基于NIELVISII+的電路實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合開展教學(xué)實(shí)踐

劉艷芳 楊文榮 商建鋒

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130）

0 引言

中外合作辦學(xué)項(xiàng)目是河北工業(yè)大學(xué)引進(jìn)國(guó)外優(yōu)質(zhì)教育資源，促進(jìn)學(xué)生交流、師資交流、科研合作，提升國(guó)際化水平的有效手段。秉承開放辦學(xué)的理念，科學(xué)謀劃、穩(wěn)步實(shí)施，全面推進(jìn)合作辦學(xué)項(xiàng)目管理體系建設(shè)，注重項(xiàng)目?jī)?nèi)涵建設(shè)，突出規(guī)范辦學(xué)與特色辦學(xué)并重的管理模式，“國(guó)際視野+專業(yè)技能+外語(yǔ)能力”的辦學(xué)特色得到學(xué)生、家長(zhǎng)和社會(huì)的廣泛認(rèn)可。依托于電氣工程專業(yè)一流學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，中美電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有更高的要求。因?qū)嶒?yàn)教學(xué)的直觀性、實(shí)踐性和創(chuàng)新性，更需要高校教師積極探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式[1]。電路實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)類課程，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力方面尤其重要，課程組開展了基于NI ELVISII+平臺(tái)采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐。

1 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的平臺(tái)基礎(chǔ)

NI ELVIS是美國(guó)國(guó)家儀器公司提出的一種全新的設(shè)計(jì)、測(cè)試及教學(xué)電路方法。NI ELVISII+設(shè)計(jì)與原型平臺(tái)是一款簡(jiǎn)單、集成的系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可以有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，并且可以利用已廣泛應(yīng)用于全球工業(yè)和研究院校中的NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)虛擬儀器技術(shù)動(dòng)手學(xué)習(xí)課程。NI ELVISII+具有開放式的配置性能，可作為高性價(jià)比的、可拓展的教學(xué)和原型平臺(tái)。

NI ELVIS II+可以結(jié)合Multisim和LabVIEW共同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。Multisim提供直觀的電路設(shè)計(jì)和SPICE仿真環(huán)境，幫助學(xué)生探索電路原理，觀察電路行為。NIELVISII+具有3D原型化環(huán)境，可以幫助學(xué)生平滑地從軟件環(huán)境過(guò)渡到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。使用NIELVIS II原型化平臺(tái)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室或者課外使用內(nèi)建的虛擬儀器（如示波器、萬(wàn)用表、可變電源、函數(shù)發(fā)生器等）快速并方便地開發(fā)他們自己的電路，并進(jìn)行交互式地測(cè)試。LabVIEW和LabVIEW Signal Express環(huán)境可以提供直觀的界面來(lái)進(jìn)行測(cè)量，幫助學(xué)生將他們的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)在同一個(gè)界面中進(jìn)行對(duì)比[2，3]。

2 電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

電路實(shí)驗(yàn)有20個(gè)學(xué)時(shí)，根據(jù)電路理論課程的授課內(nèi)容和實(shí)踐要求，共設(shè)計(jì)了8個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見表1，進(jìn)行層次遞進(jìn)的教學(xué)。

表1 電路實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容

3 電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)課堂中，教師在講解結(jié)束后給學(xué)生提供豐富的元件列表，學(xué)生進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、通過(guò)Multisim仿真調(diào)整電路及元件參數(shù)，然后在NI ELVISII+進(jìn)行實(shí)物電路的搭建和調(diào)試，借助NI ELVIS Instrument Launcher的虛擬儀器可同時(shí)觀看到實(shí)測(cè)波形和仿真波形，并進(jìn)行比較分析。

以“運(yùn)算放大器的使用”實(shí)驗(yàn)中同相比例放大器的內(nèi)容為例說(shuō)明虛實(shí)結(jié)合的電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程。

3.1 電路原理圖

實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示，需要用到兩個(gè)LM471運(yùn)放芯片，其中第一個(gè)運(yùn)放芯片構(gòu)成電壓跟隨器電路，第二個(gè)運(yùn)放構(gòu)成同向比例放大電路。放大倍數(shù)K的表達(dá)式為：

圖1 “運(yùn)算放大器的使用”實(shí)驗(yàn)電路圖

要求輸入信號(hào)頻率大于50 Hz，其余參數(shù)自由設(shè)置。

3.2 仿真電路設(shè)計(jì)

參照實(shí)驗(yàn)電路圖1，創(chuàng)建NIELVISII+設(shè)計(jì)文件完成仿真電路的搭建，如圖2所示。設(shè)置電阻R1=1 kΩ，R2=10 kΩ，可計(jì)算放大倍數(shù)。

圖2 “運(yùn)算放大器的使用”仿真電路圖

在工具欄中選取NI ELVISFunction Generator信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)的輸入，Oscilloscope示波器觀測(cè)波形，其中CH0接輸入信號(hào)，CH1接輸出信號(hào)，同時(shí)觀測(cè)輸入輸出的波形。

3.3 仿真波形特性分析

運(yùn)行Multisim，打開信號(hào)發(fā)生器和示波器界面。正弦信號(hào)的峰峰值1V、頻率100 Hz，設(shè)置情況如圖3所示。

圖3 NI ELVISFunction Generator信號(hào)發(fā)生器仿真時(shí)的參數(shù)設(shè)置界面

示波器測(cè)量結(jié)果如圖4所示，同時(shí)勾選Simulated Data通道和Real Data通道，Instrument Control欄DEVICE上選擇Simulate NIELVISII+。CH0通道和CH1通道的幅度單位均為2V/每格，垂直高度均是0V。由于目前未進(jìn)行實(shí)物電路的調(diào)試，所以只顯示仿真曲線即兩條穩(wěn)定的正弦波形的虛線。CH0是紅色虛線，測(cè)得輸入信號(hào)的電壓峰峰值是0.998V；CH1是黑色虛線，測(cè)得輸出信號(hào)的電壓峰值是10.977V。可以看到輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)電路之后被放大，且放大倍數(shù)為10.998，和理論計(jì)算的放大倍數(shù)相符。

圖4 NI ELVISOscilloscope示波器仿真時(shí)的觀測(cè)波形

停止運(yùn)行Multisim，仿真的結(jié)果將保留在示波器的界面上。

3.4 實(shí)物電路

實(shí)物電路材料清單如表2所示。

表2 實(shí)物電路材料清單

首先NI ELVISII+與計(jì)算機(jī)連接好并接通電源，在實(shí)驗(yàn)原型板上搭建電路，實(shí)際電路如圖5所示。

圖5 實(shí)物電路圖

3.5 虛實(shí)對(duì)比測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)原型板上進(jìn)行電路的虛實(shí)對(duì)比測(cè)試。在Function Generator信號(hào)發(fā)生器界面的Instrument Control選擇NI ELVIS II+，Signal Route選擇FGEN BNC，其他參數(shù)保持不變，點(diǎn)擊運(yùn)行信號(hào)發(fā)生器。

圖6 NI ELVISFunction Generator信號(hào)發(fā)生器虛實(shí)對(duì)比測(cè)試時(shí)的參數(shù)設(shè)置界面

示波器面板的Instrument Control選擇NIELVISII+，通道CH0的垂直高度設(shè)置為3V，通道CH1的垂直高度設(shè)置為-1V；CH0通道和CH1通道的幅度單位均為2V/每格，點(diǎn)擊運(yùn)行示波器。目前，在進(jìn)行實(shí)物電路的測(cè)試，可以同時(shí)看到仿真的虛線和實(shí)際測(cè)得的實(shí)線。紅色實(shí)線（通道CH0）是輸入信號(hào)，電壓峰峰值是1.091V；黑色實(shí)線（通道CH1）是輸出信號(hào)，電壓峰值是11.881V，放大倍數(shù)為10.89，在可接受的范圍內(nèi)。

圖7 NI ELVISOscilloscope示波器虛實(shí)對(duì)比測(cè)試時(shí)的觀測(cè)波形

4 結(jié)語(yǔ)

基于NI ELVISII+的電路實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了虛擬電路仿真和實(shí)物電路調(diào)試的無(wú)縫銜接，學(xué)生在Multisim上進(jìn)行仿真電路設(shè)計(jì)，隨后馬上就可以進(jìn)行實(shí)物電路的搭建，將抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以直接觀測(cè)、調(diào)試的實(shí)際電路，并進(jìn)行交互式的測(cè)試，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)在同一個(gè)界面中進(jìn)行對(duì)比。基于NI ELVISII+的電路實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐能夠鍛煉學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，能夠有效培養(yǎng)其對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。