NI ELVIS在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

鐘兆根 孫雪麗 張亞周 金堃

摘 ?要 針對(duì)模擬電子技術(shù)課程在教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，將NI ELVIS引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，虛實(shí)結(jié)合，“軟”“硬”兼顧，以此來(lái)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和能動(dòng)性，有效提升學(xué)生的實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)水平，全面提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的素質(zhì)和能力。

關(guān)鍵詞 模擬電子技術(shù);虛擬儀器;NI ELVIS;Multisim

中圖分類號(hào)：G642 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）14-0031-03

Abstract Against problems existed in teaching of analog electronics?teaching， NI ELVIS was introduced into the classroom， which com-bined virtual and real equipment， and considered both software and?hardware. aiming at motivating the students enthusiasm and initia-tives， and promoting their enthusiasm and practical， as well. Thus， we hoped to fully improve the students qualities and abilities in using the knowledge theyve learnt.

Key words simulation electronic technology; virtual equipment; NI ELVIS; Multisim

1 引言

隨著近年來(lái)電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，模擬電子技術(shù)課程已逐漸成為工程類專業(yè)學(xué)生的必修課程。該課程是在學(xué)習(xí)了工程數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路等課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)的，也是學(xué)生進(jìn)行后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的第一站，具有承上啟下的重要作用。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生獲得模擬電子技術(shù)方面的基本理論、基本知識(shí)和分析方法，培養(yǎng)思考問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的基本能力，為后續(xù)的學(xué)習(xí)、研究打下基礎(chǔ)。

模擬電子技術(shù)課程以基本放大電路、集成運(yùn)算放大電路、信號(hào)的運(yùn)算和處理等作為基本內(nèi)容，具有較強(qiáng)的理論性、應(yīng)用性和工程實(shí)踐性等特征。該課程的根本目的在于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的專業(yè)素質(zhì)及能力，在綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行具體模擬電子電路的分析，為學(xué)生將來(lái)能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)踐問(wèn)題打下良好的基礎(chǔ)。因此，優(yōu)化該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)提高課程教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要，對(duì)提高學(xué)生基礎(chǔ)科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐操作能力等具有非常突出的價(jià)值和意義。

模擬電子技術(shù)課程內(nèi)容抽象、公式多、計(jì)算多、電路種類復(fù)雜多樣，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中明顯感覺(jué)吃力，不容易理解。當(dāng)前，模擬電子技術(shù)課程中主要存在下面一些問(wèn)題。

1）若采用板書(shū)繪圖講解，對(duì)教員的繪圖能力要求較高，課上耗時(shí)較多，教學(xué)效率較低。

2）若采用PPT作為輔助工具進(jìn)行講解，教學(xué)效率提升，但學(xué)生印象不深刻，轉(zhuǎn)眼既忘。

3）若理論講授與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，一方面可以讓學(xué)生很直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加深印象;另一方面，對(duì)照實(shí)際電路進(jìn)行講解，使抽象的理論公式對(duì)應(yīng)到每一個(gè)電路中去，學(xué)生理解更加深刻。但是，模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)多采用傳統(tǒng)的集成實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，需要外加信號(hào)發(fā)生器、示波器、電源等設(shè)備，既不便于攜帶，又會(huì)降低效率。

NI ELVIS可以解決上述難題，不僅能提供吸引人的、親手實(shí)踐的體驗(yàn)，還在理論與原型之間起到了橋梁的作用。

2 NI ELVIS和Multisim簡(jiǎn)介

NI ELVIS ?NI ELVIS是由美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的一套集成了示波器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表等12款最常用虛擬儀器套件的軟硬件相結(jié)合的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，中間的面包板可以由使用者自主設(shè)計(jì)電路。NI ELVIS具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1）NI ELVIS基于NI LabVIEW的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，具備虛擬儀器技術(shù)的靈活性及自定義功能，適用于電路設(shè)計(jì)、儀器控制和無(wú)線通信等多種教學(xué)場(chǎng)合[1]。NI ELVIS作為NI電子教育平臺(tái)中的重要組成部分，其套件中包含示波器、信號(hào)發(fā)生器等12款最常用儀器，使用者能夠簡(jiǎn)單、快速地實(shí)現(xiàn)所需的各種實(shí)驗(yàn)信號(hào)、信號(hào)測(cè)量等。通過(guò)與NI Multisim仿真軟件相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)NI ELVIS板載電路的測(cè)量及仿真，實(shí)現(xiàn)仿真與原型的平滑無(wú)縫轉(zhuǎn)換。

2）NI ELVIS提供了即插即用功能，通過(guò)USB線與計(jì)算機(jī)連接，只需要在計(jì)算機(jī)中安裝NI ELVIS，提高了NI ELVIS的便攜性，方便帶入課堂，并且大大縮短了故障排除時(shí)間。通過(guò)NI ELVIS平臺(tái)上安裝的NI ELVISmx驅(qū)動(dòng)及NI ELVISmxInstrument Launcher軟件，用戶可以對(duì)全部12款儀器進(jìn)行快速連接和配置[2]。此外，通過(guò)NI ELVIS與Multisim的集成，用戶可在Multisim中使用NI ELVIS虛擬儀器來(lái)設(shè)計(jì)電路，并且以3D仿真的方式在NI ELVIS開(kāi)發(fā)板上予以實(shí)現(xiàn)。

Multisim ?Multisim是一款通過(guò)SPICE實(shí)現(xiàn)仿真、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證電路的軟件包，專門用于電子線路計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)。它基于元器件庫(kù)，以圖形方式創(chuàng)建電路并直接調(diào)用和修改元器件及參數(shù)，完成從電路仿真設(shè)計(jì)到電路版圖生成的全過(guò)程，操作方便、界面形象[3]，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”“軟件即儀器”。通過(guò)輕易地繪制出一些常用Multisim電路，可以讓學(xué)生在仿真環(huán)境下學(xué)習(xí)書(shū)本上的理論知識(shí)，并觀察預(yù)期的理論結(jié)果。而且學(xué)生可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便。在仿真結(jié)束后，學(xué)生還可以在NI ELVIS平臺(tái)上做電路原型設(shè)計(jì)，并同仿真測(cè)量數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)比，從而拓展仿真經(jīng)驗(yàn)。

3 應(yīng)用舉例

本節(jié)以電壓比較器為例，探討NI ELVIS在模擬電子電路實(shí)踐教學(xué)中的具體應(yīng)用。電壓比較器是集成運(yùn)放在非線性區(qū)的典型應(yīng)用，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒幅與比較的電路，在測(cè)量和控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。而單門限電壓比較器和滯回電壓比較器作為典型的電壓比較器電路，被廣泛應(yīng)用于各種電子線路系統(tǒng)之中。電壓比較器可采用LM324集成運(yùn)放進(jìn)行電路搭建，涉及集成運(yùn)放的電壓傳輸特性、放大電路中的反饋與波形轉(zhuǎn)換等多個(gè)問(wèn)題，能夠很好地鍛煉學(xué)生的綜合分析能力。

集成運(yùn)放在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下工作，便可構(gòu)成單門限電壓比較器;若電路中存在正反饋，則可構(gòu)成滯回電壓比較器。可先利用Multisim軟件搭建電路進(jìn)行軟件仿真，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的正確性，如圖1和圖2所示。基于Multisim功能強(qiáng)大的元器件庫(kù)，可以在仿真過(guò)程中任意選擇元器件而不受其來(lái)源上的限制，并且降低元器件的損耗率。并且可以多次反復(fù)驗(yàn)證不同的搭建方式，直至完成電路設(shè)計(jì)的全部任務(wù)。在整個(gè)過(guò)程中，所有操作都在軟件中進(jìn)行，在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)也便于查找原因并進(jìn)行修改，省時(shí)、省力、高效。

在通過(guò)Multisim完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，再到NI ELVIS面板上進(jìn)行相應(yīng)電路的搭建，將單門限電壓比較器電路和滯回電壓比較器電路搭建到一塊面包板上，共用一片LM324，一方面節(jié)約教學(xué)資源，另一方面便于學(xué)生對(duì)比和分析。搭建電路如圖3所示，只用了其中的一個(gè)集成運(yùn)放，就構(gòu)建了這樣一個(gè)單門限電壓比較器。這是構(gòu)建的電路實(shí)物圖，其中信號(hào)從橘色線輸入，由綠色線輸出。

利用NI ELVIS任意波形發(fā)生器導(dǎo)入無(wú)噪聲信號(hào)和帶噪聲信號(hào)作為兩種電壓比較器的待變換的輸入信號(hào)，如圖4所示。將輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一根USB線連接至搭建電路的輸入端，并通過(guò)虛擬示波器進(jìn)行。待變換信號(hào)在電路板上允許之后，并將輸出結(jié)果送回計(jì)算機(jī)，在虛擬示波器中進(jìn)行顯示，這樣通過(guò)虛擬示波器的兩個(gè)通道可以清楚看到兩種電壓比較器波形變換效果的對(duì)比，如圖5-a和圖5-b所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在仿真測(cè)試完成后再進(jìn)行實(shí)際電路的搭建，大大提高了電路調(diào)試的成功率，縮短了調(diào)試時(shí)間，并且顯著降低了實(shí)驗(yàn)室的器材損耗。同時(shí)，這種方式也在很大程度上鍛煉了學(xué)生的思考和動(dòng)手能力，激發(fā)了他們對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣。在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的具體實(shí)踐中，學(xué)生普遍反映良好，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果得到明顯增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]王冠華，吳永佩.ELVIS電路原型設(shè)計(jì)及測(cè)試[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[2]NI公司.什么是NI ELVIS？[EB/OL].https：//www.ni.com/zh-cn/shop/engineering-education/engineering-lab-stations/ni-elvis-engineering-lab-workstation/what-is-ni-elvis.html.

[3]聶典，李北雁，聶夢(mèng)晨，等.Multisim 12仿真設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.