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虚拟仪器在电子技术演示实验中的应用

作者:未知

  摘   要:文章对如何在电子技术演示实验中使用虚拟仪器进行了探讨,分析了目前虚拟仪器在实验教学使用的现状以及传统教学方式的不足,然后根据实例讨论了具体的使用方法。
  关键词:虚拟仪器;电子技术展示;实验;应用
  传统实验演示教学有着各自的问题,无论是使用真实的仪器进行演示,还是使用课件、视频和软件,都不能满足演示对真实性、可操作性上的需求。通过使用虚拟仪器进行演示,可以更好地将整个实验过程演示出来。
  1    虚拟仪器和传统仪器的区别
  虚拟仪器所使用的软件和硬件都经过专门的处理,方便在实验时更加快捷地获得数据,在数据收集和分析等工作当中得到广泛使用,能储存实验的各种数据,也可以根据实际需要自定义相关的实验内容[1]。传统的仪器在出厂前会被进行一次定义,而且仪器所使用的的软件受到封装,用户最后得到的仪器都已经有了比较明确的功能,软件和硬件严格绑定,功能往往也有所限制。通过计算机集成测试平台,可以更好地满足实验的要求,尤其是在高校的教学工作当中,使用虚拟仪器进行演示能够获得良好的效果。虚拟仪器强大的扩展也能够很好地符合高校在教学工作中丰富内容的要求,可以让学生在较短的时间内就完成相关的开发,并开展实验。
  2    电子技术演示实验中使用虚拟仪器的现状
  2.1  虚拟仪器的内涵
  计算机技术得到了迅猛的发展,尤其是在信号处理技术上,相比过去已经进步了很多。随着软件水平的提升,很多软件技术弥补或者取代了硬件技术的各种功能,在计算机上就能够更好地实现信号处理。并且,计算机也有很多硬件不能比的优势,比如计算机通过图形操作界面和良好的交互能力,可以更好地表现现实数据,并对仪器进行精确的控制。虚拟仪器中使用了虚拟的仪器面板,通过软件进行数据的测量,可以记录整个测量过程,而不是直接根据实物来记录。虚拟仪器就是一种计算机软件,并且配合自主测试系统的仪器[2]。如果需要进行电子技术的演示,通过虚拟仪器能够让各种软件都得到最大限度的利用。在日常的实验室中的传统仪器,也能够利用这样的系统将各种数据在计算机上面显示,对于学生而言只需要通过操作鼠标键盘就能够保证虚拟仪器的运行,使其能够获得最好的测试结果。而且为了保证结果的直观性,还可以根据需要选择不同的颜色、波形等。
  2.2  虚拟仪器在电子技术演示實验中应用概述
  虚拟仪器技术在过去已经逐渐完善,取得了非常快的发展。通过虚拟设备能够实现电流表、电压表、示波器和信号器的所有功能,而且利用计算机虚拟仪器也能够取代之前的手工测量,让计算机来记录各种复杂的数据和工作。所以,目前虚拟仪器技术是非常成熟的,对科研和实验教学都有较大的帮助。通过使用虚拟仪器,高校和企业也降低了资金上的投入,简化了操作,让工作变得更加简单。
  在演示实验当中,演示者可以将实验设备和虚拟仪器相连,来实现对于实验操作全过程的演示,并获得最后的实验结果。这样的方式非常直观,而且在省去各种操作步骤之后也能够变得更加快捷,在实践上也实现了明显的节约。目前,高校和企业都是使用虚拟技术进行电子演示实验的,可以演示的实验类型也十分丰富,包括二极管伏安特性曲线演示实验、共射极单管放大实验等,对于一些比较复杂的实验,包括交流反馈放大倍数稳定性试验等也有着巨大的影响,这些都可以采用虚拟仪器技术来完成实验。
  2.3  虚拟仪器演示实验系统
  虚拟仪器演示实验系统包括实验部分的电路板块、数据采集器和计算机,实验部分包括一个具有大量插口的板子,保证能够演示不同的实验内容。负责虚拟仪器的测量的主要是计算机和数据收集器。计算机系统和普通的计算机系统不同,主要的区别在于安装了能够专门演示实验的软件[3]。而且在演示工作当中,由于计算机的通用性,能够演示很多不同角色,仪器测量、数据显示以及对实验的控制,都能够很好地在屏幕上反映出来。目前学校里面使用比较多的是NI公司的是虚拟套件。这些套件能够进行全面的信号分析,也集成了信号源等不同功能,可以非常全面地演示各种实验。实际工作当中,会将数据采集卡和电脑相连,检测无误之后就可以在工作台上构建出需要的电路图,然后模拟实验,并将实验结果通过幻灯片反映到屏幕上。
  3    电子技术演示实验教学方式的问题
  3.1  视频演示方式存在的问题
  视频演示的方式都是采用提前进行录制的方式开展演示工作,需要专业的人员对教师的实验流程进行演示,然后添加相关的视频和字母。教师在进行电子技术演示的教学当中,会播放相关的视频,来给学生讲解实验的相关流程。这种通过多媒体进行演示的方式,可以将整个实验操作的过程立体地展现出来,学生也可以对实验流程有更加精准地把握[4]。但是,在录制视频展示文件时,必须要有专业的人员开展录制工作,而且在完成了演示实验的教学视频拍摄之后,教师也很难再对其中的步骤进行修改,使得这种教学方法没有足够的灵活性。
  3.2  计算机模拟仿真演示存在的问题
  目前教师可以使用辅助软件来实现实验的演示,通过计算机的辅助设计软件,能够将所需要的各种元件连接起来,然后对不同元器件设置相应的参数,最后对模拟仿真的测试结果进行分析,并且和实际的结果进行比较,实现理论和实际的对比。使用这种方式的好处在于教师可以根据教学的需要对连接进行灵活的调整,仿真结果也比较真实和客观。但是这种方式依然只是停留在虚拟环节上,缺少真实性,所以在演示实验当中的教学效果也比较差。
  3.3  课件存在的问题
  教学课件的演示方式是目前最常见的演示方法,教师可以根据需要利用Flash动画,制作成PPT课件,之后在课堂上播放。这些辅助演示中会有大量的文字和声音作为辅助,教师也可以通过对图形的调整来展示某一个实验流程,或者对实验的某一个部分进行修改。但这种方式的问题在于理论性过强,实验结果缺少足够的真实性[5]。而且,辅助课件在展示的范围上十分有限,很多实验内容都不能表现出来,进一步降低了真实性。   3.4  实物演示方式存在的问题
  实物演示是最为传统的演示方法,这种方法的好处在于整个演示过程中都是十分真实的,所以获得的结果也具有很高的说服力。但是,这样进行演示必然需要使用非常多的仪器,所以在教学实践上操作十分繁琐,应用性存在着严重不足。比如许多实验器材都需要运送到课堂当中,如果实验仪器的屏幕非常小,就不能保证所有人都看清实验现象,导致演示效果不足。而且学生可能会存在视角不好的问题,并不能看见教师的演示过程。
  4    虚拟仪器在电子演示中的实际应用
  4.1  二极管动态伏安特性曲线演示
  半导体二极管伏安特性演示工作时,可以根据实验的原理图,同导线和二极管、电阻、虚拟信号发生器、虚拟数字储存示波器等进行连接。然后启动虚拟仪器,利用计算机屏幕上的虚拟仪器面板对虚拟仪器进行操作和调整。虚拟仪器可以在窗口上进行切换,也可以同时显示。
  显示波形信号时,可以通过鼠标点击信号发生波形,并且还可以改变鼠标的频率、波动的振幅等,使其能夠输出合适的低频正弦信号。之后,还可以调整虚拟示波器的测量通道、标尺、时基和衰减振幅等,最后能够形成比较稳定的波形,得到伏安特性曲线[6]。对于曲线可以进行放大显示,也可以在计算机当中储存。如果需要进行演示,可以直接将储存的数据调出,显示整个操作过程,或者可以打印出来,使用非常方便。
  4.2  单机低频放大器演示实验
  在进行单机低频放大器的实验演示时,通过将单级低频方放大实验电路板放在视频展示台上,然后通过投影仪来呈现图像,就能够让学生看清电路板的内部结构,然后利用虚拟仪器来掩饰单级低频放大器的输入电压和输出电压,以及放大器的波形和相位差,也能够在投影仪上播放。
  实验时,可以将虚拟信号发生器放在放大器的输入端,然后虚拟数字的储存示波器CH1探头和放大器输出端相连接,CH2探头与放大器的输入端相连接。之后,开启虚拟仪器面板,开始对虚拟信号发生器发出的信号进行调整,选择正弦波形,将频率调整为1 kHz,幅度为15 mV,再对虚拟示波器进行调整,CH1的通道电压为0.5 V/格,CH2通道的电压为15 mV/格。之后,在计算机屏幕就会有输入电压和输出电压的曲线,两个曲线会采用不同的颜色显示,经过计算电压被放大了80倍。然后在对电位器W进行调整,改变三极管的工作状态,能够看到波形出现饱和失真和截止失真的情况[7]。并且,计算机的声卡和影像也能够对频率的变化进行监控,最后得到放大器饱和失真的波形图。如果需要观察单级低频放大器的频率特性,可以使用虚拟信号发生器和频率特征特性而使仪器演示曲线的变化。
  5    结语
  虚拟仪器技术的发展让测试技术比以前有了更好的发展,而利用虚拟仪器开展教学工作,也成了目前教学工作的发展趋势。使用虚拟仪器能够很好地解决视频教学、课件教学、软件模拟在真实性上的不足,而且也可以避免实物教学过多的仪器使用导致繁琐。因此,教师需要在教学工作中使用更多虚拟仪器,提高教学水平,使学生更好地了解实验过程。
  作者简介:伏乃林(1972— ),男,江苏宿迁人,实验师,硕士;研究方向:安全管理。
  [参考文献]
  [1]李林宣.虚拟仪器在电子技术演示实验中的应用[J].电子技术与软件工程,2018(13):64.
  [2]刘术平,李虹燃.虚拟仪器在电子技术演示实验中的应用[J].中国战略新兴产业,2018(8):149.
  [3]杨犀,马海燕.虚拟仪器进行电子技术演示实验的问题探讨[J].电脑知识与技术,2017(36):187-188,190.
  [4]范威威.虚拟仪器在电子技术演示实验中的运用[J].电子技术与软件工程,2016(24):119.
  [5]马进,赵洪亮,卫永琴,等.虚拟仪器在电子技术实验中的应用研究[J].中国仪器仪表,2016(7):43-46.
  [6]范蕴秋.电子技术演示实验中虚拟仪器的应用研究[J].电子技术与软件工程,2013(20):184-185.
  [7]卫永琴,赵洪亮.自制虚拟仪器卡在电子技术实验中的应用[J].数字技术与应用,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
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