浅谈实验教学中的虚拟仪器

摘要：针对实验教学中的虚拟仪器，首先介绍了内涵及现状；其次介绍特点；最后介绍实际教学中的应用。

关键词：计算机 虚拟仪器 实验教学

在计算机辅助教学（CAI）广泛应用的今天，基于计算机技术的虚拟仪器系统也随之出现，它是传统仪器与计算机技术高度的结合，随着计算机集成电路技术的发展。对测试技术与测试设备的要求也越来越高，虚拟仪器的普及势在必行。目前虚拟仪器主要有两种，一种是纯软件的虚拟仪器（即仿真技术）；另一种是软件硬件相结合的虚拟仪器VI（Virtual Instruction）

1 虚拟仪器的内涵

虚拟仪器又称个人计算机仪器，由个人计算机、仪器硬件和应用软件组成。其基本设计思想是利用当前广泛使用的个人计算机来管理、组织仪器系统，进而逐步代替传统仪器完成某些功能。如数据的采集、分析、显示、存储及波形产生等，最终达到取代传统电子仪器的目的。

1.1 仿真技术。在仿真技术中，根据仿真对象的不同，可分为两类，一类是对电子电路的分析仿真工具-EDA技术；另一类是应用于通信、信号处理和控制方面的仿真工具-MATLAB。

①EDA技术。一套完整的EDA软件是多个设计工具系统集成化的结果，它包含计算机辅助设计CAD、计算机辅助分析CAA和计算机辅助制造CAM等。市场中的EDA软件主要有Pspice、Mutisim、Wewb和Protel四种。它们的仿真功能用的是同一个仿真引擎-伯克利分校的Pspice仿真引擎。②MATLAB软件。主要工具箱有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统识别、最优化、分析与综合、模糊逻辑、小波分析、样条、通信和统计等。

这两种仿真技术都只需要一台计算机和相应的软件，而无需任何硬件的支持，也就是说这种虚拟仪器是纯软件性质的，无论电路、系统本身还是分析工具都是由软件实现的。

1.2 虚拟仪器可分为五种类型。

①PC总线-插卡型虚拟仪器。这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用软件LabVIEW相结合，通过三种编程语言Visual C++、Visual Basic和Labview/cvi构成测试系统。②并行口虚拟仪器。这是最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置。③GPIB总线虚拟仪器。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式。④VXI总线虚拟仪器。VXI总线是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步准确、模块可重复利用的特点。⑤PXI总线虚拟仪器。PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了多板发总线、多板同步触发总线的技术规范和要求形成的。

2 虚拟仪器的特点

2.1 建造成本低。科学研究或实验室建设都受到建设费用的限制，这是由于各种测试测量仪器、设备的价格随着其性能的不断改善而增加；而虚拟仪器的一个主要特点就是一机多用，可以作为示波器、频谱分析仪、数据记录仪及各种测量仪表；另一个特点是用户可自己“创造”适合自己使用的的各种仪器、仪表。所以，利用虚拟仪器组建一个实验室比采用传统仪表可减少费用。

2.2 使用效果好。近年来，随着实验设备的不断改善而改进，有些院校已经开始用计算机仿真实验室代替传统的实验。然而，从培养学员动手能力和解决实际问题能力上来讲，放弃对学员开设传统实验也不可行。虚拟仪器可以用来测量实际的电路和系统，且只要在虚拟仪器系统的PC机安装专用的仿真软件，就可以进行仿真实验。

2.3 机动性能高。虚拟仪器提供了功能完备的示波器、函数信号发生器、数字信号频谱分析仪、数字多用表以及其它各种仪表、仪器；并且用户还可以自己“创造”仪器、仪表。虚拟仪器可以直接打印出各种仪表的输出数据及输出波形，并可进行远程数据交换；与传统仪器相比，可以避免生成大量实验数据报表的麻烦。因“看和感觉到”的“虚拟仪器”与实际的普通仪器是如此相似，以致虚拟仪器、仪表可替代学员使用的普通仪器、仪表，还可以大大提高学员的学习兴趣。

3 虚拟仪器的应用

虚拟仪器在实验教学中最基本的应用是替代常规的仪器、仪表，如函数发生器、示波器、电子电压表、万用表等。学员在实验中使用虚拟仪器，可以方便地实现信号发生及波形记录。比如基于虚拟仪器的数字示波器的开发，利用Express VIs可以帮助我们简化一些常用功能的开发过程。

综上所述，通过使用虚拟仪器，学员可以在相同课时内同时学习电子技术和计算机使用技巧。不但掌握了通用电路的测试技巧，加强对电路原理的理解，还同时接触了先进的技术，从一个更高的起点面对明天的世界。由于虚拟仪器数据结构的开放性，在数据的处理或二次开发过程中，可从多方面训练和加强学员综合能力，使他们的动手能力与理论基础同时得到提高，并且虚拟仪器的出现也为现代实验教学开辟了一条崭新的途径。

参考文献：

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