虚拟测量仪器设计及教学应用探索

1、虚拟测量仪器设计及教学应用探索摘要：笔者针对当前电子技术课程教学存在的问题，设计 了基于soc单片机的硬件电路和基于labview的虚拟测量仪 器软件，以虚拟测量仪器作为教学工具，在电子技术课堂教 学中开展了二极管伏安特性测试等现场验证式教学。教学实 践表明现场验证式教学方法能够吸引学生注意力，激发学习 兴趣，提升教学效果。关键词：电子技术；虚拟仪器；教学实践中图分类号：g642. 0文献标志码：a文章编号： 1674-9324 (2012) 12-0252-02一、当前电子技术教学现状及解决方案受办学经费、场地等因素的限制，当前绝大多数高校的 实验资源非常有限。开放性、自主性实验环节的欠缺，

2、在很 大程度上导致从事工程技术工作的学生就业前迷茫、困惑， 就业后无法直接进入工作角色，需要二次培训，既增大了就 业难度，又影响了发展前景。引入虚拟仪器概念，采用低成 本的硬件电路结合自主开发的控制软件构成虚拟测量系统， 形成兼具通用性、便携性和低成本的虚拟仪器。一方面仪器 成本极低，可以减少常规仪器设备的经费投入，便于实验室 大量配备；另一方面，利用虚拟测量仪器，教师可以结合教 学内容随堂演示，学生可以进行课外自主实验。由于虚拟仪 器的核心是软件，可以由用户自己定义功能，又不怕损坏， 对于学生不断的操作实践非常适合，能充分调动学生的实验 积极性。二、虚拟测量仪器系统以教学上通用的测量与控制为

3、目标，设计的虚拟测量仪 器系统具备信号发生、数据采集和电平测量等基本功能，由 仪器硬件和软件构成。1仪器硬件电路。虚拟测量仪器硬件上以silabs公司 内置usb控制器、10位adc和id ac的soc单片机c8051f320 为核心，具有数据采集和信号发生功能，并提供直流电源方 便外部实验电路搭建。信号调理电路分成双通道模拟输入和 一通道模拟输出两个部分。通过cd4051切换模拟输入信号, 经过ad526进行程控增益放大后由双运放max4016实现固定 增益放大和电平平移。单片机idac输出电流信号由max4016 转换为电压信号，ad526和lm1875分别实现程控增益放大和 功率放大。2

4、仪器软件设计。虚拟测量仪器软件通过labview平台 开发，主要实现人机界面操作响应和信号传输、运算、存储 和显示功能。根据测量对象和仪器功能不同，人机界面设计 各不相同。其中由模拟输入采集的信号数据或者用于模拟输 出的信号数据通过调用s订abs公司函数库usbxpress实现 与单片机的数据交换。三、虚拟测量仪器的教学应用我们在电子技术相关课程的教学中，充分利用虚拟测量 仪器所具有的功能多样、携带方便、成本低廉等特点，进行 了现场验证式课堂教学的探索，取得了良好效果。比如在模 拟电子技术课程中，我们发现很多学生初次接触半导体器 件，很难正确、全面地掌握半导体材料的载流子运动规律， 因此难以理

5、解和接受器件的非线性特性。针对这种情况，我 们在所接触第一个半导体器件一一二极管的课堂教学中，进 行了伏安特性现场测量。测量原理如图1所示，其中限流电 阻r=10kqo二极管选用常用的硅二极管ln4148o信号发生 器输出幅值范围-1+20v的三角波，双踪示波器同时采集一 周期电压信号ur和ud,并通过计算得到电流id。由于示波器两通道共地，所以通道ch2实际测量-ud。 将ud和id分别作为横坐标和纵坐标，得到曲线如图2所示。 由图2可知，1n4148死区电压约0.5v,导通压降约0. 7v, 反向饱和电流约6. 9nao通过演示实际元件特性的测量过程, 不仅让学生明白了相应特性的测量方法，

6、而且把典型二极管 的伏安特性曲线深深地植入了学生的脑海。虚拟测量仪器是一种低成本通用性强的教学实验工具， 可作为简易示波器、函数发生器和直流稳压电源等常用仪 器。通用pc上运行的控制软件和用户界面替代传统设备的 显示器件使得测量仪器体积小巧、携带方便，便于开展现场 验证式课堂教学，有效地帮助学生完成对教学内容从感性认 识到深刻理解的过渡。参考文献：1 唐颖，赵茂娟基于信息技术的电子类课程教学新模 式研究j.中国电力教育，2011, (2)： 88-90.2 周文委，王涌，金燕.虚拟仪器技术及其教学应用j. 浙江工业大学学报，2007, 35 (1)： 69-72.3 张学军，回文静.基于虚拟仪器的实验教学研究j. 仪器仪表用户,2011, 18 (1)： 57-59.4 郭庆，徐翠峰，张文龙基于虚拟仪器的辅助教学系 统j.电气电子教学学