虚拟仪器进行电子技术演示实验的问题探讨

来源 :电脑知识与技术 | 被引量 : 0次 | 上传用户:djsfhkjthrekl
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要:电子技术主要运用电子元器件进行电路设计,并通过某种特定的功能实现,来解决生产设备中存在的实际问题。因此电子技术中有较多的演示实验,电子教学需要使用各种虚拟仪器,引导学生完成某些教学内容与实验步骤。该文主要探讨虚拟仪器展开电子技术演示实验的问题,通过分析虚拟仪器技术的特征与应用途径,提出高效的电子自动化信息测量方案。
  关键词:虚拟仪器;电子技术;演示实验;问题
  中图分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2017)36-0187-02
  虚拟仪器技术是集合模块化硬件和软件的操作平台,虚拟仪器技术引入到电子技术演示实验中,能够有效改善传统仪器的测量精度与扩展性问题。虚拟仪器技术中硬件模块的性能高,在软件开发与扩展性方面也非常灵活。因此使用虚拟仪器进行电子技术的演示实验,能够满足实验者的测量与数据处理需求。
  1 虚拟仪器的结构组成与主要特征
  1.1 虚拟仪器的结构组成
  在计算机数字技术快速发展的环境下,数字信号处理代替原有的硬件信号处理技术,成为数据信息处理的主要方式。虚拟仪器包括软件、模块化I/O硬件和集成软硬件平台三部分,其中软件为虚拟仪器最重要的组成部分。在虚拟仪器软件中可以自由设置交互界面,还可以对某些程序模块进行调用或修改。而且在LabVIEW程序开发环境中,系统内的软件和硬件可以快速实现连接,并对相应的数据信息进行处理与存储。在系统中数据信息处理完成后,显示面板会将最终结果展示给用户。在数据测量与应用日益复杂的情况下,模块化I/O硬件能够为教师、学生提供多样化的软硬件组合方案。任何形式的电子电路接口,都可以用相应的模块化硬件产品进行解决。在声音测量、信号处理、数据采集和仪器控制等方面,通过分布式I/O模块可以实现数据的控制与管理。机箱、系统控制器和外围模块组成的硬件平台,逐渐成为软件自动化和信息测量的主要构架。PXI机箱为系统提供了坚固的模块化封装,其具有较高的灵活性和开放性,自动化信息测量的成本也较低。
  1.2 虚拟仪器的主要特征
  虚拟仪器搭配计算机的显示器和仪器插件卡等,能够完成演示实验数据信息的控制与屏幕展示。虚拟仪器作为计算机软硬件结合的仪器,可以在电子技术实验演示过程中进行声音、信号等信息的自动测量。因此虚拟仪器通过将数据搜集、数据分析和数据存储等模块集合为一个整体,来实现各种信息的处理活动。教师只需点击鼠标输入相应的指令,就能够在虚拟仪器中查看相应的实验测试结果。对于电子测量示波器中的信号变化,可以运用不同颜色进行输入波形、输出波形的显示。虚拟仪器中的测控功能硬件,能够与计算机硬件平台进行连接,从而完成计算机内部的资源共享操作。而且虚拟仪器在电子技术演示实验中的灵活度较高,用户可以根据自身的测量需求,对虚拟仪器的硬件进行配置与整合。当前存在的主流电子技术演示实验仪器,主要包括逻辑分析仪、波形示波器、多功能虚拟信号分析仪、数字电路测试仪和高精度数字频率计等。在各种测试仪器结合为一个整体的情况下,虚拟仪器能够将最终的测试波形和数据信息投射到屏幕上。学生只需观看虚拟仪器的屏幕,就能够获取想要的电子技术演示实验结果。
  2 电子技术演示实验教学方式及存在的问题
  2.1 实物演示方式及存在的问题
  传统电子技术演示实验教学运用实物演示,实物演示的电路元件更加真实,最终的仪器测量结果也更具说服力。但由于电子技术演示涉及的仪器较多,所以实物演示在教学实践方面的效果较差。而且实物演示需要将各种实验仪器搬运到课堂中,在实验仪器屏幕较小的情况下,学生很难看清实验仪器操作的整个流程。因此使用实物演示的电子技术测量方式,不能满足课堂教学的观察与操作要求。
  2.2 视频演示方式及存在的问题
  视频演示是提前录制的演示方式,需要专业人员对教师的实验流程进行摄制,并添加相应的字幕成为一个视频。教师在电子技术演示实验教学中,只需要播放相应的演示视频,就能够向学生讲解实验的整个流程。这种播放多媒体视频的实验演示方式,能够立体性的展现实验操作的过程,学生也可以更加直观的了解实验的主要流程。但对于视频演示文件的录制,需要由专业的视频制作人员进行操作。而且一旦完成电子技术演示实验教学视频的拍摄,教师很难对其中的教学步骤进行调整与更改,所以这种演示实验的灵活性较低。
  2.3 计算机模拟仿真演示方式及存在的问题
  PSPICE计算机辅助设计软件、Multisim仿真工具等,都可以用来完成电子技术演示实验。教师可以使用PSPICE计算机辅助设计软件,将其中的各种实验仪器进行连接,并对不同元器件設置相应的参数,最后还要对模拟仿真测试结果进行分析,与电子技术演示实验理论结果进行比对。教师在电子技术演示实验的教学中,可以随时调整模拟软件中的电路连接,以适应当前的电子技术教学内容。而且计算机辅助仿真软件中的实验仪器,与现实中的演示元器件非常相似,得出的仿真实验结果也较为客观。但计算机模拟仿真演示的方式,仍旧属于虚拟的仿真实验,其在电子技术演示实验中的真实性较差。
  2.4 计算机教学课件演示方式及存在的问题
  教学课件演示方式是演示实验教学最常用的方式之一,其主要通过Authorware、Flash等制作PPT课件,然后在课堂中进行课件的播放。这种辅助演示方式中包含图片、文字、声音和视频,教师还可以引入相应的实验教学流程,或者对教学课件的某些部分进行调整和修改。但教学课件演示的方式过于理论化,学生不能通过简单的视频动画,来了解电子技术实验的每个流程。而且教学辅助课件只能展示某几种实验内容,无法对所有实验流程进行详细介绍,因此教学课件演示实验的真实性较低。所以在电子技术演示实验教学中,引入虚拟仪器技术进行演示实验,能够有效提升电子仪器的测量精度与扩展性。   3 虚拟仪器在电子技术演示实验中的应用
  3.1 虚拟测量仪器的构成及发展
  在电子技术演示实验的操作中,需要配备拟仪器、单级放大器、直流稳压电源、信号源和液晶投影系统等硬件设施。虚拟测量仪器主要包括硬件电子线路、计算机软件、显示器与虚拟旋钮三部分组成。虚拟测量仪器可以通过相应的软件算法,来完成对声音和数字信号的处理活动。虚拟测量仪器能够代替传统电子线路,在信号测量精度方面也远远高于传统电子线路。而且在完成数字信号的处理后,可以通过计算机中的显示屏进行数字与波形的显示。因此虚拟仪器包含软件测量、虚拟面板两部分内容,分别承担着数据信息处理与显示的职能。
  3.2 基于虚拟仪器的电子技术演示实验系统
  虚拟仪器的电子技术演示实验系统,主要包括实验电路模块、数据采集卡、电源和计算机。其中实验电路模块中存在一个电路面包板,教师可以根据自身的教学需求,在电路面包板中组建相应的演示实验电路。而电路面包板又与数据采集卡进行连接,数据采集卡会将演示实验电路中的信息,传输至计算机系统。计算机系统中有虚拟仪器软件,其可以完成对电路中数字信号的测量活动。在数字信号数据处理完成后,计算机屏幕会在显示板中给出最终的仪器测量信息。虚拟仪器的电子技术演示实验系统如图1 所示。
  本文使用美国国家仪器公司生产的虚拟仪器教学实验套件,来构建电子技术演示实验系统。在LabVIEW程序开发环境的前提下,数据采集卡、虚拟仪器教学实验套件中整合了常用的实验仪器。其中最重要部分为用户自定义工作台,用户可以对原型实验板中的信号连接器进行自行配置。虚拟仪器教学实验套件有以下几方面的功能与作用:1)高精度数据采集器、电子测量示波器、NI ELVISmx波特图分析仪和阻抗分析仪等,能够对信号中存在的各种信息进行分析;2)然后使用万用表电子测量仪,对电路中的电阻、电压、电容、电感和电流等进行测量;3)任意波形发生器作为信号源的一种,其能够根据使用者要求进行测试信号的仿真,并将最终的信号信息提供给被测电路。信号发生器也能够提供各种信号频率和波形,还可以输出输出电平的电信号;4)数字I/O可在多个逻辑电平下采集和生成数字信号和模式,用户可以通过数字I/O进行电路特性分析和线路切换;5)虚拟仪器教学实验中的直流电源,可以通过相应程序控制在 /-15V之间,还可以手动调节可变电压的参数。从以上虚拟仪器教学实验套件的功用分析中,可以得出:虚拟仪器教学实验套件是集多种电子测量仪器与一体的系统,其能够满足电子技术演示实验的课程要求。
  除此之外,教师还可以在LabVIEW程序开发环境中,进行NI ELVIS原型实验板的功能扩展。在电子技术演示实验教学之前,需要将计算机中的数据采集卡,与虚拟仪器教学实验套件的工作面板进行连接。然后在虚拟仪器教学实验套件的工作平台中,进行电子技术演示实验的构建,并使用计算机来控制各种操作指令。教师在进行电子技术演示实验的过程中,学生能够通过投影仪屏幕,来观看教学的仪器操作流程,并记录最终的演示实验结果。由于演示实验电路完全使用电子元器件建构,因此虚拟仪器教学实验套件测量的真实性较高,最终演示实验结果也较为客观。
  4 虚拟仪器的电子技术演示实验教学实例分析
  4.1 电子技术演示实验教学实例
  本文主要以反相放大电路演示实验为基本内容,向学生展示运用虚拟仪器进行教学实验的整个流程。在反相放大电路演示实验开始之前,需要借助多媒体视频向学生展示每个元器件,反相放大电路演示实验的元器件包含:R1(10kΩ电阻)、RF(100kΩ电阻)、单运算放大器741和导线若干。之后教师要引导学生进行虚拟仪器教学实验套件的电路构建,电路构建的过程也需要通过多媒体视频进行播放。反相放大电路演示实验电路图如图2所示:
  从图2中可以看出:FGEN FUNC OUT为整个电路提供输入信号,所以要将电路导线接入虚拟信号发生器的工作台,另一个导线要接入到虚拟信号发生器的GROUND。在电子技术演示实验的输出端,则需要进行ACHO、GROUND等引脚的连接。在电子技术演示实验过程中,首先应该将虚拟信号发生器调整至1kHZ、200mV的正弦曲线。之后利用虚拟示波器的高性能模块,来开启波形函数的第一模拟通道和第二模拟通道。将第一模拟通道的“触发信号源选择”,调节为“ACHO”;将第二模拟通道的“触发信号源选择”,调节为“FGEN FUNC OUT”。在完成对两个模拟通道的设置后,运用第一模拟通道进行输出信号的检测,运用第二模拟通道进行输入信号的检测。最后将第一模拟通道的电压/格设置为1V/div,第二模拟通道的电压/格设置为100mV/div,时间/格设置为500s/div。虚拟示波器面板中的波形显示如图3:
  通过以上实验发现,在电子技术演示实验输入电压为100mV的情况下,得到的输出电压为1V,所以反相放大电路对电压的放大倍数为10倍。而且从输入电压、输出电压的波形来看,两电压在波形函数中的相位差值为180°。因此使用虚拟仪器进行电子技术演示实验,能够大大减少各种测量仪器的移动工作量。同时在虚拟仪器中存在着不同数据的显示面板,可以显示所有的信号处理结果。教师在电子技术演示实验教学中,可以将仪器操作流程和实验结果投影到屏幕上,这能够有效提升电子技术演示实验的教学效率。
  4.2 虚拟仪器存在的局限性
  利用虚拟仪器进行电子技术演示实验,虽然能够有效解决演示实验中的儀器测量、数据显示问题,但也存在着一定的局限性。在计算机硬件、数据采集卡性能不足的情况下,仅仅依靠虚拟仪器无法完成信号波形与数据的统计分析。而且在计算机网络传输受阻的情况下,虚拟仪器进行数据处理与信息显示的响应时间会明显延后,因此实验教学主体需要对以上问题引起注意。
  5 结束语
  本文主要研究了运用虚拟仪器开展的电子技术演示实验。通过使用虚拟仪器技术,能够帮助教师方便快捷地完成演示实验,并可以通过投影屏幕对仪器操作流程、实验结果进行展示。因此虚拟仪器在数字电路测量、数字频率、虚拟信号、波形函数等测量方面,具有广泛的可行性与真实性。
  参考文献:
  [1] 范蕴秋.电子技术演示实验中虚拟仪器的应用研究[J].电子技术与软件工程,2013(20).
  [2] 周小凤,肖俊生.虚拟仪器课程教学方法探索与实践[J].中国电力教育,2013(22).
  [3] 刘严.虚拟仪器课程教学的改革与探讨[J].国外电子测量技术,2013(04).
  [4] 马进,赵洪亮,牟建.虚拟仪器在电子技术实验中的应用研究[J].中国仪器仪表,2016(07).
  [5] 罗刘敏,王明霞,刘晓青.基于虚拟仪器技术的传感器实验教学系统研究[J].科技创新导报,2017(20) .
其他文献
贾启彬,是一位尊师重教的热心人。如今,只要提起贾启彬这个名字.贵州西洋学校的师生无不充满着感激之情。西洋学校的前身是贵州国营二七六厂子弟学校。因建校时间长,电线、水管均
中医药文化是中华民族优秀传统文化的重要组成部分,是中医药学的思想基础和内在精神,是中医药特色的优质体现。利用当代信息技术加强对名老中医的宣传力度,是实现名老中医经验传
连续三年随机对西安市大型超市、批发市场和基地中的五大类蔬菜及水果进行了随机抽样检测,共抽取样品1808个,采用气相色谱、液相色谱、气质联用色谱定性定量检测。结果表明:①不
以烤烟云烟87为材料,通过对散烟、烟夹、挂竿三种装烟方式的对比,研究了安康烟区不同装烟方式密集烘烤对烟叶质量和经济效益的影响。结果表明:挂竿烘烤和烟夹烘烤烤后烟叶桔黄
通过试验了解氮、磷、钾肥料在旱地玉米上的增产效果,试验表明对旱地玉米产量贡献度最大的依次是氮肥、钾肥,磷肥;氮、磷、钾肥的2水平配合施肥量符合旱地玉米需求。氮磷钾单
采用文献资料及逻辑分析等研究方法。从现代化视角对体育的传统性与现代性进行了分析,并从政治、经济、文化、社会、科技、体育本质属性等领域对体育的传统性、第一现代性和第
为提高龙胆草中草药制作品质及工作效率,利用真空微波干燥技术对龙胆草进行干燥,针对龙胆草微波真空干燥电能消耗大的问题,以能耗为考察目标,选取微波强度及真空度为优化试验考察
<正> 随着人们对环境和健康的日益重视,对挥发性有机化合物排放标准要求越来越高,涂料行业重新唤起了对无机矿物涂料的兴趣。无机矿物涂料原材料组成、成膜机理以及工程应用
<正> 苯本分析月初,10月末交付的苯价格为380~390美元/t(fob韩国)。苯乙烯市场疲软以及原油价格下跌使苯价格下滑,下半月有2笔11月下半月交付的货物以365~370美元/t(fob韩国)成