基于虚拟仪器的电子实验室的研究

张雪侠，付安英，商 莹

（陕西国际商贸学院 陕西 西安 712046）

基于虚拟仪器的电子实验室的研究

张雪侠，付安英，商 莹

（陕西国际商贸学院 陕西 西安 712046）

本课题是基于虚拟仪器的电子实验室的研究，通过对传统电子实验室的现状和问题进行分析，将虚拟仪器技术应用到电子实验室的设计中，解决电子实验室存在的问题。文中对虚拟实验室的整体设计结构进行了分析，其组成包括基本硬件电路和软件程序编写的面板。硬件电路的核心部分是数据信号的处理和数据采集的设计，通过PCI总线实现与计算机的连接，实现各种电路的设计和仿真，以及电子测量中的相关实验。同时学生可以通过虚拟环境进行自主设计电路，进行综合电路的设计和分析，提高学生的实践动手能力。

虚拟仪器；虚拟电子实验室；电路设计和分析；虚拟环境

实验室是工科类高等学校教学和课题项目研究的主要场所，实验室的建设对于科研项目的研究显得更尤为重要。 随着虚拟技术的快速发展，虚拟仪器、虚拟电子实验室等虚拟现实技术已迅速在电子实验、电子测量和电子设计等领域进行应用[1]。目前，虚拟电子实验室可以实现基本的电路测试和设计，但技术还不够成熟，其在教育教学等技术上的应用还需进一步深入研究。

1 目前现实电子实验室的现状及特点

目前我国高校电子类实验室中，现有的实验教学仪器和设备基本比较陈旧、老化，元器件的参数发生变化比较严重，并且不能及时进行更新，不能满足应用型人才培养的需要，学生的综合素质，特别是自主实践学习能力急需提高[2]。

现有的实验教学受教学方式、内容和仪器质量的影响，使学生接受的实验教学不够充分，一定程度上影响了学生综合实践能力[3]，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。

电路分析是一门实践性较强的课程，让学生利用已有的实验设备结合教师的教学要求进行实验操作，验证所学到的电路原理[4]。但实验过程中经常出现的问题有:1）由于学生电路接线错误或其他原因导致元器件烧坏，影响实验；2）学生实验的大部分时间都是在连接电路，对电路认真分析的时间很少，仅仅是为了得到数据而进行操作；3）实验的元件参数离散型比较大，仪器测量准确度不够，导致实验数据偏差较大，无法得到相应的结论。

针对电子实验室的现状和问题，要对实验室的存在形式和学生的学习过程进行分析，利用虚拟仪器技术，结合电子实验室的实验内容进行设计虚拟电子实验室，满足课内实验和自主电路设计的要求。

2 虚拟仪器与虚拟实验室

虚拟技术是利用计算机技术来实现传统仪器功能的技术，虚拟仪器就是利用计算机，结合相应的硬件和专用软件，实现既具有传统仪器的基本功能，又有一定特殊功能的灵活方便的新型仪器[5-6]。

虚拟仪器的整体结构如图1所示。硬件电路模块实现的功能为：利用传感器检测外部模拟信号，并将其转换成对应的电信号，利用信号检测电路对信号进行检测，同时对信号进行放大、滤波，得到处理后的电信号。之后对电信号实现A/D转换，通过DAQ数据采集卡实现数据的A/D转换和采集、处理。

图1 虚拟仪器的基本组成结构

软件部分由计算机来完成，它主要完成硬件电路的驱动程序9和虚拟示波器的设计。采集信号驱动程序流程图如图2所示。电路的统驱动程序硬件模块与PC机通过PCI总线的接口电路实现数据的通信。

图2 驱动程序流程图

利用虚拟软件的图形环境，建立友好的虚拟面板界面，操作人员通过简单的参数设置和图形化编程语言实现仪器的控制，完成数据的测试和处理。由于软件是虚拟仪器的关键，对于基本的硬件电路，只要通过不同的软件操作和控制就可以实现不同的功能[7-10]。另外虚拟仪器软件可以通过各种虚拟集成子块的组合，就可以代替部分或整个传统仪器的测试功能。在利用虚拟软件进行编写数据测试的过程中，数据的变化及处理过程如图3所示。

图3 数据的处理过程

因此利用虚拟仪器建立虚拟的实验室是非常有意义的，利用虚拟仪器完成信号发生器、示波器等基本设备，减少仪器的精度不够带来的误差，以及调试仪器的繁琐步骤，同时降低实验室的建设成本。

3 虚拟电子实验室的设计

虚拟电子实验室可以作为传统电子实验室的补充，在学生掌握实物实验的基础上，初步掌握仿真软件技术，将实验内容与理论紧密联系起来，并对实验过程进行具体分析，将课堂内容具体化。同时利用虚拟环境，对实验内容进行动态模拟分析，建立一种新型的实验教学方法，进而进一步提高实践教学效率和质量[11-14]。

虚拟电子实验室是以PC机为平台，运用虚拟仪器技术，根据实验室的实验内容设计出对应的测量仪器，实现多种测试系统。通过此虚拟实验室，可以很灵活的对实验系统进行操作，得到准确的数据，同时可以解决传统电子实验室设备存在的各种问题，将在高校的实验教学中发挥极大的作用。

虚拟电子实验室的整体设计结构如图4所示。整体设计内容包括3个部分，EDA系统实验、辅助教学系统、电子测量实验。EDA系统实验又分为模拟电子技术、数字电子技术实验和电路分析实验，此部分主要利用仿真软件完成硬件电路设计，并通过系统的仿真完成测试过程。电子测量试验需要利用外围的硬件电路搭建结合计算机的虚拟仪器界面，完成数据的采集和测量，并通过虚拟示波器得到具体的分析数据和波形。辅助教学系统主要是学生可以根据虚拟环境中的实验数据，生成实验报告，通过局域网中的电子极域教室提交实验报告，教师可以接收并修改实验报告。

4 虚拟仪器在电路分析实验中的应用

电路分析课程理论性较强，对于初接触电路的学生来数，很多的定理和电路分析方法和概念很难理解，所以就需要通过实验来进行解决。在了解了理论知识的基础上，搭建电路并通过测量仪器得到所需的数据，进而分析结果。但由于电路分析实验室的设备的老化，使测量数据存在很大的误差，对结论的分析存在很大的影响。并且在实验过程中学生对电路的搭建过程较长，仅仅为了数据而进行测量，而不关心电路的结构或问题的分析，改变了做实验的初衷。

图4 虚拟电子实验室的整体设计结构

利用虚拟仪器技术完成电路分析实验可以避免出现以上的问题，使用计算机虚拟电子实验室，不仅可以很方便、直观地进行虚拟实验与演示各种电子电路的工作原理，提高实验的效率，同时可以调动学生学习电路的兴趣，并且能够更深入的去研究电路的结构和工作原理并且进行电路的设计。电路分析实验的完成过程如图5所示。在电路分析实验室配备相应的计算机，并安装相应的虚拟仿真软件，如Multisim，通过组装电路，结合虚拟示波器和数字万用表实现电路的测试过程，掌握实验的整个过程的操作。并将仿真的结果与物理硬件电路的测试结果进行比较，分析数据误差出现的原因和问题所在。

图5 电路分析实验完成过程

另外利用虚拟环境也可以实现学生对电路深入的理解，并根据个人兴趣进行电路的设计以及仿真。利用虚拟实验软件可以提高学生的实验操作能力，同时教师可以通过软件设置电路故障，使学生通过所学知识和实践的经验进行故障排查，提高实践操作能力。

5 结束语

虚拟电子实验室为学生的实验创造了良好的环境，同时对学生的综合设计能力和构建以学生为主体的教学模式提供了有利的条件[15-16]。如果将虚拟电子实验室利用网络，建立远程控制或开放性实验室，可以方便学生自由的进行虚拟实验和电路的设计，并且结合大学生创新项目和综合设计实训对所学知识进行深入的研究，提高学生的科研和动手能力。

在今后的研究中，尝试着将虚拟仪器技术应用到网络和在线实验当中，同时应用到其他的领域中。

[1]李宁馨.基于LabVIEW的虚拟仪器在高校电子类实验教学中的应用 [D].北京：北京交通大学，2007.

[2]鞠萍华.基于虚拟仪器的虚拟实验室研究 [D].重庆：重庆大学，2005.

[3]周箭，虚拟仪器及其技术研究[M].杭州：浙江大学，2000.

[4]任姝婕，刘舒帆.基于虚拟仪器技术，优化电路分析实验教学[C].全图虚拟仪器大会mcmi会议，2010.

[5]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.

[6]习友宝，古军，等.虚拟电子实验环境建设与学生综合能力培养的研究[J].实验科学与技术，2003（1）：22-24.

[7]王海宝.LabVIWE虚拟仪器程序设计与应用[M].四川:西南交通大学出版社，2005.

[8]江伟.虚拟电子实验室的设计与应用[J].测控自动化，2005，22（3）：110.

[9]刘文裴.基于虚拟现实技术的电子虚拟实验室的构建[J].电子测量技术，2007，30（4）：113-116.

[10]刘雅琴.利用虚拟电子工作台进行电工和电子实验教学初探[J].长春大学学报，2007，17（3）：45-47.

[11]王海波.基于Multisim仿真软件的电工电子实践教学改革[J].数学技术与应用，2011（9）：221-222.

[12]张丽萍.Multisim 10.0仿真软件在模拟电路实验中的应用[J].实验科学与技术，2009，7（5）：61-62.

[13]伍婧.虚拟电子实验室的应用优势初探[J].河北软件职业技术学院学报，2009，11（2）：55-57.

[14]谢斌盛，邓文婷.Multisim在电类实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2009（6）：221-222，234.

[15]刘敏.电工电子虚拟化实验室的研究和设计[M].北京:北京航空航天大学出版社，2003.

[16]郭乐明.计算机虚拟电子实验室在电子专业教学中的应用[J].江苏技术师范学院学报，2008，23（3）：71-72.

Research of electronic laboratory based on virtual instrument

ZHANG Xue-xia，FU An-ying，SHANG Ying
（Shaanxi International Business College，Xi'an 712046，China）

This paper is based on virtual instrument electronics laboratory research，through the current situation and problems of the traditional electronic laboratory analysis，the design of virtual instrument technology is applied to the electronic laboratory，solve problems of lab of electronic.In this paper，the overall design of the virtual laboratory structure is analyzed，including the basic hardware circuit and software program written in the panel.The core part of the hardware circuit design of the data signal processing and data acquisition，through PCI bus to achieve the connection with the computer，to achieve a variety of circuit design and simulation， and electronic measurement in the related experiments.At the same time，students can design and analyze the integrated circuit through the virtual environment，which can improve the students'practical ability.

virtualinstrument；virtualelectroniclaboratory；circuitdesignandanalysis；virtualenvironment

TN99

：A

：1674－6236（2017）06-0170-03

2016-03-28稿件编号：201603365

陕西国际商贸学院校级科研课题资助（201405）

张雪侠（1978-），女，安徽宿州人，硕士，讲师。研究方向：检测技术与自动化装置。