虛擬測量儀器設計及教學應用探索

周文委，賈立新，翁國慶

摘要：筆者針對當前電子技術課程教學存在的問題，設計了基于SOC單片機的硬件電路和基于LabVIEW的虛擬測量儀器軟件，以虛擬測量儀器作為教學工具，在電子技術課堂教學中開展了二極管伏安特性測試等現場驗證式教學。教學實踐表明現場驗證式教學方法能夠吸引學生注意力，激發學習興趣，提升教學效果。

關鍵詞：電子技術；虛擬儀器；教學實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A文章編號：1674-9324（2012）12-0252-02

一、當前電子技術教學現狀及解決方案

受辦學經費、場地等因素的限制，當前絕大多數高校的實驗資源非常有限。開放性、自主性實驗環節的欠缺，在很大程度上導致從事工程技術工作的學生就業前迷茫、困惑，就業后無法直接進入工作角色，需要二次培訓，既增大了就業難度，又影響了發展前景。引入虛擬儀器概念，采用低成本的硬件電路結合自主開發的控制軟件構成虛擬測量系統，形成兼具通用性、便攜性和低成本的虛擬儀器。一方面儀器成本極低，可以減少常規儀器設備的經費投入，便于實驗室大量配備；另一方面，利用虛擬測量儀器，教師可以結合教學內容隨堂演示，學生可以進行課外自主實驗。由于虛擬儀器的核心是軟件，可以由用戶自己定義功能，又不怕損壞，對于學生不斷的操作實踐非常適合，能充分調動學生的實驗積極性。

二、虛擬測量儀器系統

以教學上通用的測量與控制為目標，設計的虛擬測量儀器系統具備信號發生、數據采集和電平測量等基本功能，由儀器硬件和軟件構成。

1.儀器硬件電路。虛擬測量儀器硬件上以Silabs公司內置USB控制器、10位ADC和IDAC的SOC單片機C8051F320為核心，具有數據采集和信號發生功能，并提供直流電源方便外部實驗電路搭建。信號調理電路分成雙通道模擬輸入和一通道模擬輸出兩個部分。通過CD4051切換模擬輸入信號，經過AD526進行程控增益放大后由雙運放MAX4016實現固定增益放大和電平平移。單片機IDAC輸出電流信號由MAX4016轉換為電壓信號，AD526和LM1875分別實現程控增益放大和功率放大。

2.儀器軟件設計。虛擬測量儀器軟件通過LabVIEW平臺開發，主要實現人機界面操作響應和信號傳輸、運算、存儲和顯示功能。根據測量對象和儀器功能不同，人機界面設計各不相同。其中由模擬輸入采集的信號數據或者用于模擬輸出的信號數據通過調用Silabs公司函數庫USBXpress實現與單片機的數據交換。

三、虛擬測量儀器的教學應用

我們在電子技術相關課程的教學中，充分利用虛擬測量儀器所具有的功能多樣、攜帶方便、成本低廉等特點，進行了現場驗證式課堂教學的探索，取得了良好效果。比如在模擬電子技術課程中，我們發現很多學生初次接觸半導體器件，很難正確、全面地掌握半導體材料的載流子運動規律，因此難以理解和接受器件的非線性特性。針對這種情況，我們在所接觸第一個半導體器件——二極管的課堂教學中，進行了伏安特性現場測量。測量原理如圖1所示，其中限流電阻R=10kΩ。二極管選用常用的硅二極管1N4148。信號發生器輸出幅值范圍-1～+20V的三角波，雙蹤示波器同時采集一周期電壓信號uR和uD，并通過計算得到電流iD。

由于示波器兩通道共地，所以通道CH2實際測量-uD。將uD和iD分別作為橫坐標和縱坐標，得到曲線如圖2所示。由圖2可知，1N4148死區電壓約0.5V，導通壓降約0.7V，反向飽和電流約6.9nA。通過演示實際元件特性的測量過程，不僅讓學生明白了相應特性的測量方法，而且把典型二極管的伏安特性曲線深深地植入了學生的腦海。

虛擬測量儀器是一種低成本通用性強的教學實驗工具，可作為簡易示波器、函數發生器和直流穩壓電源等常用儀器。通用PC上運行的控制軟件和用戶界面替代傳統設備的顯示器件使得測量儀器體積小巧、攜帶方便，便于開展現場驗證式課堂教學，有效地幫助學生完成對教學內容從感性認識到深刻理解的過渡。

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基金項目：浙江工業大學校教學改革項目（JG1112）

作者簡介：周文委（1978-），男，講師，碩士，研究方向為嵌入式系統與虛擬儀入式系統與虛擬儀器技術。