冒莉
“电子测量”是理工科高职院校电类专业的一门基础性课程，具有较强的理论性、实用性和工程实践性，教学内容较为抽象，教学难度较大。教师只有带领学生进行大量实践测量，才能让学生在熟练使用电子仪器的基础上，加深对电路知识的理解。在课程教学中，教师可以尝试通过引入虚拟仪器（NI-ELVIS II）實验平台来提高教学效果，增强师生、生生间的互动性，从而激发学生的学习兴趣和创新意识，深化学生对实验的理解，培养学生的工程意识和系统分析能力。
一、“电子测量”课程的现状分析
“电子测量”是电类、测控类专业的基础课，内容包含了各种电子测量仪器的使用和测量技术运用， 还包括测量误差分析和数据处理分析。就电类专业来说，“电子测量”是“电路分析基础”“模拟电子技术”“数字电子技术”“高频电路”等课程的后续专业课。“电子测量”课程主要是对电子学中的各类信号进行测量、分析，重点培养学生的测量能力和分析能力。如今，随着现代测量技术、通信技术的发展，传统的电子测量仪器已经向智能化、复杂化的自动测试仪器和虚拟仪器等方向发展。同时，随着测量工具和测量方法的变化，“电子测量”课程的教学方式也必然发生变化。本文就是结合新技术条件下，利用虚拟仪器在“电子测量”课程教学中的实践，具体分析“电子测量”课程的教学，特别是虚拟仪器的运用。
二、虚拟仪器介绍——以NI-ELVIS II实验平台为例
虚拟仪器（Virtual Instrument），简称VI，它是以测量板块为采样点，通过计算机信号处理的信息采集和处理系统，利用虚拟仪器软件的开发平台在计算机上模拟出仪器的仪表面板和相应功能，采集的数据通过通信线在计算机上实现数据的显示、存储以及分析和处理。虚拟仪器强调软件的作用，“软件即是仪器”是虚拟仪器的核心概念（通信框图如图1所示：①为计算机;②为通信线;③NI-ELVIS II工作站（平台）;④实验电路面包板块;⑤电源适配器;⑥电源线）。
我们采用的虚拟仪器是由美国国家仪器有限公司（Na-tional Instruments，简称 NI）生产的NI-ELVIS II（专门面向高校实验室进行创新教学的解决平台，在实验教学领域得到广泛的应用），是NI于2008年6月推出的一套虚拟仪器教学实验套件，其硬件集成度很高，共集合了示波器、万用表、函数信号发生器、阻抗分析仪等12种最常用实验仪器（其外形如图2所示）。此虚拟仪器主要由平台和板卡两部分组成，平台上提供信号源、电源、仪器接口、万用表接口等;上面是搭建电路的面包板，通过DIMM接口与平台相连，实现搭建的实际电路与平台通信，并通过平台与电脑连接。
目前，很多高职院校使用的都是NI公司出品的电子仿真教学软件Multisim，该软件与NI-ELVIS II进行了完美对接，当学生使用Multisim进行电路仿真时，可在NI-ELVIS II平台上直接进行测量，实现了实物图、仿真图、仿真数据与实测数据之间相互切换，提高了学生的使用效率，提高了实验成功率，也减少了电子元器件的损耗。因此，利用NI-ELVIS II，结合Multisim软件可以进行电路设计、数据分析、实测电路等一体化实验流程。
三、基于NI-ELVIS II项目设计
数字万用表、直流稳压电源、函数信号发生器、双踪数字示波器是电子测量实验中最常用的仪器设备，教师可以让学生以固定偏置式放大电路为载体，综合运用以上4种仪器，在应用电路的基础上，学习、巩固仪器的使用及电路知识。事实上，NI-ELVIS II虚拟仪器面板功能与真实仪器基本一样，通过对虚拟仪器的学习与使用，学生在以后学习或工作中对真实仪器进行操作也会变得毫无障碍。以三极管放大电路测试为例，在三极管放大电路中完成静态工作、放大倍数和波形的测量，需要使用到数字万用表、数字示波器、函数信号发生器、电源等4类仪器。教师可通过电路的设计、仿真、测试等方面向学生阐述虚拟仪器在电子测量课程中的运用。下面介绍一下基于NI-ELVIS II虚拟仪器对放大电路的测试过程。
（一）分析载体电路，了解需要测试的数据，调整静态工作点Q并确定测试点
NI公司把Multisim仿真软件和NI-ELVIS II实验平台进行了完美结合，通过API，用户可在Multisim内编写的LabVIEW程序及仿真程序实现NI-ELVIS II工作站的自定义控制及访问。下面我们利用Multisim仿真软件进行原理图绘制并分析电路原理图及测试图（如图3所示）。由于我们主要目的是为了学习和使用仪器，因此选用了器件少、测试数据明确的固定式偏置放大电路作为载体。三极管放大电路通过对静态工作点Q的设置，能完成小信号、无失真地放大。静态工作点对放大器的性能和输出波形都有很大影响。若静态工作点偏高，放大器在加入交流信号后，其输出波形易出现饱和失真;若静态工作点偏低，则易出现截止失真。因此，静态工作点设置的合适与否，放大器能否放大具有重要的意义。但在硬件实验操作中，由于学生的失误，常常观察不到实验结果，导致一部分学生会对实验产生厌倦情绪。NI-ELVIS II实验平台结合Multisim仿真，学生可尝试不同方式的布局、布线，在很大程度上保证了面包板搭建与原理图设计间的同步，学生可以不断地去尝试，大大提高了实验的效率，降低了器件的损耗。静态工作点Q就是直流电路下的工作状态，需要通过调整电路中的电位器R1，改变基极电流IB，因为IC=βIB，UCEQ=VCC-R3IC，通过调整R1来调整UCEQ，用数字万用表对UCEQ进行测量观察，调整到合适的位置，本电路选用的电源为8V，为保证信号不失真，可将Q点调整到中间（即4V）位置（图4为静态工作点Q调整测试图）。
（二）软件仿真，仪器讲解
NI公司把NI-ELVIS II实验平台嵌入在Multisim软件内，在Multisim软件内新建的NI-ELVIS II工程文件绘制原理图，并在基极加函数信号发生器、在集电极加直流稳压电源，添加双踪示波器测量输入输出端的波形。LabVIEW数字万用表测试面板如图5所示，并调整数据到4V，第一排为功能选择端，依次为直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻、电容、电感、二极管、蜂鸣器，第二排为模式和范围，右边是接线端子、设备选择、获取模式。
电源面板图（如图6）主要包括2路电源“Supply+”和“Supply-”，我们实验时选择“Supply+”;电源的范围，我们选择0-12V;电源的递进电压为0.25V;采集周期为1000ms。函数信号发生器面板（如图7），波形设置主要有正弦波、三角波、矩形波，我们选择最常用的正弦波，信号的频率设置选择1KHz，范围为100Hz～11KHz，幅值（Amplitude）选择30mV峰值，占空比50%。因此，双踪示波器面板（如图8）通道选择CH0，时间基准周期（timebase）选择500us，电压基准选择输入为10mV， 输出1V，获取方式一般有单次扫描和连续扫描两种。
（三）交流信号数据测试和分析
测试数据分为仿真测试数据和实物测试数据，Multisim仿真和NI-ELVIS II实物测试波形可以在虚拟仪器上同步显示，这也是NI-ELVIS II平台的最大优势，便于进行比较分析。在搭建实物电路图时，我们选用的是9013三極管，放大倍数理论值是150左右，基极电阻是47K，电位器500K，集电极电阻是1K，耦合电容为100uF，电源选择8V，输入信号为30mV的正弦交流信号。实物搭建在NI-ELVIS II平台面包板上，测试数据如图9所示，虚线为放大电路的输入、输出仿真波形，有毛刺的为实物测试波形图，上方波形为输入信号，下方波形为输出信号。通过比较可以发现，实测的放大倍数与仿真的放大倍数误差比较小。由此可见，信号输出符合我们的设计值，波形测试数据完整。
四、结语
在实验教学中，我们利用 NI-ELVIS II虚拟仪器实验平台自带的仪器和仪表、虚拟仪器的高仿真性、虚拟仪器的可调整性，以及丰富的用户界面和强大的附加功能，实现了从电路理论到设计仿真、原型测量、比较、实现的无缝衔接，而且可以根据学生的兴趣及创造性添加更多新的功能，让理论学习与工程实现紧密地结合。同时，在实验教学中引入NI-ELVIS II虚拟仪器实验平台可以方便实验项目的更新，降低了购置实验设施的成本，还可减小实验测量过程中的人为误差，提高了实验测量的准确度，而且在收集数据上学生不用花费太多时间，使学生有更多的时间去思考，激发了学生自主学习的积极性，提高了学生动手实践能力和创新意识。
（本文系无锡商业职业技术学院校级课题“基于LabVIEW的‘电子测量课程教学研究”阶段性成果，项目编号：KJXJ18436）
（责编 李光远）
