刘子嵩/河北邢台技师学院
〔摘要〕实验教学在高职教育中起着相当重要的作用，但是长期以来实验设备和实验教学方法的落后在很大程度上制约了实验教学的质量。基于传统仪器的电子实验教学不仅在设备购置上成本较高，而且在设备维护上工作量也较大。另外，传统仪器是由专业厂家生产，功能固定而且单一，在一个实验项目中往往需要多台仪器配合使用，如信号源、示波器、电压表等。这不仅增加了设备的投入和维护成本，而且传统仪器较大的体积也增加了对实验场地的需求。虚拟仪器技术的出现给现代测试技术及仪器行业带来了一场革命。
〔关键词〕电子电路实验教学虚拟仪器
随着计算机技术的飞速发展,仪器的发展经历了从智能仪器到虚拟仪器的发展。虚拟仪器是计算机技术和测量技术完美结合的产物。虚拟仪器主要由两大部分构成:硬件平台和软件平台。硬件平台就是通用的计算机和I/O接口设备;软件平台主要由操作系统、仪器驱动、测试应用软件构成。虚拟仪器的“虚拟”主要有两层含义:虚拟仪器的面板是虚拟的(其在计算机的显示屏上显示);虚拟仪器的功能主要由软件实现。对传统仪器在电路中的分析而言,实验中一般需要信号源、数字示波器、数字万用表、频率计、频谱分析仪、失真度仪等多台设备。
一、虚拟仪器技术的特点
虚拟仪器(VirtualInstrument)的概念是美国国家仪器公司(NI)于上世纪80年代中期提出来的。这一概念的核心是以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能式的功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与PC机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了PC机智能资源的全新的仪器系统。虚拟仪器技术是将计算机技术、仪器技术和通信技术三者的有机结合，利用良好的虚拟仪器软件开发平台和数据采集卡，可以在屏幕上虚拟出与传统仪器相似的显示面板，用户通过点击这个显示面板，来调控虚拟仪器的性能。与传统仪器相比，虽然虚拟仪器也需要硬件支持，但硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。也正是由于软件是虚拟仪器的关键，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。正是因为软件就是仪器，所以用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。另一方面，利用计算机丰富的软、硬件资源，不仅可以大大突破传统仪器在数据的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果，而且为数据的快速共享提供了可能。
二、虚拟仪器的使用
第一，示波器。虚拟示波器是虚拟仪器最有特色的功能，运行该软件后，默认将启动示波器，在界面左下方的“示波器工作方式”下.可以选择示波器的五种工作模式。第二，频率计。按下“电源开关”下的“频率计”可启动虚拟频率计，频率的测量是通过对输入信号进行快速傅利叶变换（FFT）得到的，具有快速、实时的特点，但也给测量结果带来约10Hz的误差，如果想得到准确的频率值，可利用信号发生器的输入信号配合示波器利用李萨如图形法进行测量，如果将FFT取样数提高，则误差可以小于1Hz，但此时软件运算量会增加，一般无此必要。第三，信号发生器。按“信号源”按钮将启动信号发生器，信号为双路输出，可通过三芯测试电缆送出，在界面右边的“信号发生器”项目下，则可以同时调整两路输出信号的频率、波形和增益，输出信号频率从20Hz到20kHz可调，但受声卡DSP芯片采样频率及声卡质量的影响，实际输出的信号频率只有50Hz到巧KHz的正弦波比较理想，不过，用来完成一般的测量已经完全足够。第四，万用表。按下“万用表”按钮可以启动万用表功能，配合前面制作的两根测试电缆，连接后即可以对电阻、电容、电感和交流电压有效值进行测量。通常无论是数字式万用表还是指针式万用表，一般都无电感、电容的测量，而虚拟万用表则可以测量电感与电容。在测量前，要同时开启“信号源”并选择合适的信号输出频率，然后在主界面下部的“万用表”项目中，按下“设置基准值”，依照标准元件的标称值输入合适的基准，最后按下与元件类型对应的标志，如果测电容就按下“C”，比D显示屏上即可显示出待测元件的数值，比如标准元件为0.01uf，则基准值可以输入1。此时，若待测元件为0.068uf，则显示值将为68，其单位与设置的基准值一致。万用表的测量原理与普通的数字式万用表类似，唯一的差别在于它用交流测试信号代替了普通数字式万用表采用的直流测试信号，因此，作者并不推荐将它用作对直流电阻的测量。第五，注意事项。
三、虚拟示波器的测试
虚拟示波器测试时采用了固纬（GoodWill）GFG～8250A函数信号发生器作为外部模拟信号输入，用设计的虚拟示波器显示正弦波的波形。测试结果表明虚拟示波器采集的信号与传统函数发生器产生的信号吻合，参数测量精确，波形控制和触发控制响应迅速，显示正确，说明用LabVIEW开发的虚拟示波器的结果与传统示波器结果相一致。
总之，利用虚拟仪器技术，是高职院校改革实验教学的一个全新发展方向。虚拟仪器系统的高利用率和低成本，在实验教学中具有传统仪器无可比拟的优势，使用虚拟仪器代替传统的仪器以很好地解决高校实验经费紧缺的现状，对节约实验成本，提高实验质量意义重大。同时虚拟仪器的应用能更好地培养学生设计电路和创新的能力，巩固、加强学生对测试技术基本理论的理解和掌握，同时还接触到先进的技术，从一个更高的起点面对未来。