2。1  虛擬儀器由硬件平臺(tái)與軟件開發(fā)平臺(tái)構(gòu)成

2。1。1  虛擬儀器的硬件平臺(tái)

　　虛擬儀器的硬件構(gòu)成主要包括：計(jì)算機(jī)、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字量輸入輸出等。虛擬儀器按功能可劃分成三個(gè)主要部分：

（1）信號(hào)輸入：將被測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)以利于計(jì)算機(jī)處理；

（2）信號(hào)輸出：將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換成適合于被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)；

（3）信號(hào)處理：利用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)等。

2。1。2  軟件開發(fā)平臺(tái)

　　虛擬擬儀器開發(fā)工具有Ｃ／Ｃ＋＋、ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ、ＬａｂＶＩＥＷ、惠普公司的ＶＥＥ及微軟的ＶＢ、ＶＣ等等軟件。其中，圖形化編程技術(shù)被專家看好，例如National  Instruments公司的ＬａｂＶＩＥＷ圖形化開發(fā)系統(tǒng)具有開放的軟件體系，提供DLL庫(kù)接口，支持OLE，還提供大量設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)、數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)和分析庫(kù)。這些虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)還提供較強(qiáng)的通訊能力，能充分利用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)如Windows-NT4。0的增強(qiáng)性能。例如ＬａｂＶＩＥＷ的TCP/IP和UDP網(wǎng)絡(luò)VI模塊能夠與遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)建立通信；Internet工具箱還為系統(tǒng)增加了E-mail、FTP和Web功能；利用遠(yuǎn)程自動(dòng)化VI模塊還可以對(duì)控制其他設(shè)備的分散VI進(jìn)行控制；利用OLE和DDE則可以將應(yīng)用程序與其他基于Windows的系統(tǒng)集成起來。

2。2  虛擬儀器在電子教學(xué)中具有的優(yōu)勢(shì)

（1）一機(jī)多用，節(jié)省資金及空間

　　一個(gè)傳統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)要使用多種儀器，而且不同實(shí)驗(yàn)所用的儀器也不同，如果開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)所需儀器更多，這么多的儀器不僅價(jià)值昂貴，體積大，占用空間多，而且相互連接也十分麻煩。如果使用虛擬儀器系統(tǒng)就可以很好地解決這個(gè)問題。不僅虛擬儀器工作平臺(tái)的ＰＣ機(jī)可以一機(jī)多用，而且實(shí)驗(yàn)室也可以一室多用，節(jié)約了設(shè)備投資，還可緩解高校實(shí)驗(yàn)室空間不足的問題。

（2）與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連，為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)造了條件

　?。蹋幔猓郑桑牛椎腡CP/IP和UDP網(wǎng)絡(luò)VI模塊能夠與遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)建立通信；Internet工具箱還為系統(tǒng)增加了E-mail、FTP和Web功能；利用遠(yuǎn)程自動(dòng)化VI模塊還可以對(duì)控制其他設(shè)備的分散VI進(jìn)行控制；利用OLE和DDE則可以將應(yīng)用程序與其他基于Windows的系統(tǒng)集成起來。這為虛擬儀器在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)造了有利條件。

（3）具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能

　　虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，因此，它具有數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、分析、處理、傳輸及控制的強(qiáng)大功能，使用虛擬儀器能夠輕而易舉地測(cè)量、顯示暫態(tài)或緩慢變化的量以及對(duì)被測(cè)量進(jìn)行各種分析，而這對(duì)于傳統(tǒng)儀器來說是困難的。

（4）測(cè)量準(zhǔn)確，克服各種機(jī)械故障

　　傳統(tǒng)儀器操作面板是物理實(shí)體，儀器使用久了以后，操作面板上的開關(guān)、旋鈕會(huì)出現(xiàn)接觸不良等機(jī)械故障。而虛擬儀器的操作面板是由軟件生成的，用鼠標(biāo)或鍵盤對(duì)其進(jìn)行操作，不會(huì)出現(xiàn)類似于傳統(tǒng)儀器那樣的機(jī)械故障。另外，傳統(tǒng)儀器的指針式儀表，其測(cè)量誤差較大，而虛擬儀器則可以進(jìn)行高速和精密測(cè)量。

2。3  虛擬儀器在教學(xué)中的應(yīng)用

　　虛擬儀器的硬件是以通用微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的，購(gòu)買一些儀器模板，就可以構(gòu)成一定數(shù)量的虛擬儀器供學(xué)生使用。ＬａｂＶＩＥＷ是一種由相應(yīng)的硬件（接口卡）支持的圖形編程語(yǔ)言，它具有十分強(qiáng)大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、輸入／輸出控制、信號(hào)生成、圖像的獲取、處理和傳輸?shù)鹊?。它采用了工程界熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)等圖形化符號(hào)來代替常規(guī)的編程，把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)的圖形編程方式。學(xué)生可以很快學(xué)會(huì)使用ＬａｂＶＩＥＷ設(shè)計(jì)出各種電子測(cè)試儀器。

　　在電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以用虛擬儀器測(cè)試各種電子設(shè)備，如電視機(jī)、影碟機(jī)、錄像機(jī)等電子設(shè)備。同一臺(tái)虛擬儀器系統(tǒng)可以虛擬出電壓表、電流表、頻率計(jì)、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀等多種測(cè)量?jī)x器。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，自行設(shè)計(jì)各種軟面板，定義儀器的功能，并以各種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。例如：虛擬儀器虛擬出的函數(shù)發(fā)生器，其波形、頻率、幅值等都可用鍵盤或鼠標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，基本能代替常規(guī)的儀器使用。用它虛擬出的示波器，不僅具有常規(guī)示波器的功能，還可同時(shí)顯示、記錄、存儲(chǔ)和打印多通道輸入的波形，對(duì)存儲(chǔ)的曲線可通過“回放”功能顯示在屏幕上，“回放”速度可調(diào)，“回放”過程可暫停波形掃描，以便能更清楚地觀察波形的變化，所存儲(chǔ)的曲線可以在任何時(shí)間打印輸出，學(xué)生可以及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從而激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高了實(shí)驗(yàn)效果和效率，加深了他們對(duì)理論知識(shí)的掌握。

3  虛擬電子實(shí)驗(yàn)室及教學(xué)應(yīng)用

　　利用Workbench虛擬電子實(shí)驗(yàn)軟件，可以進(jìn)行各種電子電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試，包括電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、高頻電路等的實(shí)驗(yàn)。如：穩(wěn)壓電路、多諧振蕩器電路、數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)電路等。虛擬電子實(shí)驗(yàn)所用的器件（包括型號(hào)、參數(shù)）、測(cè)試的儀器儀表、信號(hào)源、導(dǎo)線以及電路連接件等全部用軟件實(shí)現(xiàn)。Workbench中有11類元器件庫(kù)，即組合器件、分立元器件、整流類元器件、場(chǎng)效應(yīng)管、繼電器及可控信號(hào)源類、混合電路、顯示測(cè)試器件、通用邏輯電路、譯碼器及多路開關(guān)、觸發(fā)器、集成電路ＩＣ等，有70多種電子元器件；該軟件提供了種類齊全的虛擬測(cè)試儀器，包括常規(guī)儀器儀表（如萬(wàn)用表、交直流電流表、交直流電壓表、信號(hào)發(fā)生器、示波器等），高檔儀器（如字函數(shù)發(fā)生器、邏輯分析儀等）[2]。但該虛擬儀器只能用于測(cè)量虛擬電子實(shí)驗(yàn)中的電路，不能測(cè)量虛擬電子實(shí)驗(yàn)室以外的電子設(shè)備（如電視機(jī)、錄象機(jī)）。

3。1  虛擬電子實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）功能完善，實(shí)驗(yàn)用的元器件及測(cè)試儀器儀表齊全，可以做各種類型實(shí)驗(yàn)。

（2）可方便地對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，利用打印機(jī)可直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試曲線和電路原理圖。

（3）實(shí)驗(yàn)不消耗器材，實(shí)驗(yàn)所需器材種類和數(shù)量不限制，實(shí)驗(yàn)成本低。

（4）實(shí)驗(yàn)速度快，效率高，容易開展各種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

3。2  Workbench虛擬實(shí)驗(yàn)軟件在電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

3。2。1  虛擬電子實(shí)驗(yàn)

　　利用Workbench虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，可以進(jìn)行各種電子電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試實(shí)驗(yàn)，例如：做虛擬的負(fù)反饋電路實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)在計(jì)算機(jī)上將所需的“虛擬元器件”和測(cè)試用的“虛擬儀器儀表”，“拖放”至實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作區(qū)域，根據(jù)電路原理圖，用鼠標(biāo)操作連接好電路。然后用鼠標(biāo)開啟桌面左上角的電源開關(guān)，進(jìn)行虛擬測(cè)試。用鼠標(biāo)左鍵雙擊示波器圖標(biāo)將屏幕放大，通過觀察示波器上的波形，就可以看出：在沒有負(fù)反饋時(shí)，輸出信號(hào)波形會(huì)嚴(yán)重失真；而引入負(fù)反饋時(shí)，輸出信號(hào)波形明顯得到改善。實(shí)驗(yàn)中對(duì)電路元器件參數(shù)的修改很方便，用鼠標(biāo)左鍵雙擊元器件圖標(biāo)，即可彈出元器件參數(shù)修改窗口。如電阻的阻值、電容的容量、晶體管及集成電路的型號(hào)參數(shù)等均可根據(jù)需要重新設(shè)置，因此，大大提高了電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)效率。

3。2。2  實(shí)驗(yàn)演示及考查

　　用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行電子設(shè)計(jì)和測(cè)試，不僅可以提高實(shí)驗(yàn)的效率，而且在教學(xué)中，可以很方便、直觀地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)與演示各種電子電路的工作原理。這樣，理論課教學(xué)中難于講清的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，可以通過的驗(yàn)證性虛擬實(shí)驗(yàn)演示等教學(xué)手段進(jìn)行。另外，利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件可以對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行檢查，如利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的電路故障設(shè)置功能，可以在電路中設(shè)置故障，以考核學(xué)生排除故障的能力[3]。

3。2。3  遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)

　　如果將虛擬實(shí)驗(yàn)室聯(lián)網(wǎng)，則可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)，以脈沖產(chǎn)生整形電路為例，教師利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)遠(yuǎn)處的學(xué)生進(jìn)行示范講解，然后學(xué)生通過訪問學(xué)校的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，運(yùn)行應(yīng)用程序（例如Electronics  Workbench），就可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)用器件庫(kù)畫電路圖，改變?cè)?，輸入信?hào)參數(shù)，觀察分析模擬仿真的測(cè)試結(jié)果，將結(jié)果存于磁盤上，在計(jì)算機(jī)上與理論值比較，分析其間的關(guān)系，做出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師則可以通過網(wǎng)絡(luò)收集和批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，向?qū)W生發(fā)送成績(jī)。這將有助于解決當(dāng)前遠(yuǎn)程教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)難的問題。

3。2。4  進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

　　虛擬電子實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生創(chuàng)造良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有利于構(gòu)建以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，有利于學(xué)生知識(shí)的建構(gòu)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。如果將虛擬電子實(shí)驗(yàn)室建成開放實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生則可以隨時(shí)自由上機(jī)做電子電路設(shè)計(jì)和虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生除了獨(dú)立完成課程的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和必做的綜合性實(shí)驗(yàn)以外，還可以自行設(shè)計(jì)電路和選做一些趣味性的電路。如在“數(shù)字電路”課程中，學(xué)生不僅可以完成規(guī)定的“譯碼電路的應(yīng)用”、“計(jì)數(shù)電路的應(yīng)用”等實(shí)驗(yàn)，還可以自行設(shè)計(jì)電路和選作一些趣味性的電路，如彩燈控制、交通燈控制等控制電路以及各種報(bào)警電路等，這樣，既增強(qiáng)了學(xué)習(xí)積很性，又可提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。利用虛擬電子實(shí)驗(yàn)室還能進(jìn)行難度較大的綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如，數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)，這是數(shù)字電路中計(jì)數(shù)、分頻、譯碼、顯示及時(shí)鐘脈沖振蕩器等組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的綜合應(yīng)用，通過綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的科研和動(dòng)手能力。

4  結(jié)論

　　綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電子教學(xué)的應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)變成實(shí)驗(yàn)臺(tái)，軟件變成儀器，網(wǎng)絡(luò)變成實(shí)驗(yàn)室。虛擬儀器、虛擬電子實(shí)驗(yàn)具有傳統(tǒng)儀器、傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是，也存在一些不足，例如：虛擬環(huán)境一個(gè)理想化的環(huán)境，它沒有考慮分布參數(shù)的影響及抗干擾問題。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)還必須與實(shí)物實(shí)驗(yàn)、制作及調(diào)試相結(jié)合，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能夠達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。聲明：本文來自網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)屬于原作者。