信息工程專業實驗課中虛擬儀器的運用論文

摘 要 爲適應現代信息工程類實驗教學人才培養的需要，提高實驗的多樣性、綜合性和尖端性，探討了基於LabVIEW軟件和數據採集卡構成的虛擬儀器技術，運用到實驗教學中去，通過對實際實驗過程和結果的分析，表明了該技術具有操作簡單、測量結果誤差小、易於擴展實驗內容以及節約成本等優點，可在實驗教學中廣泛推廣和應用。

關鍵詞 虛擬儀器技術 實驗教學 LabVIEW 數據採集卡。

在信息技術高速發展的時代，計算機在科研、教學實驗以及工程實踐中廣泛應用。利用計算機的高集成性、數據處理高速性、系統穩定性以及可擴展性等特點，研究開發出虛擬儀器技術來替代部分傳統儀器。虛擬儀器可使用通用的數據採集卡和軟件編程平臺 LabVIEW,只需隨時更新集成卡芯片和軟件程序則可開發出不同的功能，這一特點也使得虛擬儀器在高等學校信息工程類實驗教學中發揮重要作用。

1 虛擬儀器技術介紹

虛擬儀器是將 LabVIEW 軟件平臺和高性能的硬件相結合，構成功能齊全又易於擴展的基於計算機的測量系統。虛擬儀器主要特點是測量端是在計算機上顯示，可用 LabVIEW 軟件隨意設置測量的參數和分析數據測量結果，如需提高測量精度，則只需更換數據採集卡中核心芯片即可，更新升級方便。

虛擬儀器基本組成包括 PC 機、LabVIEW 軟件、硬件採集模塊等。硬件採集模塊主要解決數據的輸入和輸出，軟件主要把輸入的數據進行分析並用相應的圖形顯示出來，具體顯示何種圖像需要在後臺進行編程。虛擬儀器應用軟件集成了傳統儀器的'數據採集、系統控制、結果分析和顯示界面等功能，使傳統儀器或者部分功能都被虛擬儀器所取代。

虛擬儀器把傳感器、信號圖像處理、電子、通信、仿真、單片機、網絡等多項技術相結合，具備強大的集成性功能，其主要優點表現在：（1）改變傳統儀器無法更改的現象，用戶可自定義，根據實驗需求隨時添加、刪除儀器，或改變儀器部分功能；（2）可以改變傳統儀器不能及時的進行數據處理、顯示、傳輸的功能；（3）可減少人爲誤差、使數據測量精度和測量速度大大提高；（4）傳統實驗設備只能固定完成設置好的幾個實驗內容，而虛擬儀器可根據需求隨時更換不同的實驗內容，擴展方便；（5）可以進行遠程監控、測量，實現單臺儀器同時對多個不同對象進行遠程實時檢測；（6）目前國內高校使用的高檔數字示波器、高頻信號源、頻譜儀幾乎都是進口設備，且價格昂貴，採用虛擬儀器技術然後配備相應的數據採集卡可彌補這些不足，不僅能達到實驗效果還極大地節約了實驗室建設經費。

2 虛擬儀器技術解決實驗教學中存在的問題

當前企業對理工科畢業生的實際操作能力要求越來越高，而在校學生的動手能力主要是通過實驗操作來鍛鍊，所以對於應用型高校，實驗教學的地位甚至高於理論課教學。通過調查研究出傳統實驗教學中存在的普遍問題，利用虛擬儀器技術可得到極大的改善，具體表現在：

（1）數字電路、模擬電路等用實驗箱完成的實驗課程，由於具體電路已經焊接並封裝到實驗箱中，每學期開展的實驗項目就是一成不變的，極大地阻礙了學生的創造性思維。而引入虛擬儀器後，學生可以分組任意組合電路，實現課程項目的多樣化。

（2）高頻電子線路實驗、通信原理實驗等專業性強，難度大的課程，因爲人爲的操作，外界環境和影響，較難實現理想的實驗現象，學生就不能通過實驗來驗證理論知識，而虛擬儀器軟件中包含有調製解調工具包，包含有模擬和數字兩種調製方法，學生可以任意設計調製解調代碼和參數，觀察調頻和鑑頻、調幅和檢波以及時域和頻域波形。

（3）單片機、嵌入式技術實驗等內容更新頻繁的實驗課程，由於計算機運算速度不斷加快、單片機外圍設備不斷集成化、平均 2 到 3 年就有新技術產生，伴隨有新的單片機芯片的新，而虛擬儀器技術只需更新數據採集卡就能和新的單片機芯片兼容進行實驗測量。

（4）目前，國內很多高校由於實驗場所有限，專業性較強的實驗室建設較少，這樣學生無論是對理論課知識理解和動手能力的培養都難以達到效果。而把虛擬儀器技術引入實驗室後，只需更改後臺程序和數據採集卡，就可以把多門實驗課程集合到一個實驗室，不僅能大大提高實驗室的利用率，還節約了成本。

3 虛擬儀器技術實驗教學中的應用實例

RLC 串聯諧振頻率的測量是電路基礎實驗中綜合性較強的一個實驗項目，下面以本實驗爲例，來具體說明虛擬儀器的使用方法。

（1）按要求連接好RLC串聯諧振電路，將R兩端分別連接到數據採集卡的信號線和 GND;

（2）把數據採集卡和計算機通過USB接口連接通信，無需安裝驅動，可適應多個操作系統，直接由USB供電，簡單方便，如圖 1 所示；

（3）打開 LabVIEW 軟件，根據需要添加測試儀器的前面板，本實驗添加的是虛擬示波器和虛擬頻譜儀，然後進行後臺編程，如圖 2 所示；

（4）通過調節輸入端信號源的頻率，用虛擬儀器顯示諧振頻率爲 10Hz,和用實物儀器測量結果一致，如圖 3 所示。

4 結束語

信息工程類課程不僅要求學生了解電路的工作原理和參數計算，更重要的是對學生動手操作、設計以及創新能力等綜合素質的培養。而虛擬儀器正是因爲其靈活性、集成性和共享性等優點，改變傳統實驗儀器按部就班的模式，對培養學生的學習興趣和創新思維能力有極大的幫助，在今後的實驗教學中會發揮更加重要的作用。

參考文獻

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