电子技术演示实验中虚拟仪器的应用研究

摘 要 虚拟仪器技术的引入，使得测量领域里以前传统的仪器技术被取代。它的使用不仅可以使包括计算机技术和网络技术在内的相关技术发挥其重要的作用，还可以极大程度的满足实验者测量与数据处理的各种要求。本文首先对电子技术演示实验中虚拟仪器应用现状的做出了具体的描述。接着结合了三个演示实验的具体操作过程，指出了其中虚拟仪器技术的使用。最后，着重指出了虚拟仪器技术目前还存在的弊端。

【关键词】虚拟仪器 电子技术 演示实验

1 电子技术演示实验中虚拟仪器应用现状

1.1 虚拟仪器的概述

近几年以来，计算机技术得到了迅猛的发展。随着计算机的发展，数字信号处理技术也得到了相应的发展，这时在计算机中信号处理的作用被全面实现，软件也彻底替代了硬件。另外，加上计算机自身特有的操控和展示图形的作用，就实现了用计算机软件显示数据显示与仪器控制这两个部分的所有内容，这样最终形成的仪器就是虚拟仪器。这里所说的虚拟就是指仪器面板是虚拟的、通过软件进行数据的测量与记录而不是从实物中直接记下来的等等。因此，通俗地讲，虚拟仪器就是一种以计算机软件为主，拥有自主测试的控制系统的仪器。在进行具体的电子技术实验演示时，虚拟仪器的各种软件都可以得到最大限度的利用。平时在实验室中的传统仪器可以通过软件显示在计算机上，以学生为代表的使用者就可以通过计算机的鼠标、键盘等控制虚拟仪器的具体运行，最终得到实验所需测试的结果。为了更加直观，示波器中的输出、输入波形可以选择不同的颜色显示出来。

1.2 虚拟仪器在电子技术演示实验中的应用

随着虚拟仪器技术在电子技术演示实验中的快速发展与不断完善，现在的虚拟仪器设备已经具备了很多诸如电流表、电压表、示波器以及信号发生器等仪器的全部功能。同时，它完全取代了之前的手动进行测量、记录以及对数据的复杂处理的工作。到目前为止，现在的虚拟仪器技术已经相当成熟，它不仅为高校或者企业节省了资金的投入，而且实用易于操作。

在具体的演示实验中，由演示者把实验设备与该虚拟仪器正确的连接在一起就可以实现实验的全部操作过程，最终得出实验结果。这样，既简单又直观，还可以节省很多时间。因为虚拟仪器技术已经得到了很好的发展，所以，现在学校和企业的很多电子演示实验都是采取了虚拟仪器技术进行演示的。这些实验包括操作比较简单的二极管伏安特性曲线演示实验、共射极单管放大演示实验、低频功率放大器演示实验以及三端稳压器W7805稳压性能演示实验、交流负反馈对放大倍数稳定性演示实验、静态工作点稳定电路频率响应演示实验等等操作比较复杂的演示实验。只要实验中需要使用到相关的测量仪器，基本上都可以采用虚拟仪器技术来完成演示实验。

1.3 虚拟仪器的演示实验系统

所谓虚拟仪器演示实验系统，它是由负责实验部分的电路版块、负责测量部分的数据采集器和扮演着很多角色的计算机组成的。其中的实验电路部分主要是一个类似于面包板的板子，在它上面有着针对不同演示实验的多个不同接口。然而，负责虚拟仪器测量部分的主要是计算机系统与数据采集卡。这里的计算机不是普通、单纯的计算机系统，它必须要安装特定的可以辅助演示实验的虚拟仪器。在演示实验中，计算机扮演着多种角色，它不仅可以充当很多仪器的测量功能，它的显示屏还可以作为很多仪器的显示屏幕。现在大部分学校或者企业采用的都是美国NI公司的教学实验虚拟仪器套件。

此软件现在已经可以完全实现信号分析、数字万用表、信号源、定时以及直流电源等等的功能。所以，这套设备现在已经可以完成电子技术演示实验中绝大部分的实验了。在具体的演示实验中，首先把数据采集卡和该软件的工作台相连。检测无误后，按照具体要求在工作台的板子上构建出所需的电路图。最后，将计算机的投影仪打开，把显示的内容投影到屏幕上，方便老师的操作以及学生的观察。

2 电子技术演示实验

2.1 二极管伏安特性曲线演示实验

二极管伏安特性曲线演示实验中，可以按照图1所示，把虚拟信号发生器、二极管、电阻和虚拟示波器用导线连接。检查无误后，开启计算机以及虚拟仪器。接下来，就是对虚拟仪器的反复调整。这时就可以通过计算机桌面上的虚拟仪器面板对其进行适当地调节。二极管等效为电阻是需要在低频小信号的条件下的，因此，经过调节，使虚拟发生器的频率达到一个恰当的值，就可以输出正确的正弦信号值。根据教程内容可知，交流信号与输出电压可以忽略不计。那么，测量过程中，直流电压表上的读数可以认为是图中电阻R的直流电压值。最终，经过对虚拟示波器的反复调节，使通道值和衰减幅度值等等处于一个最合适的数值，这样就得到了一个稳定的波形，这就是最后需要的二极管伏安特性曲线。

2.2 单级低频放大器演示实验

单极低频放大器演示实验中，根据图2所示，把虚拟信号发生器、5个电阻、2个电容、1个滑动变阻器和虚拟示波器连接在一起。然后，把该实验电路图经过投影仪到大屏幕上，这样可以便于学生的观察。接下来，需要经过调试将单极低频放大器的输入与输出电压的波形通过虚拟仪器显示出来。这个实验中，连接必须要完全正确。所以，根据测量需要，放大器的输入端应该与虚拟示波器的CH2探头相连，其输出端与虚拟示波器的CH1探头连接，而虚拟发生器与放大器的输入端连接。最后一步也是很重要的，按照教程的要求，选择所需的波形与频率，把幅度和时间安置在正确的位置上，这样才可以得到所需的波形。以上就是整个单极低频放大器演示实验的所有过程。

图3是虚拟示波器和计算机上显示的波形。从图4可以看出，输出与出入电压的相位正好相反。通过具体计算，该电压被放大了80倍左右。根据实验的具体要求，如果需要虚拟放大器的两种失真状态，即截止失真和饱和失真，可以适当调整三极管静态工作点的位置。那么，虚拟放大器的饱和失真波形如图7所示。如果要研究单极低频放大器频率特征，可以把虚拟示波器换为虚拟频率特性来测量。

2.3 共射级单管放大电路演示实验

共射级单管放大电路演示实验中，按照图5所示，把虚拟信号发生器，若干电阻、电容以及虚拟示波器用导线连接起来。类比上个实验，将该实验电路图展示在投影仪屏幕上面。接着，在虚拟发生器与虚拟示波器连接正确的条件下，需要设置合适的静态工作点。其一般的要求是：信号幅度较小时，在保证输出信号不失真的情况下，常选择较低的静态工作点，以降低放大器的噪声和减少电源的能量损耗。输入信号较大时，工作点适当提高，直至负载线的中点位置。在共射级单管放大电路演示实验中，对静态工作点的设置要求很是严格。当静态工作点的设置不恰当时，势必会造成饱和失真或者截止失真现象的出现。饱和失真的情况出现在静态工作点太高的时候；截止失真的情况则出现在静态工作点太低的时候。最后，该实验还可以测出放大倍数。通过推断与演算，还可以知道影响静态工作点的主要因素。

3 虚拟仪器在电子技术演示实验中存在的问题

3.1 简便的虚拟仪器导致了实验的盲目性

虚拟仪器技术的引入，带给使用者更多便利的同时，它的弊端也随之而来。因为该项技术可以很方便的使用，在实验过程中，很多本身就缺乏相关的理论知识的实验者会把太多的精力集中在计算机软件的使用或者是对虚拟仪器程序的编写上，而忽略了与实验相关的理论知识，更不会顾忌实验的拓展部分以及实验本身的局限性给实验带来的影响等等方面的问题。如果是这样，那么演示实验就失去了它本身特有的目的与功能，虚拟仪器技术也得不到最合理的使用。

3.2 虚拟仪器本身的局限性

在实验完成后，数据的记录与处理是必不可少的。在电子技术演示实验中，利用计算机记录与处理数据带来不少方便的同时，也产生了很多不利的地方。对于不同的计算机，其本身的性能和实时性都各不相同，这些都会或多或少的影响到最后数据的准确性。而网络本身的不畅通，不仅造成了测量数据的迟缓，而且也使数据的测量变得不再精确。与此同时，负责测量的数据采集卡也有很多不稳定的因素存在，其中的分辨率、响应时间等等都有待进一步的提高。

4 总结

这是一个注重实践与理论相结合的时代，虚拟仪器在电子技术演示实验中的成功应用正迎合了这个时代的需要。作为学校现在教学与科研必不可少的一种手段，虚拟仪器在演示实验中已经成为了一种不可阻挡的趋势，对电子技术的发展有着不可估量的作用。在日后的不断完善与改进下，相信电子技术及其相关领域会得到很大的发展，虚拟仪器技术也一定会有更加重大的突破与创新之处。

参考文献

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作者简介

范蕴秋（1977.11-），女，本科，讲师，研究方向：电子技术应用与研究。

作者单位

辽宁建筑职业学院 辽宁省辽阳市 111000