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1)注重應試的教育體62616964757a686964616fe4b893e5b19e31333262383036制重理論輕實踐。

(2)與我國的國情導致的教育資金投入有限，實驗設備和器材缺乏有關。眾所周知，儀器是實驗的基礎，要保證測試實驗的開設質量，就要同時購置多套先進而昂貴的儀器。還有一個方面的原因是傳統的實驗要使用多種儀器，而且不同實驗所用的儀器也不盡相同，故不僅價值昂貴，體積大，占用空間多，而且相互連接也十分麻煩。

(3)儀器一旦損壞維修和重新購置就造成很大的經濟損失。因此，好多從事這方面課的教學的老師都是苦于沒有足夠的儀器設備，覺的教學效果不太理想。因此，本課題就是希望通過研究，利用現代科技的新成果，來找到解決實際問題的新途徑。探索研究測量的新技術、新方法。利用現代化的教學手段建立虛擬儀器，它的實驗效果跟實驗室的結果基本一樣，卻可以節約不少財力、人力，而且能節省時間。在實驗室、生產車間和戶外現場，為完成某項測試和維修任務，通常需要許多儀器，如：示波器、磁帶機、頻譜分析儀等等。由眾多的儀器構成的測試系統，價格昂貴，體積龐大，連接和操作復雜，測試效率低。而利用PC機資源(處理器、存儲器、顯示器等)、儀器硬件(傳感器、信號調理器等)和數據采集、過程通訊、信號處理及圖形用戶界面的應用軟件有效的結合，將在教學中非常有用。而且可以實現基于網絡的實驗室建立，有如下優點[1][ 2][3]：

(1)低成本高效率。因為在計算機和軟件的情況下就可以做各種實驗。既減少實驗室投資及建設的個數，又提高實驗室的利用率，解決了因實驗設備、實驗場地、教學經費等方面而使一些本應該開設的實驗無法進行的問題。

(2)高度開放性與資源共享性。不受時間和空間制約。可以隨時隨地進入虛擬實驗室，節省教學資源、快速反饋教學問題。

(3)實驗操作安全。進行虛擬實驗可避免直接接觸的威脅，這對實驗技巧不高的初學者是非常重要的。

(4)快速響應教學實習的需求。當現實實驗室不具備時，可利用虛擬實驗室來代替，這樣，虛擬教學、虛擬實驗、現實實驗三者相結合。滿足不同條件的學校教學需要。

按照虛擬儀器思想構建的測試系統提高了測量精度、測量速度，減少了開關、電纜，系統易擴充、易升級，成本低，效率高。

利用這種軟件開發平臺很適合實驗教學中應用，實用價值很高

1.2虛擬儀器發展現狀

虛擬儀器概念最早是由美國國家儀器公司(National Instruments，簡稱NI)[4] [5] [6] [7]提出的。1986年，NI公司推出圖形化的虛擬儀器編程語言LabVIEW，標志著儀器設計軟件平臺基本成形，虛擬儀器從概念構思變為工程師可實現的具體對象。

隨著計算機技術一日千里的發展，用微機進行數字化動靜態測試分析的理想終于成為現實。其中的幾個關鍵技術現都已解決：①微機的精度、速度；②模數轉換的精度、速度；③內存、硬盤的存儲量和速度；④計算機與A/D價格越來越低；⑤加上各種功能的專用軟件的迅速發展，及時地帶動了虛擬儀器技術的迅猛發展[8]。

虛擬儀器與傳統儀器的比較見表1-1

表1-1 虛擬儀器與傳統儀器對比

虛擬儀器

傳統儀器

儀器功能由用戶自己定義

儀器功能由廠商定義

面向應用的系統結構，可方便與網絡外設等連接

與其他儀器設備的聯結十分有限

友好的用戶界面，計算機讀數、分析處理

圖形界面小，人工讀數、信息量少

數據可編輯、存儲、打印

數據無法編輯

關鍵是軟件

關鍵是硬件

價格低廉、可重用與可重置性能強

價格昂貴

基于計算機技術開發的的功能模塊，可構成多種儀器

系統封閉，功能固定、可擴展性低

基于軟件系統的結構，大大節省開發維護費用

開發維護費用高

技術更新周期短(1~2年)

技術更新周期長(5~10年)

個人可擁有一個實驗室

多為實驗室等部門所擁有

1.3 本課題的主要研究內容

研究利用圖形化編程語言LabVIEW進行電子課程的虛擬儀器的開發設計。

(1) 針對電子課程實驗提出了虛擬儀器的設計方案；

(2) 設計和選用了儀器的硬件系統及構成部件；

(3)利用圖形化編程語言LabVIEW進行了電子課程的虛擬儀器系統軟件設計；

(4) 對電子課程的實驗進行了詳細設計和規劃。

2 電子虛擬儀器測量系統的總體設計方案

2.1 測量系統的總體設計思想

本課題主要設計是面向高職高校的電子課程實驗，為了讓電子課程的教學與學習、實驗效果更好，并探索虛擬儀器的應用。在設計上體現的主要思想原則如下：

(1)先進性

本實驗系統采用美國國家儀器公司的虛擬儀器平臺LabVIEW軟件為開發平臺，根據實際需求，結合各方面情況選擇了以PC-DAQ為體系結構的虛擬儀器，在傳統硬件測量系統的基礎上，選配必要的傳感器、信號調理器和數據采集卡等硬件組成測試系統。

(2)實用性

雖然是虛擬儀器，但做的屏幕外形盡量與傳統儀器的外觀相像，使學生和老師以及專業人員一看就明白，LabVIEW使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面。針對電子測量課程，利用LabVIEW設計大量儀器面板中的控制對象，如表頭旋紐、圖表、示波器等，可供教學實驗用。

(3)開放性

將于本實驗相關的接線端子、外圍設備等相關信號都可以通過插座，相互連接。

(4)專業性

針對電子實驗的特殊實驗內容。設計軟件功能，主要有波形測量、數據繪表。

萬用表使用方法是練習、二極管及三極管的測量和伏安特性曲線的測繪等。

(5)可擴充性

LabVIEW軟件是模塊化結構，所以根據需要增加新的功能模塊非常容易。需要增加的功能可以隨時增加到主程序里，當然要連接好后面板程序端子就可。

2.2硬件系統設計選擇

目前虛擬儀器已發展成具有GPIB, PC-DAQ, VXI和PXI多種標準體系結構。本測量系統選擇以PC-DAQ/PCI插卡式虛擬儀器結構形式[27][29][32]。它的優點：

1)可以很方便的組建基于計算機的儀器，實現“一機多型”和“一機多用”的性能。

2)隨著A/D轉換技術、儀器放大技術、抗混疊濾波技術與信號調理技術的迅速發展，DAQ的采樣速率已達到1 GB/s，精度高達24位，通道數高達64個，并能任意結合數字I/O、模擬I/O、計數器/定時器等通道。

3)它既具有高檔儀器的測量品質，又能滿足測量儀器的多樣性。

2.3軟件設計思路

在虛擬儀器的實際設計中，一般采用由上至下的設計方法，首先根據系統的總體需求，將系統劃分為各個功能模塊。根據測試的需要，一般來講程序至少應包含以下模塊：

1)數據采集模塊；

2)數據分析模塊；

3)結果顯示；

4)數據存儲與回放模塊、幫助模塊。為將各模塊集成到一起，還需要設計一個主界面來實現各模塊的調用。

2.4 實驗設計方案及實驗原理

電子課程虛擬儀器系統研究的主要內容有：模擬量測量模塊、虛擬示波器實驗模塊、虛擬函數發生器模塊。

實驗方案

1)利用虛擬示波器模塊，結合示波器測量相位差的三種方法、組建示波器測量相位的VI程序模塊。

2)利用本系統的模擬量模塊測量溫度。研究電阻、半導體、電容等元件對溫度敏感性，研究它們的性能度隨工作時間的變化規律，繪出隨時間變化的曲線。

3 硬件設計

按照測控功能硬件的不同，虛擬儀器可分為GPIB、VXI、 PXI和PC-DAQ四種標準體系結構，用來進行信號采集、傳輸、控制等。

無論哪種VI系統，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺式PC或工作站等各種計算機平臺加上應用軟件而構成的，實現使用計算機的全數字化的采集測試分析。

4 軟件平臺設計與開發

利用虛擬儀器組成電子實驗虛擬儀器系統的關鍵在于軟件系統，它包括系統軟件和應用軟件。系統軟件提供了檢測系統的工作環境，本系統采用Windows操作系統，無論開發還是使用都很優越；應用軟件包括：檢測程序、檢測數據庫、信號分析等。該檢測系統在基本硬件支持下，利用計算機為用戶提供測量與控制界面，在計算機的控制下獲得測量結果并實現采集數據的分析與處理，最后通過窗口界面輸出測試結果或繪制參數曲線。因此，軟件系統是該檢測系統的核心，也體現了“軟件就是儀器”的思想。

4.1 軟件平臺選擇

LabVIEW ( Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是基于圖形化編程語言(G Language)的開發環境，是一種強有力的虛擬儀器開發工具，主要用于儀器控制、數據采集、數據分析、數據顯示等領域。

4.2 功能模塊的實現

4.2.1 數據采集模塊的實現

測試系統主框圖程序數據采集系統的基本任務是采集測量現實世界的物理信號，在幾乎所有涉及到數字信息處理的領域中，數據采集系統都是其核心部分之一。LabVIEW的數據采集程序包括了許多公司數據采集(DAQ)卡的驅動控制程序。采集設置 VI子程序完成系統設置的功能，在這個程序界面中，主要完成功能-數據采集卡參數的設定。

4.2.2 數據分析模塊的實現

在實際工程應用中，信號的獲取只是其中的一方面，由于測試過程中受到測試系統內、外部各種因素的影響，所測得的信號不可避免的還夾雜著一些不需要的成分。因此，通過測試裝置及系統測得信號以后，還需要進一步對信號進行相應的分析和處理，將蘊含在信號中的有用信息識別、提取出來。

4.2.3數據的記錄與數據回放模塊的實現

提供文件輸入輸出函數位于函數模板的File I/O子模板和Waveform→Waveform File I/O子模板中。分別用于數據文件和波形文件存取。如4-12圖所示。

4.2.4 數據打印模塊

打印模塊可以根據需要打印的項目，輕易地來更改打印前面板實現的。實現打印功能方法：選中AutomaticallyVI的屬性VIProperties來rint Panel Every Time VI Completes Executions項即可。

4.2.5 幫助模塊

幫助模塊的方程實現相對來說比較簡單，但是同樣比較重要，

5 實驗測試與結果分析

5.1 實驗測試

根據所設計的虛擬儀器程序，為了驗證這一虛擬測試系統的可行性和準確性，通過具體實驗來加以驗證。

這里舉了2個例子：一是用測量系統的虛擬示波器做測量相位差；一個是虛擬溫度測量溫度的實驗。

6 總結與展望

6.1全文總結

本文從整個測試系統的各個構成要素及對數據的分析處理等各方面進行了詳細的闡述，主要的工作內容和結論可歸納如下：

1)測試系統模塊的建立。針對電子課程的教學需要，結合傳統儀器測量的方式方法，設計出本系統的各子模塊的程序，安排好各自的結構設計。

2)論文分別從硬件和軟件方面對系統進行了設計。3)增加了頻譜分析功能、諧波分析功能。通過對系統采集到的波形數據進行頻譜分析，可以很容易的被測試信號的固有頻率。

4)本文針對組建示波器實驗的軟件程序，并對其中所有可能的干擾源進行了分析，進行了系統的抗干擾設計，以提高測試系統的測試精度和測試準確性；對系統測試進行了詳細的誤差分析，對各種誤差來源進行充分估計，以采取相應的解決方法。

6.2 工作展望

對電子課程教學實驗系統研究，因為時間與人員的限制，現在進入的是初期研究階段，所以，必然有許多需要改進和繼續完善的地方，需要我們去研究和解決．

首先要改進系統局部設計的不足之處，使系統整體結構更加合理，性能更好，可靠性更高，準確性更高．

其次需要擴大系統功能的覆蓋面，主要有以下幾個方面：

1)模塊化水平要進一步提高，

2)以后發展方向應是完成能實現所有示波器在電子課程實驗用的測量系統。

3)本文涉及的溫度、示波器實驗、壓力測量、數據分析都是后期的軟件開發設計部分，而開發能實際采集現場信號的完整的測量系統能真正取代傳統的硬件測量儀器還有很多工作。

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總結

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