虛擬測(cè)試技術(shù)在電子測(cè)量實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用的論文
摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是測(cè)量信息論和系統(tǒng)論的不斷完善，電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，從理論到手段、從思想到方法、從技術(shù)到儀器無(wú)不在經(jīng)歷著一場(chǎng)浩大的變革。儀器的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，導(dǎo)致專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要投放過(guò)高的費(fèi)用，且損耗過(guò)大，幾年后就難以滿(mǎn)足基本的需求，而且普通院校很難滿(mǎn)足高端儀器的運(yùn)用，這樣就導(dǎo)致學(xué)生沒(méi)有辦法體會(huì)到這些專(zhuān)業(yè)的設(shè)備。文章研究了虛擬測(cè)試技術(shù)在電子測(cè)量實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，很好地解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端。
關(guān)鍵詞：電子測(cè)量；虛擬測(cè)試技術(shù)；教學(xué)應(yīng)用
“電子測(cè)量技術(shù)”是電子信息、通信技術(shù)、自動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。它不但為適應(yīng)今后生產(chǎn)和科研中將會(huì)遇到的大量現(xiàn)代測(cè)量業(yè)務(wù)進(jìn)行必要的準(zhǔn)備，也對(duì)加深對(duì)本專(zhuān)業(yè)其他課程尤其是實(shí)踐環(huán)節(jié)課程的理解有很好的作用。課程的目標(biāo)是通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有電子測(cè)量技術(shù)與儀器方面的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用能力，掌握常用電子測(cè)量?jī)x器進(jìn)行一般的電子產(chǎn)品的調(diào)試和檢驗(yàn)。但是，興建一個(gè)功能齊備的測(cè)量實(shí)驗(yàn)室在普通院校里很難實(shí)現(xiàn)，這樣就導(dǎo)致學(xué)生沒(méi)有辦法體會(huì)到這些專(zhuān)業(yè)的設(shè)備。
虛擬測(cè)試技術(shù)幫我們很好地解決了這個(gè)難題，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行的虛擬測(cè)試技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到電子測(cè)量技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)中。采用計(jì)算機(jī)虛擬測(cè)試技術(shù)可以不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備不全造成的影響。
1 Multisim仿真軟件中的虛擬儀器
1.1 Multisim仿真軟件簡(jiǎn)介
Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模數(shù)電路板的設(shè)計(jì)工作。包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。
它不僅可以用于實(shí)際工程的仿真，并且可以用于電子測(cè)量技術(shù)課程的輔助教學(xué)。一方面教師可以在理論課的講授過(guò)程中隨時(shí)隨地將實(shí)驗(yàn)仿真的現(xiàn)象直觀地演示給學(xué)生看，另一方面學(xué)生可以很方便地把學(xué)到的理論知識(shí)進(jìn)行仿真，真正地自己動(dòng)手再現(xiàn)出來(lái)，這樣可以很好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。
1.2 Multisim中的虛擬儀器
可用于電子測(cè)量的`軟件有很多，Multisim作為最流行的仿真軟件，擁有直觀的圖形界面、豐富的元器件和測(cè)試儀器、強(qiáng)大的仿真能力、詳細(xì)的電路分析功能，可以幫助用戶(hù)方便地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真，將學(xué)到的理論知識(shí)真實(shí)地展現(xiàn)出來(lái)。
對(duì)于電子測(cè)量技術(shù)課程的教學(xué)，一般高校電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)室都只能配備比較基礎(chǔ)的測(cè)量設(shè)備，不能滿(mǎn)足學(xué)生的需求。Multisim的儀表庫(kù)中可以提供22種虛擬儀表，教師就可以利用這些儀表，來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)室中沒(méi)有的電子設(shè)備，從而開(kāi)闊學(xué)生的眼界，提高學(xué)生的積極性，達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。
Multisim中的虛擬儀器儀表主要包括數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器、邏輯轉(zhuǎn)換儀、邏輯分析儀、頻譜分析儀、波特圖示儀等[1]。
2 波特圖示儀在電子測(cè)量技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例
電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較多，現(xiàn)以波特圖示儀為例說(shuō)明虛擬測(cè)試技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。
2.1 波特圖示儀的設(shè)置與使用
波特圖示儀也稱(chēng)為掃頻儀，用來(lái)測(cè)量和顯示電路或系統(tǒng)的幅頻特性與相頻特性，常用于對(duì)濾波電路進(jìn)行分析。它有兩組端子，分別是IN和OUT端子，每組端子分別有“+”和“一 ”兩個(gè)接線(xiàn)柱[2]。
波特圖示儀面板分為Mode區(qū)、Horizontal區(qū)、Vertical區(qū)和Control區(qū)4個(gè)部分，如圖1所示。模式區(qū)用于設(shè)置屏幕中內(nèi)容的顯示類(lèi)型；水平區(qū)用于設(shè)置信號(hào)曲線(xiàn)的水平坐標(biāo)，當(dāng)測(cè)量信號(hào)的頻率范圍比較寬時(shí)，使用Log顯示，所得的曲線(xiàn)較為直觀。垂直區(qū)用于設(shè)置信號(hào)曲線(xiàn)的垂直坐標(biāo)，當(dāng)測(cè)量相頻特性時(shí)，Y軸表示相位，單位為dB，通常采用線(xiàn)性刻度；控制區(qū)用于設(shè)置面板的相關(guān)參數(shù)。此外，移動(dòng)波特圖示儀的垂直游標(biāo)可以得到頻率相對(duì)應(yīng)的電壓比的大小或相位的度數(shù)[3]。
2.2 波特圖示儀的應(yīng)用實(shí)例
以濾波器電路為例測(cè)量其幅頻特性和相頻特性。具體步驟如下。
（1）建立濾波器仿真電路，如圖2所示。注意在電路的輸入端接入AC信號(hào)源，對(duì)其頻率的設(shè)定并無(wú)特殊的要求。
（2）運(yùn)行仿真，設(shè)置水平區(qū)和垂直區(qū)的初始值I和最終值F，設(shè)置水平區(qū)F為10 MHz，I為20 Hz，設(shè)置垂直區(qū)F為10dB，I為-50dB。
（3）觀察并記錄濾波器幅頻特性曲線(xiàn)和相頻特性曲線(xiàn)。使用垂直游標(biāo)可以讀出某一頻率上的幅值和相位。
2.3 虛擬測(cè)試技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)
在利用波特圖示儀來(lái)測(cè)量濾波器的幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn)中，利用Multisim豐富的虛擬儀器，便于觀察所設(shè)計(jì)的電路的工作情況及參數(shù)分析。電路中使用的AC交流信號(hào)源、直流電源、電容、電阻等元器件數(shù)值準(zhǔn)確，避免了在實(shí)際硬件操作中元器件的標(biāo)稱(chēng)值和實(shí)際值不相等的問(wèn)題。可以排除此部分的誤差，更好地分析電路的特性。
學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里，用實(shí)物做實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)接線(xiàn)的要求非常嚴(yán)格，萬(wàn)一接錯(cuò)線(xiàn)可能會(huì)燒壞元件甚至燒壞儀表，這樣的話(huà)不僅造成實(shí)驗(yàn)材料的浪費(fèi)而且還有一定的危險(xiǎn)性。同時(shí)也會(huì)打擊學(xué)生的自信心，使得學(xué)生不敢大膽地去嘗試。而將Multisim引入教學(xué)，卻可以把電路圖故意接錯(cuò)，人為地、有目的性地去設(shè)置一些故障，比如短路、斷路、漏電等，進(jìn)行故障仿真時(shí)，會(huì)出現(xiàn)故障提示，這時(shí)教師再去引導(dǎo)和解釋?zhuān)瑫?huì)給學(xué)生留下深刻的印象，從而更好地去理解和掌握所學(xué)的理論知識(shí)。并且在以后的實(shí)際操作中會(huì)大大減少接線(xiàn)錯(cuò)誤，在訓(xùn)練學(xué)生掌握正確的測(cè)量方法和熟練使用儀器方面都有明顯的改善和提高，這是傳統(tǒng)教學(xué)所不能比擬的優(yōu)越性[4]。
3 結(jié)語(yǔ)
在電子測(cè)量的教學(xué)過(guò)程中，不僅要使學(xué)生掌握最基本的測(cè)量理論，更重要的是學(xué)會(huì)常用儀器的工作原理以及使用方法。因此，電子測(cè)量的實(shí)踐教學(xué)占有舉足輕重的地位，只有通過(guò)實(shí)踐，學(xué)生才能夠掌握一些經(jīng)典的測(cè)量方法和常用儀器的使用方法，為今后從事測(cè)量技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)。
將Multisim軟件引入電子測(cè)量技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)中，為學(xué)生提供一種可供他們體驗(yàn)和觀測(cè)的環(huán)境，其建構(gòu)出的逼真情境，生動(dòng)地再現(xiàn)真實(shí)，讓學(xué)生身臨其境，記憶猶新。但是，我們也應(yīng)看到在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的重要性，電路的連接和調(diào)試，這些實(shí)際操作是軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，應(yīng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，將虛擬測(cè)試技術(shù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，達(dá)到最佳教學(xué)效果。
[參考文獻(xiàn)]
[1]吳福高，張明增.Multisim電路仿真及應(yīng)用[M].北京：航空工業(yè)出版社，2015.
[2]詹惠琴，古天祥，習(xí)友寶，等.電子測(cè)量原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.
[3]楊德，沈俊霞.MULTISIM仿真軟件在電子測(cè)量課程中的應(yīng)用[J].運(yùn)程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（2）：41-43.
[4]王槐生，李娟娟.虛擬儀器在“電子測(cè)量技術(shù)”教學(xué)中的改革與應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育，2011（11）：107-108.
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