是对处理多个信号的重要参数，相位差测量在电力系统、通信等领域应用广泛，与我们的工作生活息息相关。以下将以相位差测量为例阐述虚拟仪器在《电子测量技术》课程教学中的优势。

3.1传统教学

传统教学中，在学习相位差测量时，教师通过一些静态图片（将两个信号放在同一图片里）讲解不同测量方法，首先让学生观察图中两个信号之间的关系，然后讲解如何通过公式变换算出两个信号的相位，最后布置课后习题巩固以学知识。这种学习方式稍显枯燥无味，无法调动学生的学习兴趣。学生们熟悉的也只是公式而已，而且缺乏实践环节，学习的效果并不理想。

3.2虚拟仪器教学

针对传统教学中存在的问题，在相位差测量学习中引入虚拟仪器，充分发挥虚拟仪器的优势，以致提高教学质量和教学效果。下面基于LabVIEW的虚拟相位差计的设计，主要介绍如何通过虚拟仪器来学习相位差测量，展示李李沙育图形测量方法。

图1李沙育图形法测相位差动态演示程序前面板

“李沙育图形”即“李薩如图形”，将被测频率的信号和频率已知的标准信号分别加至示波器的Y轴输入端和x轴输入端，在示波器显示屏上将出现一个合成图形，这个图形就是李沙育图形。李沙育图形随两个输入信号的频率、相位、幅度不同，所呈现的波形也不同。将两个同频同幅的正弦信号分别加到示波器的X、Y轴，得到如图1所示的椭圆图形，则两正弦信号之间的相位差 ，a为李沙育图在y轴方向上的最大偏转距离的一半，b为其与y轴截距的一半。

在后面板中，模拟两个信号分别输入XY Graph的X端和Y端，其中输入相位1和输入相位2是两个信号的初始相位。在前面板里显示出李沙育图形，通过测量a，b的近似相对长度，利用上述公式计算得到相位差。将计算得到的相位差值与真实相位差值进行比较，可得测量误差，李沙育图形测量方法一般用于低频相位差的测量。例如在图1中，输入相位1与输入相位2相差60，而b=17，a=20，相位差∮=arc sin（b/α）=58.2。可以看出通过李沙育图形法得到的值与实际值相近，测量误差不大。

教师可以直接在课堂中演示以上程序，改变信号1和信号2的相位，学生可形象直观地观察两个信号相位的变化情况；其次，教师也可以在课后将程序共享至网络，方便学生随时随地的学习，几乎不需要成本，就让学生直接参与到教学中。使用虚拟仪器学习相位差测量，不仅增加了学生的学习兴趣，也提高了学生的实践能力。另外，使用虚拟仪器仿真相位差的测量不需要搭建物理电路，不存在成本因素。

四 结论

实践证明，利用虚拟仪器可设计出功能强大和操作方便的多功能仪器，与传统仪器相比，其使用和编程简单、方便。而将虚拟仪器应用于教学，能激发学生的学习兴趣，方便学生课后实践。让学生能够随时随地进行试验，为学生提供一定的实践机会，将理论与实践充分的结合起来，更好地运用所学的知识。

基金项目：重庆邮电大学教改项目（XJG1415） 、重庆市高等学校教学改革研究项目（1203041）

作者简介：刘琳（1985.10—），女，汉，湖南衡阳人，博士，讲师，研究方向：智能车辆与信息融合等。endprint