虛擬儀器簡介如何與物理實驗整合

摘 要： 文章介紹了虛擬儀器的特點及在物理實驗中的運用，探討了基于虛擬儀器實驗的實施方法。

關鍵詞：虛擬儀器 軟件 實驗 實施

隨著計算機科學和微電子技術的迅速發展和普及，在測量儀器領域出現了具有劃時代意義的儀器概念——虛擬儀器。虛擬儀器是計算機技術介入儀器領域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。從構成上來說，虛擬儀器以計算機為核心，配上相應的硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所不具有的特殊功能的高檔低價的新型儀器。在使用上來說，虛擬儀器利用PC機強大的處理能力，利用軟硬件來建立友好界面的虛擬儀器面板（即軟面板），操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器運行，完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數據生成。目前，虛擬儀器不僅在科學研究、產品開發等方面廣泛應用，而且也正在步入學校的實驗室。如何根據虛擬儀器的特點實施物理實驗已成為教師共同探索的問題。

一、虛擬儀器

虛擬儀器就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用，實質上是充分利用最新的計算機技術來實現和擴展傳統儀器的功能。靈活高效的軟件能幫助創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成。在這里，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個系統的關鍵。正由于軟件是虛擬儀器的關鍵，所以當基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件來實現不同的功能。因此，從某種意義上可以說：軟件就是儀器。用戶可以根據自己的需要，靈活設計自己的儀器系統，滿足多種多樣的實驗應用要求。

例如虛擬儀器能在計算機的聲卡基礎上不增加任何外部硬件，利用軟件來測量音頻范圍的各種信號（聲音、振波、心電、電話等）；可作為各種音頻設備（喇叭、音箱、聲卡、工業噪音）的專業測量工具，也可作為你在各種電子實驗中不可或缺的測量實驗工具，使你輕易擁有一臺集數字存儲、示波器、信號發生器、掃頻儀等于一身的儀器。

二、虛擬儀器的優點

1．強調“軟件就是儀器”的新概念，軟件在儀器中充當了以往由硬件甚至整機實現的角色。由于充分利用計算機技術，完善了數據的傳輸、交換等性能，使得組建系統變得更加靈活、簡單。

2．儀器中使用分立式模擬硬件少，基本不存在零點漂移和定期校準的問題，加上標準化總線的使用，使系統的測量精度、測量速度和可重復性都大大提高。

3．儀器由用戶自己定義，系統的功能、規模等均可通過軟件修改、增減，可方便地同外設、網絡及其他應用連接。用戶可以將儀器的設計、使用和管理統一到虛擬儀器標準，使資源的重復利用率提高。系統組建時間縮短，功能易于擴展，管理規范，使用簡便，降低維護費用。

4．用基于軟件體系結構的虛擬儀器系統代替基于硬件體系結構的傳統儀器，還可以大大節省儀器購買、維護費用和占地空間。

三、虛擬儀器實驗的實施方法

虛擬儀器在實驗教學中最簡單的應用就是替代常規的教學儀器，如函數發生器、示波器、萬用表等。比如實驗者在實驗中采用虛擬儀器電壓電流表，來實現電壓電流數值的測量和采集，其數值的大小、精確度等完全能代替常規的儀器使用，可取得較好的效果。而用計算機虛擬出的示波器，不僅能收錄、存儲和打印多通道輸入的波形，對存儲的曲線還可通過“回放”功能顯示在屏幕上。“回放”速度可調，可暫停波形掃描，以便能更清楚地觀察波形的變化，所存儲的曲線可以在任何時間打印輸出，學生可以及時對數據進行處理，觀察和分析實驗結果，從而提高了學生的實驗興趣、實驗效果和效率。各種儀器能通過窗口進行切換，儀器的功能、檔位、波形、頻率、占空比、幅值等都可用鼠標或按鍵進行設置，如同常規儀器一樣使用。虛擬儀器不但具有更強的分析處理能力，而且在用戶重新定義后，它又能變成數字萬用表、溫度計或頻譜分析儀等不同的儀器儀表。

虛擬儀器的虛擬實驗可分四個階段予以實施。第一階段，在充分利用現有的計算機資源的基礎上，購買所需的儀器模塊和軟件（如LabVIEW），由教師編寫程序，以實現現有儀器設備的模擬。這樣能有效增加實驗設備的數量，從根本上改善實驗條件，保證實驗教學質量。第二階段，學生可以充分利用計算機軟件對數據采集、儲存、分析、處理、傳輸及控制的強大功能，在同一臺PC機上虛擬出數十臺儀器，如智能信號發生器、數字示波器、頻譜及信號分析儀、數字電壓表和噪聲測試儀等。把這些虛擬儀器應用到實驗教學中去，以取代常規儀器。學生還可根據實驗實際需要，自行設計各種軟控面板，定義儀器的功能，并以各種形式表達輸出檢測結果，進行實時分析。第三階段，增加綜合性實驗項目，并鼓勵學生選做設計型實驗。要求學生自己選題，擬訂方案，設計虛擬儀器檢測系統。第四階段，組織科研興趣小組，在原有儀器模塊上拓寬其應用范圍，將其用于設備的監控，工業自動化等方面。

四、實例演示

用愛迪生“EDISON”軟件演示虛擬實驗二則

1. 演示歐姆定律電阻串聯分壓

本實驗旨在從一實際串聯電路出發，驗證演示歐姆定律在兩個燈泡串聯分壓電路中的具體應用。演示電路由一臺模擬電源、一只模擬保險絲和兩盞模擬燈泡構成。將上述部件拖放到模擬工作臺上并連好線后，對兩燈泡的參數作如下調整：雙擊一燈泡，在出現的BULB對話框中點選Voltage（電壓）和Power（功率），在右下方的文本框中分別填入6/3，點OK鍵關閉；然后雙擊另一燈泡如上所示，在對話框中分別填入6/6，這樣一燈泡變為3w/6v，另一燈泡變為6w/6v（參數選擇便于計算）。據公式R=U2/P計算兩燈泡的阻值分別為12歐和6歐，這樣當電源輸出電壓為9V時，3W燈泡兩端承載的電壓為6V，發光亮度最亮，而6W燈泡兩端承載的電壓為3V，發光亮度最暗，直觀效果明顯。接下來，我們通過點擊電源右邊的調節旋鈕使電源輸出電壓升高0.2V，結果隨著“喀嚓”一聲脆響，我們可看到3W燈泡的燈絲燒斷了。不用擔心，我們可以恢復：點擊窗口的Repair命令，這時光標變為空心針形狀，點擊剛燒壞的燈泡便可修復。

功率一大一小的兩盞燈泡相串聯，哪一只發光亮度高呢？這是令很多初學者曾困惑的問題，而本實驗生動直觀地演示出正確答案。

2. 演示保險絲的作用

在上例中，我們很容易計算出3W燈泡的額定工作電流為0.5A，在此工作電流下保險絲不起保護作用即不會熔斷。下面我們演示工作電流大于額定工作電流情況下保險絲的保護作用：雙擊圖中的保險絲圖標，在出現的FUSE對話框中分別將其MaxGurrent（最大電流）和NomGurrent（標稱電流）填入一個小于0.5A的數值，如0.49A，這時我們會發現當電源輸出電壓大于8.9V的瞬間，保險絲“吱”地一聲非常形象地熔斷了，在燈泡燒壞前起到了保護負載的作用。該實驗虛擬形象地演示保險絲對電路的安全保護作用。

利用虛擬儀器的自身優點、仿真人性化的操作界面及人機交互功能，讓學生在計算機上完成物理實驗的設計、分析和操作，應用虛擬儀器進行實際參數測量，測量結果實時存入計算機，并在計算機上完成實驗分析報告。學生在進行實驗探索時，就像在玩電腦游戲，充滿了學習的樂趣。同時，在學習過程中，學生被置于一個虛擬的探索實驗環境中，需要靈活科學地進行決策、分析和處理問題，其能力得到充分的鍛煉和提高。

綜合而言，虛擬實驗具有高度的交互性、多樣性、靈活性，要求學習者的積極參與。與傳統儀器相比，虛擬實驗有其自身的局限性，如它不可能對真實實驗進行無差別的模擬，從虛擬環境中獲得的經驗與真實環境中獲得的經驗還存在一定差距。但虛擬儀器與實驗教學的整合能更好地培養學生實驗設計、分析和實際操作的能力，更重要的是，它代表了實驗教學的最新發展方向和必然趨勢。