高校虚拟仪器电工电子实验应用研究

李志瑞，程万里(安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南安阳455000)

高校虚拟仪器电工电子实验应用研究

李志瑞，程万里
(安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南安阳455000)

针对目前传统的高校电工电子类实验教学中存在实验设备陈旧、落后等问题，结合LabVIEW虚拟仪器技术，采用模块化思想，设计了应用在高校电工电子类实验教学中的虚拟实验教学系统。此虚拟实验教学系统可满足电工电子类课程的实验教学任务。

电工电子实验；虚拟仪器；LabVIEW

0　引言

实验教学是高等工科学生培养中的一个很重要的实践教学环节，对提高学生的实际动手能力，培养学生的创新能力，培养应用型人才起着非常重要的作用[1]。尤其是对电工电子类等实践性很强的基础课程，如《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》等，实验教学更是至关重要。目前传统的实验教学多采用实验设备厂生产的实验箱、实验仪器等进行实验教学。实验室设备存在设备陈旧、落后等问题，跟不上电子信息产业发展的步伐，制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。此外普通实验室还存在实验仪器设备的调试、管理、保养、易损坏等问题。

基于LabVIEW的虚拟仪器技术的提出，可较好的解决这些问题，虚拟仪器是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，可以在很大程度降低实验成本，提高实验效率[2]。虚拟仪器技术是未来实验仪器仪表的发展方向，拥有一台虚拟仪器系统，就相当于拥有了个人实验室。

虚拟仪器实验教学环境的提出，不仅可以节省购买实验仪器设备的花销，还能够保持实验室实验教学设备的先进性与可靠性。更加重要的是可以提高高校电工电子实验教学的质量与效率，形成一个新型的电工电子实验课程教学体系，以适应培养应用型本科人才的需要[3]。

目前国内外许多高校充分利用现有的计算机资源和适当的仪器模块，在美国NI(National Instru⁃ment国家仪器公司)的LabVIEW开发平台上，利用其强大的图形化编程功能，通过生成自定义的实验所需的仪器、建立了虚拟仪器实验室，形成了新的实际操作与计算机相结合的实验教学模式，并取得了非常好的效果。

1　虚拟仪器技术

1.1虚拟仪器技术的概念、发展

近几年来，虚拟仪器（Virtual Instruments，VI）技术在仪器仪表行业得到了越来越广泛的应用。随着计算机技术、通信技术、网络技术等的飞速发展，虚拟仪器技术的发展前景更加广阔[4]。

虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能，结合计算机技术和数据采集技术的综合，采用数据采集卡采集数据，计算机中用图形化的界面语言制成功能强大、灵活易变的计算机测控系统代替传统仪器的功能。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。通过这些模块的组合，可以提高测量和自动化系统功能的灵活性，满足用户自定义的各种测试需求[5]。

1.2虚拟仪器开发软件LabVIEW

LabVIEW是美国国家仪器（NI）公司推出的虚拟仪器集成开发环境，是目前应用最广、发展最快、功能最强大的图形化软件开发集成环境。采用图形化方框（G语言）代替了传统的程序代码，作为编写应用程序的语言。用LabVIEW设计的虚拟仪器可以脱离LabVIEW的开发环境，最终呈现在用户面前的是和实际的硬件仪器相似的操作面板，从而可以实现直观，简洁，方便，易操作等诸多优点[6]。

2　电工电子虚拟教学实验室构建方案

电工电子虚拟教学实验室作为一个仪器设备和数据等资源的交互共享以及可交互控制平台，具有使用方便、灵活，图形界面友好、可视，根据课程需要自行实验设计，用于教学科研等特点[7]。

电工电子虚拟教学实验室的实施应从以下几个方面展开：

首先，在现有的计算机资源的基础上，购进最基本的数据采集卡等采集设备和LabVIEW软件，开发出一系列在电工电子实验教学中常用到的虚拟仪器，代替传统实验仪器，可以节约投资、优化实验设计、提高实验效率、提高实验教学质量。

其次，学生在已建立的虚拟电工电子实验室中完成基本的电工电子实验，掌握如何用虚拟仪器来进行数据处理，观察和分析实验结果，诊断设备故障等。

最后，组成电工电子虚拟实验教学系统，增加综合性实验。学生根据实验具体要求，自行设计各种软件面板，定义仪器的功能，并以各种形式表达输出结果，进行实时分析，培养学生的创新和科研能力。

3　电工电子虚拟教学仪器设计

电工电子虚拟教学实验室中应该根据课程设计实验方案，包含电子电路、数字示波器、函数发生器、信号滤波器和信号调理电路等一系列虚拟仪器，才能满足电工电子类课程的实验教学需要。

本设计是采用硬件NI-6009多通道采集卡，LabVIEW2012版，NI-DAQmx数据采集助手等，共同设计电工电子实验教学过程中所需的一些常用的基于LabVIEW的虚拟实验仪器，如信号发生器、示波器、频谱仪、网络分析仪等，从而构建一个虚拟化的由计算机系统和采集卡构成的虚拟实验室并应用在电工电子的实验教学当中[8]。

3.1虚拟示波器设计

数字示波器是数据采集、A/D转换、软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器，是实验室中广泛使用的一种通用测试仪器。

虚拟示波器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中硬件设备与接口包括仪器接口设备和计算机，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序。本设计的信号采集由NI USB-6009 DAQ数据采集卡实现，信号处理与结果显示都由LabVIEW软件实现。

虚拟示波器由软件控制信号的采集、处理和显示，主要包括数据采集、波形显示、参数测量三大模块。

3.2虚拟信号发生器的设计

虚拟信号发生器的特点主要有：1）能产生常用信号、任意信号波形。常用信号有正弦波、方波、三角波和锯齿波；自由信号波形由公式设定。2）能存储波形，显示光标，并存储过程。3）可设置波形的频率范围、幅度、相位、直流偏移量、占空比和相位。

前面板用于设置波形数据和观察输出波形。是由用户操作界面，设计时应在实现传统函数发生器特性的基础上，使前面板美观、操作方便。

3.3虚拟频谱仪的设计

在实际应用中，信号的频率特性有助于了解信号系统的特性，如通过频谱分析可以了解滤波器特性、混频器特性等，还可以根据采集到的信息分析音频特性、校准仪器、估计噪声和振动程度等。

测量一个信号的幅相，就是对一个信号的幅度谱和相位谱进行频谱分析。幅度谱是表示幅度随频率变化的曲线，相位谱是表示相位随频率变化的曲线，共同构成了一个信号的完整幅相特性。

4　结语

为了改善实验条件、改革实验教学方法、更新实验教学内容、提高实验教学课程的开设水平，把虚拟仪器引入电工电子实验课程教学环节已成为一种必然的趋势。实践结果表明，虚拟电工电子实验室的应用，提高了实验效率，降低了实验成本，增强了学生学习的积极性、创新性和主动性，为实验教学的创新及改革指引了方向。

[1]施敏敏.虚拟仪器在电工电子实验教学中的应用[J].中国科教创新导刊，2011（34）：211，213．

[2]李啟尚.虚拟仪器技术引入电工电子教学的思考[J].考试周刊，2013（66）：133-134．

[3]钟仙凤.虚拟仪器在电子类课程实验中的应用与研究[D].青岛：中国海洋大学，2008．

[4]蒋漪涟.基于LabVIEW电子信息类实验教学系统的设计与实现[J].现代电子技术，2011（16）：152-154，160．

[5]刘刚，嵇英华，蔡十华.虚拟仪器技术及其在电工电子实验中的应用[J].江西教育学院学报，2007，28（3）：15-17．

[6]邓明.基于虚拟仪器技术的高师电子类实验教学创新体系[J].电脑知识与技术，2010，6（34）：9885-9886，9889．

[7]谢东坡，高云，余成波.基于labVIEW平台的虚拟实验室研究[J].试验技术与试验机，2007（3）：40-43，46．

[8]陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M].北京：电子工业出版社，2006．

(责任编辑：赵建周）

The Application Of Virtual Instrument in College Electronics Experiment

LI Zhi-rui，CHENG Wan-li
（School of Electronic Information and Electrical Engineering,Anyang Institute of Technology,Anyang 455000,China）

The traditional electronics experiment in college existing equipment obsolete,behind other issues. Based on virtual instrument technology the college electronics experiment teaching system was designed by mod⁃ular thinking.The application of this virtual experiment teaching system can meet the experimental teaching courses in electronics.

electronics experiment;virtual instrument;LabVIEW

TP274；TN0-4

A

1673-2928（2015）02-0057-03

2014-09-12

李志瑞（1985-），男，河南许昌人，安阳工学院助教，硕士，研究方向：无线传感器、虚拟仪器设计。