电子技术实验模块设计中NI ELVIS的应用

齐齐哈尔工程学院 张 磊

本文以基于NI ELVIS电子技术实验模块的设计应用为研究对象，首先对不同类型的电子技术实验进行了简单的介绍与分析，随后探讨了基于NI ELVIS的模拟电子技术实验模块设计应用，最后针对数字电子技术实验模块，提出了基于NI ELVIS平台的设计应用措施，希望能够为相关研究提供一定参考。

传统电子技术实验较为复杂，学生在实验过程中，常会因为接线错误或其他原因导致学生精力被分散，难以专注于实验本身的研究。因此，通过在NI ELVIS平台之上，做好电子技术实验模块的设计应用，能够有效解决这一问题，让学生专心进行实验操作，锻炼学生的创新能力与实践能力，从根本上提升实验教学效果。

1 不同类型的电子技术实验概述

当前，在高等教育实验教学中，电子技术实验教学发展已经日趋完善，并且已经形成了一个完善的实验项目体系，这些实验教学本身有着较强针对性，且层次分明，能够呈现丰富的知识，已经在很多高校中得到了良好的应用。学生通过参与这些实验，在教师引导下，能够锻炼自己的动手实践能力，加深学生对理论知识的理解，提高学生学习效果。

按照知识点综合程度这一标准，我们可以将电子技术实验项目分为以下四种类型：

一是基本技能型实验。这种实验整体操作相对简单，包含内容也并不复杂，主要目的是让学生在参与实验的过程中，掌握一些实验电子仪器的用法。在高校中，比较常用的电子实验仪器有很多，比如：双踪数字示波器、信号发生器、晶体管测试仪等，这些仪器均有专门针对性基本技能实验；此外，在基本技能型实验的帮助下，学生还能够了解识别基本的电子元器件，比如：电容、电感、半导体器件等，并认识到不同实验项目设计的实验模块。

二是验证型实验。这种类型的电子技术实验与理论教学内容有着非常紧密的联系，通常需要学生通过操作相关的实验，来验证所学的一些理论知识的正确性；在这一过程中，进一步加深对实验仪器仪表操作的了解与熟悉；同时，对于理论知识理解也会更加深刻，在此过程中，学生还可学习如何进行数据的测试与处理。

三是综合型实验。在这种类型的实验中，涉及到的内容通常具有综合性、复杂性特点，要求学生将不同知识点融合在一起，才能顺利完成电子技术实验的操作。一般只有在学生经过一段时间的学习后，才能有机会接触到这类实验。通过该类型实验，能够有效检验学生对知识综合应用及分析的能力。对于综合实验而言，本身开放性更强，耗费时间更久，期间需要学生自主进行相关资料查找，做好实验数据的处理，能够有效培养学生独立思考能力与独立工作能力。

四是设计型实验。相较于综合性实验，设计型实验开放性更强，通常由教师给定实验任务的要求与条件，学生自主进行实验方案的设计，并最终通过实验完成教师布置的任务。在整个实验过程中，学生有着非常大的自主性，需要学生综合应用各学科知识，寻找实验核心原理，自主确定实验材料、实验所需的仪器设备、实验发生条件等，并以此为依据，完成实验方案设计，最终达到实验目的。这对于培养学生创新能力、团队协作能力、独立解决问题能力有着较为积极的影响。

综上，通过上述四种类型的电子技术实验我们能够认识到，这些实验本身有着不同的目的，在对学生能力培养方面也有着较强的针对性，能逐步引导学生学习掌握更深层次的知识与操作技巧，提高学生综合素质。基于此，通过结合上述四个类型的电子技术实验项目，做好针对性实验模块的设计与应用；在此基础上，再进一步整合不同实验模块，使其形成一个完整有价值的实验系统，能够让学生的实践能力得到有效培养，并真正应用于未来工作实践中去。

2 基于NI ELVIS的模拟电子技术实验模块设计应用

验证型实验是模拟电子技术实验的一项比较经典的实验项目，该实验项目包含诸多内容，常见的有单级晶体管共射极放大电路、功率放大电路等。在当前的模拟电子技术理论教学中，上述实验项目均囊括了很多典型的应用知识点，使学生对理论知识的理解有重要的帮助。实验项目要求学生以相关原理图为依据，选择在实验室的实验箱或面包板之上，自主搭建相应的电路，并做好电路试运行，分析电路运行结果。在实验开展过程中，学生也会遇到一些问题，多是因为没有正确进行插线连接所引发。若电路的干路连线比较复杂，比如：多级阻容耦合放大电路便是其中典型代表。针对该电路，仅依靠学生自身，虽大量耗时也很难及时发现错误的连线，因此会给学生带来挫败感。为避免出现这类问题，在实际进行实验模块设计时，针对连线电路，需要制成印制电路板形式，让学生可以直接将元器件安放在模块上。在实际进行电路测试时，针对线路连接，能够借助跳线帽来完成，保证线路连接的正确性。

例如：针对某两级放大电路实验模块设计中，根据该电路原理图元器件排列，设计的模块会与之一一对应，学生在实际进行实验操作时，只需要将元器件插入相应位置；在PCB板之上，可以利用走铜线，提前将不同元器件准确连接在一起。在实际测试时，由于设置有专门测试点，然后通过导线引出接入ELVIS原型板之中，即可在测试点之上完成测量工作。如果电路需要依次测量，在实际进行模块设计中，引入了插针元件，该元件的默认状态是断开状态，只需要安插上短接帽，即可处于连接状态。仍以两级放大电路为例，针对第一级放大电路静态工作点，在实际调试过程中，可以将插针默认断开进行测试，如果需要两级放大，只需要在测试点安插上短接帽，即可使得电路处于连接状态。这种实验模块的设计，能够减轻学生实验压力，让学生能够专心分析实验原理和结果。

针对功率放大电路的实验项目模块，还可以按照实验模块上的电路，分步骤做好元器件的安插，第一步能够让学生观察双电源互补对称电路的交越失真程度；第二步能够组成偏置电路，从而有效缓解电路交越失真的问题；在此过程中，通过在电路中引入二极管，能够为三极管提供合适的偏压，使其处于微导通状态，如此一来，学生能够对改善后的交越失真情况进行全面了解；第三步还可以在模块上引入自举电路，电路有相应元器件组成，从而促使功率放大电路的特点得到彰显，还能够逐步展示不同操作下的器件组成原理，并让学生对相应原理有全面的认知。在此基础上，还能够进行波形对比输出，进一步加深学生印象，能够有效改善以往电路连线错误带来的问题，充分发挥实验的价值。

3 基于NI ELVIS的数字电子技术实验模块设计应用

从当下高校开展的数字电子技术实验现状来看，采用的数字集成芯片规模均较小，难以满足实际实验需求。比如：想要完成一个规模相对较大的综合型数字电路实验，通常需要多个通用集成芯片，不仅效率低下，而且在实际应用中，这些芯片应用已经越来越少，无法起到锻炼学生能力的作用。基于此，在现有数字电子技术实验模块设计应用中，应积极引入一些先进的器件与技术。比如可以引入可编程逻辑器件，从而让学生能够学到更多贴合实际的知识与技术。对于通用型中小规模集成电路而言，虽然在理论上也能够组成较为复杂的数字系统，但在实际操作上可行性不佳，因为在面包板之上进行电路搭建时，容易出现线路接触不良问题，且问题原因多种多样，学生很难在短时间内找出解决的方法，容易打击学生开展实验的积极性。为解决这一问题，可以在实验模块设计中，引入可编程逻辑器件（CPLD），设计人员能够在相应软硬件环境的帮助下，自主完成芯片的功能定义。学生也能够在此过程中完成数字系统设计输入、编译、优化、仿真、下载、执行等，可有效实现学生实践操作能力的培养。对于CPLD实验内容设计而言，能够给予学生更大的自主探索空间，不会让学生局限于理论，仅仅对相关原理进行验证，而是能够引导学生从全局入手，了解一个完整数字系统的设计，并且在其中能够有机会应用新兴的技术，提高学生实践能力。

对于综合性和设计性较强的数字电子技术实验模块设计来说，需要做好CPLD数字电路实验模块的设计，在初始设计中，模块功能一般较简单。具体而言，通过在模块设计中引入Max 7000s系列CPLD芯片，同时提供了Byte Blaster下载线，I/O引脚自定义，并将引脚引出至模块插孔上，交由学生自定义，NI ELVIS则需要提供芯片的电源。在后续过程中，随着学生理论知识越来越丰富，实验模块设计会更深入，一般会在此基础上，设计出CPLD实验模块2.0，在显示终端之上，额外新增了液晶屏、8×8点阵、蜂鸣器等器件；同时对电源也进行了改进，不再需要 NI ELVIS供电，而是采用了USB供电，防止学生出现电源接反问题，导致芯片被烧毁。在新的实验模块设计中对CPLD芯片也进行了更新，采用了更先进的VHDL文本设计；下载方式也变得更加丰富，学生可以选择串口下载，也可以选择USBCPLD实验项目模块进行下载，能够从根本上排除接线复杂的干扰，保证实验结果的准确性，同时也给予了学生一定的自主开发空间，让学生有机会进行开发实践。从当下数字电子技术理论课程和实验课程内容来看，关于VHDL或Veilog硬件编程语言内容比较少，因此为了更好完成实验，使用先进的仪器设备与技术，还需要学生利用课外时间，加强上述编程知识的学习。通过在CPLD实验项目模块的帮助下，能够让学生在实验室以外的地方进行使用学习。学生可以结合自身兴趣，做好相应数字系统的开发研究，真正意义上实现实验室开放，有利学生综合素质培养。

总结：通过做好电子技术实验模块化设计，不仅能够有效帮助学生排除一些客观因素的干扰，让学生专心于理论知识的验证与实践操作技术的锻炼；同时，也为学生提供了更为广阔的自主研究空间。因此需要采取有效措施，加强对不同类型电子技术实验模块化设计，促使实验模块设计的作用得到发挥，提高学生实践能力。