随着现代电子技术的飞速发展以及相应学科教学内容的更新, 高等教育中传统实验仪器逐渐暴露出一些明显不足, 如设备费用高, 损耗大, 使用不灵活等等。以目前教育有限的投入无法满足实验设备价格昂贵, 发展速度快的要求, 难以顺利培养出适应时代要求的工程人才。为了探索实验教学方法、提高电子实验课程的教学质量, 我们运用虚拟仪器技术开发出基于虚拟仪器技术的虚拟电子实验室, 在电脑上安装虚拟电子实验室应用软件并在其中做各种电路实验。在相当程度上代替了实验室的硬件传统仪器设备和元器件, 弥补了实验环节的不足, 为电类专业的专业基础课教学提供了一种先进的教学手段和方法。
1 虚拟仪器开发环境
Multisim9.0是一个国际流行的电路设计与仿真的EDA工具软件, 功能强大, 仿真界面直观, 具有和实验室一致的可视化界面。提供了标准的电子元件库、RF库、品种齐全的仿真虚拟仪器和能先进适用的的分析方法。它独特的电路工作区好像是一块“实验板”, 在上面可搭接各种电路进行模拟仿真实验。
美国NI公司的LabVIEW是世界工程界著名的虚拟仪器开发环境, 我们所采用的LabVIEW8.2是一种基于图形编程语言的功能强大的开发平台, 它采用流程图作为一个编程问题的图形化解决方案, 流程图也是虚拟仪器的源代码。它利用软件在屏幕上生成各种仪器面板, 软件在屏幕上生成各种仪器面板, 完成对数据的处理、表达、传送、存储、显示等功能。采用LabVIEW设计开发出的虚拟仪器, 可以具有强大的数据运算和处理功能, 而且仪器界面也可以做得非常逼真和美观。虚拟仪器能够进行实时的分析处理、并生动直观地显示出数据、波形、图像和分析处理的结果, 如学生对结果不满意, 可以修改电路或调整电路参数, 很快地能得到新的结果。
2 虚拟电子实验的实现
虚拟电子实验室的主体实际上是一批运用软件开发的项目应用程序的集合程序包。首先运用仿真软件和图形化编程平台编写好实验电路应用程序, 设置好参数。然后, 根据实验要求调出进行设置布局, 然后启动运行, 调试程序得出数据结果或显示波形。下面以两级放大电路和积分运算电路实验为例, 说明在虚拟电子实验室中作实验的过程和特点。
2.1 用仿真平台Multisim9.0做电路实验
选择Multisim9.0软件中的元件库, 如集成电路、电阻、三极管等, 对电路进行设计和构建。例如, 我们要做大家熟悉的典型两级共射放大电路的仿真实验, 即电阻分压式工作点稳定两级放大器实验 (图略) 。首先, 在软件的电路工作区照图搭接好电路, 在电路的输入端加上虚拟仪器中的正弦信号发生器, 输出端加上双踪示波器。
该电路的仿真试验主要研究: (1) 两级放大器静态工作点的分析。 (2) 研究两级放大器电压放大倍数的数值估算, 相位关系。 (3) 分析静态工作点位置对放大器性能指标的影响, 观察输出电压波形的变化。执行仿真命令, 执行菜单命令dc oprating point, 软件会计算并显示出两级放大电路的各点静态电压电流数值。然后对电路进行动态分析, 在双踪示波器上将显示输入波形和输出波形两条曲线。在示波器上, 纵坐标Y显示是电路的电压幅度。设置好双通道示波器时基和通道设置, 对电路放大倍数进行测试, 使输入和输出波能清楚地显示出来, 再用鼠标拖动游标1到所显示输入波形的波峰, 可以读得输入信号的波峰峰值约为VImV。然后拖动游标2至输出波形的波峰, 这样测出输出信号的波峰峰值约为VOV, 依照定义, 放大电路的放大倍数Au=VO/VI倍, 电路的电压增益Ku=20logAu。可以在示波器中的两条波形中读出输入输出电压的相位差, 两级接近为360度。总结数据, 实验过程及得到的实验结果, 与硬件设备环境下基本一致。
2.2 用LabVIEW图形化编程平台开发应用程序作电路实验
运用LabVIEW图形化编程平台可以开发出各种电子虚拟仪器及实验电路, LabVIEW的构图效果、信号分析和运算能力, 尤其图形分析和显示能力十分强大, 将开发的应用程序添加到虚拟电子实验室中, 可完全满足电子电工课程实验的要求 (见图1) 。
以运放积分电路为例, 实验原理电路和界面 (如图1) , 这里使用LabVIEW图形化编程平台构建运放积分电路。既有电压计, 又有显示屏, 模拟真实环境形象直观。实验中, 可以人机对话动态地改变R1、Cf阻值, 反映电路输出与输入电压关系的数据和曲线随之在一个显示屏上直观地显示出来, 验证了公式:VO=即输出电压与输入电压对时间的积分成正比。图中输入为负向阶跃电压时, 积分运算电路的输出正向电压波形。一段时间后, VO升至饱和区。可以动态地改变Vin、R1、Cf的值, 输出电压VO也随之动态地改变, 虚拟实验结果和硬件环境基本一致, 使用LabVIEW做仿真实验的交互性更好, 环境逼真, 显示功能也更强。
3 结语
借助虚拟仪器平台和Multisim软件完成《电子技术》课程中的相关实验, 建立虚拟实验室, 具有效率高、实验内容丰富、硬件费用低、使用灵活方便、集成性强等明显优势。电、声、光、动画各种手段相结合, 内容逼真丰富、生动直观、容易理解, 为探索实验改革, 提高实验教学质量起到了重要的作用。
摘要：随着现代电子技术的飞速发展以及教学内容的不断更新, 传统实验仪器和实验模式逐渐暴露出一些不足。运用虚拟仪器技术建立起虚拟电子实验室, 在电脑上安装虚拟电子实验应用软件并在其中做各种电路实验, 可以显著改进电子课程实验教学的教学质量。
关键词：虚拟实验,虚拟仪器,实验教学,LabVIEW