虚拟测试技术在电子测量实践教学中的应用

马慧娟 韩淼

摘要：随着计算机技术、大规模集成电路和通信技术的飞速发展，尤其是测量信息论和系统论的不断完善，电子测量技术领域发生了巨大的变化，从理论到手段、从思想到方法、从技术到仪器无不在经历着一场浩大的变革。仪器的结构日趋复杂，导致专业的实验室建设需要投放过高的费用，且损耗过大，几年后就难以满足基本的需求，而且普通院校很难满足高端仪器的运用，这样就导致学生没有办法体会到这些专业的设备。文章研究了虚拟测试技术在电子测量实践教学中的应用，很好地解决了传统教学模式的弊端。

关键词：电子测量；虚拟测试技术；教学应用

“电子测量技术”是电子信息、通信技术、自动控制等专业的专业基础课。它不但为适应今后生产和科研中将会遇到的大量现代测量业务进行必要的准备，也对加深对本专业其他课程尤其是实践环节课程的理解有很好的作用。课程的目标是通过本课程的学习，使学生具有电子测量技术与仪器方面的基础知识和实际应用能力，掌握常用电子测量仪器进行一般的电子产品的调试和检验。但是，兴建一个功能齐备的测量实验室在普通院校里很难实现，这样就导致学生没有办法体会到这些专业的设备。

虚拟测试技术帮我们很好地解决了这个难题，随着计算机技术的快速发展，利用计算机软件进行的虚拟测试技术已经广泛应用到电子测量技术的实践教学中。采用计算机虚拟测试技术可以不受实验设备和实验时间的限制，弥补了实验设备不全造成的影响。

1 Multisim仿真软件中的虚拟仪器

1.1 Multisim仿真软件简介

Multisim是美国国家仪器推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模数电路板的设计工作。包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

它不仅可以用于实际工程的仿真，并且可以用于电子测量技术课程的辅助教学。一方面教师可以在理论课的讲授过程中随时随地将实验仿真的现象直观地演示给学生看，另一方面学生可以很方便地把学到的理论知识进行仿真，真正地自己动手再现出来，这样可以很好地提高学生的学习热情和积极性。

1.2 Multisim中的虚拟仪器

可用于电子测量的软件有很多，Multisim作为最流行的仿真软件，拥有直观的图形界面、丰富的元器件和测试仪器、强大的仿真能力、详细的电路分析功能，可以帮助用户方便地搭建电路原理图，并对电路进行仿真，将学到的理论知识真实地展现出来。

对于电子测量技术课程的教学，一般高校电子测量实验室都只能配备比较基础的测量设备，不能满足学生的需求。Multisim的仪表库中可以提供22种虚拟仪表，教师就可以利用这些仪表，来模拟实验室中没有的电子设备，从而开阔学生的眼界，提高学生的积极性，达到提高教学效果的目的。

Multisim中的虚拟仪器仪表主要包括数字万用表、函数发生器、示波器、逻辑转换仪、逻辑分析仪、频谱分析仪、波特图示仪等[1]。

2 波特图示仪在电子测量技术教学中的应用实例

电子测量技术实验教学内容较多，现以波特图示仪为例说明虚拟测试技术在实践教学中的优势。

2.1 波特图示仪的设置与使用

波特图示仪也称为扫频仪，用来测量和显示电路或系统的幅频特性与相频特性，常用于对滤波电路进行分析。它有两组端子，分别是IN和OUT端子，每组端子分别有“+”和“一 ”两个接线柱[2]。

波特图示仪面板分为Mode区、Horizontal区、Vertical区和Control区4个部分，如图1所示。模式区用于设置屏幕中内容的显示类型；水平区用于设置信号曲线的水平坐标，当测量信号的频率范围比较宽时，使用Log显示，所得的曲线较为直观。垂直区用于设置信号曲线的垂直坐标，当测量相频特性时，Y轴表示相位，单位为dB，通常采用线性刻度；控制区用于设置面板的相关参数。此外，移动波特图示仪的垂直游标可以得到频率相对应的电压比的大小或相位的度数[3]。

2.2 波特图示仪的应用实例

以滤波器电路为例测量其幅频特性和相频特性。具体步骤如下。

（1）建立滤波器仿真电路，如图2所示。注意在电路的输入端接入AC信号源，对其频率的设定并无特殊的要求。

（2）运行仿真，设置水平区和垂直区的初始值I和最终值F，设置水平区F为10 MHz，I为20 Hz，设置垂直区F为10dB，I为-50dB。

（3）观察并记录滤波器幅频特性曲线和相频特性曲线。使用垂直游标可以读出某一频率上的幅值和相位。

2.3 虚拟测试技术在实践教学中的优势

在利用波特图示仪来测量滤波器的幅频特性和相频特性曲线中，利用Multisim丰富的虚拟仪器，便于观察所设计的电路的工作情况及参数分析。电路中使用的AC交流信号源、直流电源、电容、电阻等元器件数值准确，避免了在实际硬件操作中元器件的标称值和实际值不相等的问题。可以排除此部分的误差，更好地分析电路的特性。

学生在传统实验室里，用实物做实验时，对接线的要求非常严格，万一接错线可能会烧坏元件甚至烧坏仪表，这样的话不仅造成实验材料的浪费而且还有一定的危险性。同时也会打击学生的自信心，使得学生不敢大胆地去尝试。而将Multisim引入教学，却可以把电路图故意接错，人为地、有目的性地去设置一些故障，比如短路、断路、漏电等，进行故障仿真时，会出现故障提示，这时教师再去引导和解释，会给学生留下深刻的印象，从而更好地去理解和掌握所学的理论知识。并且在以后的实际操作中会大大减少接线错误，在训练学生掌握正确的测量方法和熟练使用仪器方面都有明显的改善和提高，这是传统教学所不能比拟的优越性[4]。

3 结语

在电子测量的教学过程中，不仅要使学生掌握最基本的测量理论，更重要的是学会常用仪器的工作原理以及使用方法。因此，电子测量的实践教学占有举足轻重的地位，只有通过实践，学生才能够掌握一些经典的测量方法和常用仪器的使用方法，为今后从事测量技术工作打下良好的基础。

将Multisim软件引入电子测量技术的实践教学中，为学生提供一种可供他们体验和观测的环境，其建构出的逼真情境，生动地再现真实，让学生身临其境，记忆犹新。但是，我们也应看到在传统实验中培养学生动手能力的重要性，电路的连接和调试，这些实际操作是软件无法实现的。因此，应取长补短，将虚拟测试技术和传统实验相结合，达到最佳教学效果。

[参考文献]

[1]吴福高，张明增.Multisim电路仿真及应用[M].北京：航空工业出版社，2015.

[2]詹惠琴，古天祥，习友宝，等.电子测量原理[M].北京：机械工业出版社，2016.

[3]楊德，沈俊霞.MULTISIM仿真软件在电子测量课程中的应用[J].运程学院学报，2012（2）：41-43.

[4]王槐生，李娟娟.虚拟仪器在“电子测量技术”教学中的改革与应用[J].中国电力教育，2011（11）：107-108.