淺談實驗教學中的虛擬儀器

摘要：針對實驗教學中的虛擬儀器，首先介紹了內涵及現狀；其次介紹特點；最后介紹實際教學中的應用。

關鍵詞：計算機 虛擬儀器 實驗教學

在計算機輔助教學（CAI）廣泛應用的今天，基于計算機技術的虛擬儀器系統也隨之出現，它是傳統儀器與計算機技術高度的結合，隨著計算機集成電路技術的發展。對測試技術與測試設備的要求也越來越高，虛擬儀器的普及勢在必行。目前虛擬儀器主要有兩種，一種是純軟件的虛擬儀器（即仿真技術）；另一種是軟件硬件相結合的虛擬儀器VI（Virtual Instruction）

1 虛擬儀器的內涵

虛擬儀器又稱個人計算機儀器，由個人計算機、儀器硬件和應用軟件組成。其基本設計思想是利用當前廣泛使用的個人計算機來管理、組織儀器系統，進而逐步代替傳統儀器完成某些功能。如數據的采集、分析、顯示、存儲及波形產生等，最終達到取代傳統電子儀器的目的。

1.1 仿真技術。在仿真技術中，根據仿真對象的不同，可分為兩類，一類是對電子電路的分析仿真工具-EDA技術；另一類是應用于通信、信號處理和控制方面的仿真工具-MATLAB。

①EDA技術。一套完整的EDA軟件是多個設計工具系統集成化的結果，它包含計算機輔助設計CAD、計算機輔助分析CAA和計算機輔助制造CAM等。市場中的EDA軟件主要有Pspice、Mutisim、Wewb和Protel四種。它們的仿真功能用的是同一個仿真引擎-伯克利分校的Pspice仿真引擎。②MATLAB軟件。主要工具箱有信號處理、控制系統、神經網絡、圖像處理、魯棒控制、非線性系統控制設計、系統識別、最優化、分析與綜合、模糊邏輯、小波分析、樣條、通信和統計等。

這兩種仿真技術都只需要一臺計算機和相應的軟件，而無需任何硬件的支持，也就是說這種虛擬儀器是純軟件性質的，無論電路、系統本身還是分析工具都是由軟件實現的。

1.2 虛擬儀器可分為五種類型。

①PC總線-插卡型虛擬儀器。這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與專用軟件LabVIEW相結合，通過三種編程語言Visual C++、Visual Basic和Labview/cvi構成測試系統。②并行口虛擬儀器。這是最新發展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置。③GPIB總線虛擬儀器。GPIB技術可用計算機實現對儀器的操作和控制，替代傳統的人工操作方式。④VXI總線虛擬儀器。VXI總線是高速計算機總線VME在VI領域的擴展，具有標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步準確、模塊可重復利用的特點。⑤PXI總線虛擬儀器。PXI總線方式是PCI總線內核技術增加了多板發總線、多板同步觸發總線的技術規范和要求形成的。

2 虛擬儀器的特點

2.1 建造成本低。科學研究或實驗室建設都受到建設費用的限制，這是由于各種測試測量儀器、設備的價格隨著其性能的不斷改善而增加；而虛擬儀器的一個主要特點就是一機多用，可以作為示波器、頻譜分析儀、數據記錄儀及各種測量儀表；另一個特點是用戶可自己“創造”適合自己使用的的各種儀器、儀表。所以，利用虛擬儀器組建一個實驗室比采用傳統儀表可減少費用。

2.2 使用效果好。近年來，隨著實驗設備的不斷改善而改進，有些院校已經開始用計算機仿真實驗室代替傳統的實驗。然而，從培養學員動手能力和解決實際問題能力上來講，放棄對學員開設傳統實驗也不可行。虛擬儀器可以用來測量實際的電路和系統，且只要在虛擬儀器系統的PC機安裝專用的仿真軟件，就可以進行仿真實驗。

2.3 機動性能高。虛擬儀器提供了功能完備的示波器、函數信號發生器、數字信號頻譜分析儀、數字多用表以及其它各種儀表、儀器；并且用戶還可以自己“創造”儀器、儀表。虛擬儀器可以直接打印出各種儀表的輸出數據及輸出波形，并可進行遠程數據交換；與傳統儀器相比，可以避免生成大量實驗數據報表的麻煩。因“看和感覺到”的“虛擬儀器”與實際的普通儀器是如此相似，以致虛擬儀器、儀表可替代學員使用的普通儀器、儀表，還可以大大提高學員的學習興趣。

3 虛擬儀器的應用

虛擬儀器在實驗教學中最基本的應用是替代常規的儀器、儀表，如函數發生器、示波器、電子電壓表、萬用表等。學員在實驗中使用虛擬儀器，可以方便地實現信號發生及波形記錄。比如基于虛擬儀器的數字示波器的開發，利用Express VIs可以幫助我們簡化一些常用功能的開發過程。

綜上所述，通過使用虛擬儀器，學員可以在相同課時內同時學習電子技術和計算機使用技巧。不但掌握了通用電路的測試技巧，加強對電路原理的理解，還同時接觸了先進的技術，從一個更高的起點面對明天的世界。由于虛擬儀器數據結構的開放性，在數據的處理或二次開發過程中，可從多方面訓練和加強學員綜合能力，使他們的動手能力與理論基礎同時得到提高，并且虛擬儀器的出現也為現代實驗教學開辟了一條嶄新的途徑。

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