虚拟电子实验在课程教学中的应用

王建忠

（山西财贸职业技术学院 应用电子系，山西 太原 030082）

高职教育培养的是生产、管理、服务一线的高素质技能型人才，实验教学在整个课程体系中的作用越来越凸显。随着科学技术的进步，现代电子技术也在飞速发展，导致电子类专业无论教学内容还是实验方法都在不断更新、完善，传统实验仪器设备已不能适应这一需要，明显暴露出一些不足，如设备费用高，损耗大，使用不灵活等。以目前有限的教育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了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。虚拟电子实验室在相当程度上代替了传统实验室的硬件设备，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辅助教学手段和方法。

一、虚拟仪器开发环境

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。利用LabVIEW开发平台，采用相应软件在屏幕上即可生成各种仪器面板，可以完成对数据的处理、表达、传送、存储、显示等功能。采用LabVIEW设计开发出的虚拟仪器，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，很快就能得到新的结果，使用非常方便。

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先进适用的分析方法。Multisim9.0独特的电路工作区就像是一块具有丰富功能的“实验板”，在“实验板”上可搭接各种实用电路进行模拟仿真实验。Multisim有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。Multisim在国际上广泛用作高等院校“电路分析”、“模拟电子线路”、“数字电路”等课程的仿真设计平台。

二、虚拟电子实验的实现

1.用仿真平台Multisim9.0做电路实验

Multisim9.0可以在虚拟电子实验室中，对电路进行设计、分析计算、仿真运行等，它有一批实验室中常用的电压表、电流表、信号发生器、逻辑分析仪、数字脉冲发生器和示波器等仪表，由它们组成虚拟仪器库。

调用Multisim9.0软件中的元件库，如电阻、电容、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单管放大电路的仿真实验，即电阻分压式工作点稳定单管放大器实验（图略）。首先，在软件的电路工作区照图搭接好电路，在电路的输入和输出端，分别加上虚拟仪器中的交流正弦信号发生器和双踪示波器。

通过对该电路的仿真试验，一般可以做到：（1）学会放大器静态工作点的调试方法，分析静态工作点对放大器性能的影响。（2）掌握放大器电压放大倍数的测量。（3）观察输出电压波形的变化。在实验时，首先启动仿真开关，执行命令dc oprating point，系统就能够计算并显示出单管放大电路的各点静态工作电压。随后，对电路进行交流分析，在示波器上会得到输入波形和输出波形曲线。在示波器上，纵坐标是电路的电压幅度。对于电路的放大倍数则测试如下：调节好双通道示波器时基和通道设置，使输入和输出波形能够清楚地显示出来，用鼠标拖动游标1至输入波形的波峰，然后拖动游标2至输出波形的波峰，可以读得输入信号的波峰峰值约为Vb（mV）。同样，依照此方法还可以测出输出信号的波峰峰值约为Va（V），所以，电路的放大倍数Au=Va/Vb倍，电路的电压增益Ku=20logAu。输入输出电压的相位差，可以在示波器中的两条波形中读出，此例为180度。对于电路幅频特性测试：放大电路具有一定的频带宽度，下限频率受到耦合电容和旁路电容的影响，上限频率受到晶体管的截止频率的影响。用波特图示仪测试电路的幅频特性曲线非常方便（图略），将电路的输入和输出分别连接至波特图示仪输入和输出端，按下软件的仿真开关，运行仿真，双击XBP1波特图示仪的图标，设置合理的参数，将显示出电路的幅频特性曲线，用鼠标拖动游标，在图中曲线的中间水平线中可以清楚地得该电路的增益Ku,与上述计算所得到的结论基本一致。通过验证，虚拟实验所得到的实验结果，与硬件设备环境下得到的结果基本一致。

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，可完全满足电工电子类课程实验的要求。

图1 加法运算电路

以加法运算电路为例，实验原理电路和界面如图1所示，这里使用LabVIEW图形化编程平台构建加法运算电路。既有电压计，又有显示表，模拟真实环境形象直观。实验中，可以人机对话动态地改变Rf、R1的阻值，反映电路输出与输入电压关系的数据随之在一个显示屏上直观地显示出来，验证了公式：即输出电压与输入电压之和成正比，（2+1）=3。图中总输入为负电压时，运算电路的输出为正电压。 可以动态地改变 R1、R2、Rf、V1、V2 的值，输出电压VO也随之动态地改变，可以模拟加法运算，误差很小。虚拟实验结果和硬件环境下得到的结果基本一致。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。

三、结束语

借助虚拟仪器技术完成电子技术课程中的相关实验，具有实验效率高、设备费用低、实验内容丰富、使用灵活方便、界面友好、集成性强、与计算机技术同步发展等明显优势，这就为降低实验成本，更新教学方法，提高教学质量起到了非常重要的作用。在实验进行过程中，将声、光、动画等各种手段集合在一起，实验内容丰富、生动直观、容易理解，明显提高了实验的效率和质量。

[1]张钢，李云松，李晓洁.虚拟仪器技术在电子实验教学中的应用[J].中国科教创新导刊,2009(29).

[2]杨勇,郭玲,张钢.运用虚拟仪器技术改革电子实验教学[J].现代电子技术,2004(16).