浅议虚拟仪器在电子实验教学中的应用

江苏广播电视大学通州学院

虚拟仪器在电子实验教学中的应用

江苏广播电视大学通州学院 陈晓明

摘要：用show软件在计算机上实现了常规仪器的虚拟，拓宽了常规仪器功能。使电子实验的计算机辅助教学（CAI）的形象性与精确性得以兼顾，并可为电子类科研文章的写作提供便利。

关键词：CAI虚拟仪器；数据采集

计算机辅助教学是目前一个从理论到教学实践都很感兴趣的课题。利用计算机及相关配套的多媒体设备可以实现抽象理论的形象化。但是目前实验的CAI开发与研制都集中在具体的实验项目的仿真，或是利用计算机进行的数据处理，所以形象化与精确性往往不可兼得。而利用计算机来实现仪器的虚拟却具有很多优点，就是在科研中也有重要的应用。但有关虚拟仪器的应用实例，尤其是可操作性强的文章更是少见。

本文给出了SHOW软件的应用实例，以及如何巧妙地利用电脑声卡的AD/DA转换电路，将电脑变成一台集信号发生器、双踪示波器、频率测试仪、万用表等常用的重要仪器于一体的虚拟仪器，不仅其功能比各常用仪器强大，而且精确度等指标都没有随形象化的实现而减弱。

一、虚拟仪器及其优点

虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，它是利用现有的计算机，配上相应的硬件（如数据采集卡、输入/输出卡、GPIB卡等）和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器，虚拟仪器系统的构成可分成3个部分：第一是数据采集系统，通常是专用数据采集卡；第二是采集数据的处理和分析系统；第三是结果显示系统，包括显示器、打印机或绘图仪。

在电子实验中常用的仪器种类多，数量大，体积庞大，因而维修工作量也比较大，而且目前好的仪器其价格也比较高，例如：无论是数字存贮示波器，还是频谱分析仪的价格都是普通示波器的十几倍。如果在电子实验中，应用虚拟仪器，可以在不增加实验经费的情况下，对学生进行较先进仪器的操作、使用训练。而且像飞行员在模拟器上飞行训练一样，可把因操作失误而造成的损失降到最小，使用虚拟仪器，一方面，可使学生能进一步熟练计算机操作技能，另一方面，又能熟悉仪器的面板功能、调节按钮和操作使用过程，不存在任何操作不当而损坏仪器的事故，使用虚拟总结起来有以下优点。

①将多种常用实验仪器集成在一台个人计算机上，可同时实现多种常用仪器的功能。 ②可根据需要设计虚拟仪器功能，仪器功能从厂商定义转变为用户定义，使功能更贴近需要。

③虚拟仪器主要由软件组成，因此易修改更新，功能扩充性强，可使仪器不断升级。 ④虚拟仪器易实现网络化，可将整个实验室组成区域网，提高仪器设备的利用率，提高实验室开放程度，从而更有利于实验指导和管理。

⑤提高了信号测量效率，而仪器本身也不易损坏，维修方便。 ⑥扩充了实验内容，节约了可观的实验经费。

⑦利用虚拟仪器的存储与打印功能，可以为电子类科技文献写作提供便利。 二、仪器虚拟的准备 （一）软件的下载与安装

SHOW软件是中国科技大学严宇亮研制开发的。这一软件可以在音频范围内替代信号发生器、双踪示波器、频率测试仪、万用表等仪器。该软件目前有免费版本，但缺少应用的

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详细说明，如果使用不当，会损坏计算机设备。该软件可以在互联网上下载（0.94版本，仅64KB大小）。将下载后的压缩包解开后，会得到“show.exe”和“使用说明.chm”两个文件，运行“show.exe”后即进人虚拟仪器的主界面。 （二）硬件的准备与联接

准备一根三芯屏蔽线，一端接上三个鳄鱼夹，分别是左（L），右（R），地（GND），另一端接上一个直径3.5~的立体声耳机插头，并按此法制作两根即可，其作用是通过电缆采集实际实验电路中的测试信号。

作为数据采集系统的核心器件的声卡并无特殊要求，只要能满足采样频率大于44.1kHz，可输出16bit的立体声即可，即使是集成声卡也可以满足要求。只要不是非常老式的声卡都可满足要求，我们使用的声卡是AvanceAC’97集成在主板上的声卡。

连接：将一根测试电缆3.5~耳机插头一端插人声卡的line out口作为输出电缆，另一根按同样的方式插人声卡的line in口作为输入电缆，如果声卡上没有line in口，也可 以选择MIC In，但此时示波器将只能单踪工作，万用表也只能测电压了。

调整：打开电脑的音量调节软件，在属性中调出录音音量控制面板，将输入方式选成“线性”并适当调整音量，同时禁用一些不常用的设备，如MODEM、CD等的音量调节，以尽量减少对测量的干扰。 三、虚拟仪器的使用 （一）示波器

虚拟示波器是虚拟仪器最有特色的功能，运行该软件后，默认将启动示波器，在界面左下方的“示波器工作方式”下.可以选择示波器的五种工作模式，分别如下： X单踪示波器

X1，X2双踪示波器（见图l）

X-Y两路信号分别做X轴、Y轴输入（见图2） Xl+X2两路信号相加（见图3） 频域显示信号的频谱分布（见图4）

图1显示的波型说明能实现双通道双扫描的功能。这是通用双踪示波器不可能实现 的。

图l xl=200HZ、x2=2000kHz正弦波 图2 x1=4000Hz x2=2000kHz正弦波

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图3 x1=4000Hz.x2=2000kHz正弦波

圈4 x1=4000Hz方波、x2=2000kHz方波

图2是实验“李萨如图形测频率”的显示结果之一，用常规仪器通过李萨如图形测频率时，调节信号源的频率不易精确，如果演示所有李萨如图与被测频率的关系将会很不方便。而将虚拟信号源与虚拟示波器联合使用，将在很短时间内完成。给学生演示过程中，可以按下“RECORD”按钮将输入信号保存为WAV文件，按“PAUSE”则可以将显示暂停，此时，可以通过“保存屏幕”将当前的示波器屏幕保存为位图文件，从而实现了数字存贮示波器的波形存贮、打印等功能。

图3说明双路信号在频率相差较大时，虚拟示波器可以稳定显示双信号相加结果。而通常双踪示波器会闪烁抖动。

图4显示的是方波的频谱分布，而常用示波器无此功能。

为了便于观察信号，常用示波器需要根据信号的大小调节示波器的“量程”。即调整示波器的电压/格（Volst/div）或时间/格（Time/div），或者使用不同衰减的联接电缆。但是这些调节都不是连续可调的。而在虚拟示波器界面右上方的“增益”中，（我们认为这是软件作者对增益概念的误解，应为量程）可以通过滑块和按钮调节两路输入信号显示的大小，滑块可进行连续调节，调节范围为0db-12db，按钮调节范围为0db-42db，除此以外，还可以在“基准线”和“时基”中分别调整示波器图形的坐标线和采样时间，通过“同步”设定信号同步，以利于对信号波形的观察。 （二）频率计

按下右下方“电源开关”下的“频率计”即可启动虚拟频率计，频率的测量是通过对输入信号进行快速傅利叶变换（FFT）得到的，具有快速、实时的特点，但也给测量结果带来约10Hz的误差，如果想得到准确的频率值，可利用信号发生器的输入信号配合示波器利用

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李萨如图形法进行测量，如果将FFT取样数提高，则误差可以小于1Hz，但此时软件运算量会增加，一般无此必要。 （三）信号发生器

按“信号源”按钮将启动信号发生器，信号为双路输出，可通过三芯测试电缆送出，在界面右边的“信号发生器”项目下，则可以同时调整两路输出信号的频率、波形和增益，输出信号频率从20Hz到20kHz可调，但受声卡DSP芯片采样频率及声卡质量的影响，实际输出的信号频率只有50Hz到巧KHz的正弦波比较理想，不过，用来完成一般的测量已经完全足够。 （四）万用表

按下“万用表”按钮可以启动万用表功能，配合前面制作的两根测试电缆，连接后即可以对电阻、电容、电感和交流电压有效值进行测量。通常无论是数字式万用表还是指针式万用表，一般都无电感、电容的测量，而虚拟万用表则可以测量电感与电容。在测量前，要同时开启“信号源”并选择合适的信号输出频率，然后在主界面下部的“万用表”项目中，按下“设置基准值”，依照标准元件的标称值输入合适的基准，最后按下与元件类型对应的标志，如果测电容就按下“C”，比D显示屏上即可显示出待测元件的数值，比如标准元件为0.01uf，则基准值可以输入1.此时，若待测元件为0.068uf，则显示值将为68，其单位与设置的基准值一致。

该万用表的测量原理与普通的数字式万用表类似，唯一的差别在于它用交流测试信号代替了普通数字式万用表采用的直流测试信号，因此，作者并不推荐将它用作对直流电阻的测量。利用虚拟万用表这一特点，在一些特殊测量中将有独特的作用，比如测量录音机磁头的交流阻抗，就可以克服普通万用表测试结果是直流阻抗以及磁头容易磁化的问题。 （五）注意事项

由于声卡的输入端对于输入电平是有限制的一般不应超过IV交流信号，因此，不要轻易尝试用万用表功能去测试过高的电压，否则极易损坏你的声卡甚至电脑本身，确实需要进行测量的话，可以在输入电缆的L、R输入端分别增加电阻衰减网络，对交流电压的测量还可以通过隔离变压器进行隔离和降压后进行，这些衰减网络的设计与制作都是比较简单的。此外，虚拟仪器的信号显示与常规仪器有所不同，在操作、调节按钮之后，要等待几秒钟，才能显示结果，这与计算机的配置性能有关。 四、结论

在电子实验教学中使用虚拟仪器可以实现常用仪器所不具有的功能；应用SHOW软件可以方便的实现示波器、频率计、信号源、万用表的虚拟。我们还对实际运用仪器的步骤与注意事项作了详细的说明。虚拟仪器还可以用于各种微弱信号实时测量，例如普通物理实验中的杨氏模量的测量，复射式光点检流计的计算机虚拟，电声学实验中的语音分析等，我们将进一步研究应用

参考文献

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