电子类专业实验室的发展展望——虚拟实验室

关键词：实验室扩招设备教学

近年来很多高校纷纷扩招, 学生人数急剧增加, 实验室的设备和规模多难以满足教学需要。实验室的常规设备、仪器仪表有的已经老化, 又因为实验室承担的教学任务繁重, 常常只能按教学大纲要求安排做一些最简单的验证性实验, 学生在实验过程中, 往往因为对仪器仪表的操作不熟悉而需花费大量的时间去了解仪器的使用, 或因为仪器的老化、内部的损坏使得测量的数据有较大的偏差, 造成实验数据分析效果不明显。又由于传统仪器的功能单一, 往往一个简单的实验就需要好几台仪器设备, 接线繁琐。这些都限制了学生花更多的时间和精力做设计性实验, 这对调动学生的积极性, 培养创新精神, 加强实际动手能力都十分不利。这些弊端在当今电子测量仪器飞速发展的现况下, 更显得需要改进的严峻性。

1 国内高校实验室现况分析

在高校的电工电子实验室中, 一直以来都使用从厂家购买来的传统仪器, 配置了信号发生器、示波器、万用表等常规仪器。随着计算机技术在测绘系统的广泛应用, 传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口, 因而配合数据采集及数据处理十分困难。而且传统仪器体积相对庞大, 多种数据测量时常常接线繁琐。目前虚拟仪器在我国的应用才处于起步阶段, 许多科研单位、大学、生产部门还是传统的测试仪器占主导地位, 计算机与测试仪器基本上还处于互不相关的状态, 这大大影响了电子行业的发展。

2 电子测量仪器的发展历程

电子测量仪器的发展大体经历了五个发展阶段。首先, 第一代时指针式模拟仪器。这种仪器以电磁感应基本定律为基础, 如指针式电压表、指针式电流表等, 它们都是借助指针来显示最终结果的。第二代则是分立组件式仪器。这种仪器是在20世纪50年代出现电子管和60年代出现晶体管时产生的以电子电路为基础的测控仪器。第三代是在20世纪70年代, 随着集成电路的出现, 出现了以集成电路芯片为基础的数字仪器。这类仪器将测试信号转化为数字信号测量, 并以数字方式输出最终结果。第四代是以微处理器为核心的智能式仪器仪表。这种仪器内置微处理器, 集自动测试和数据处理能力于一身。但其功能块是以硬件或是固化软件的形式存在, 缺乏灵活性。最新一代测控仪器融入了当今计算机技术、测量技术以及通信技术的最新成果, 它对传统仪器的观念式一次巨大的变革, 是仪器产业发展的重要方向。近年来, 随着Inernet技术的迅猛发展, 又产生了网络化虚拟仪器, 进而提出了“网络就是仪器”的概念。

3 虚拟仪器的出现

1986年由美国国家仪器公司首先提出虚拟仪器的概念, 同时推出第一批实用成果。使用者可以根据不同的测试任务, 在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件, 来实现当代科学技术复杂的测试任务。如面向科学家和工程技术人员 (而不是计算机的编程人员) 的LabView和LabWindows/CVI虚拟仪器开发平台软件。这些软件以简单直观的编程方式、众多源码级的设备驱动程序、丰富实用的分析表达功能和支持功能, 使使用者能快速地构建自己的测量仪器或测量仪器系统。

在由虚拟仪器构成的虚拟实验室里, 由一台教师机和多台学员机组成局域网。由教师机管理所有的学员机, 具备电子教鞭、回答学生提问、观察实验结果、发布消息、实验演示等功能。学员机配备具有一定功能的软件, 采集数据的硬件以及不同实验所需的实验电路板。不同实验的数据从实验电路板输出, 由专用的硬件采集, 并与学员机通讯口相连, 通过专用的软件分析, 在学员机的C R T上显示采集的波形。学员机也可以调用计算机存储的数据, 其中有自行输入的数据, 也有以前保存的实验数据。这样学生可以充分的把计算机知识与实验所需的专业知识结合起来, 提高实践能力以及分析能力。

4 可行性分析

与传统的实验室相比, 虚拟仪器实验室有如下优势: (1) 减少实验设备的资金投入。在一台计算机上就可以实现如示波器、函数信号发生器、电压表、频谱分析仪等仪器功能, 大大节约了仪器成本。 (2) 传统仪器维护费用高, 需要耗费大量的人力物力, 虚拟仪器基于软件的体系结构大大节省了维护费用。 (3) 便于开放式管理, 扩大教学规模。由于虚拟仪器的硬件是以通用的微型计算机为基础, 计算机是现代教学的普通工具, 因此普通高校的实验室一般都拥有相当数量的通用计算机, 只要购买一定的仪器模板以及相应的软件, 就可以构成足够数量的虚拟仪器供学生使用。另一方面, 在同一台计算机上, 通过操作者的不同定义, 可以虚拟出不同的仪器, 各仪器之间还可以通过不同的窗口进行切换。因此, 实验室无须配备各种传统教学仪器, 可以通过软件设计使虚拟仪器和实验室设备不断更新。学生在计算机上操纵各种虚拟仪器进行实验, 就如同是在操作传统仪器一样, 与在真实实验室的现场实验做出的实验结果是一样的。这样, 使用基于虚拟仪器系统的虚拟实验来代替实际现场实验, 能很好地解决上述实验教学的矛盾, 而且又符合现代测试技术和实验技术的发展方向。

5 结语

总之, 随着测试仪器的数字化、计算机化的发展, 传统测试仪器有渐渐被以微机为基础的集成化测试平台取代的趋势。在虚拟仪器系统中, 用计算机功能灵活强大的软件代替传统仪器的某些部件, 用人的智力资源代替许多物质资源, 通过一组软件和硬件, 形成既有普通仪器的基本功能, 又有一般仪器所不具备的特殊功能的新型仪器。以上这些教学的新手段正在改变着电子专业教学的传统模式, 这也是时代发展、现代教育技术发展的必然。

摘要：随着测试仪器的数字化、计算机化的发展, 传统测试仪器有渐渐被以微机为基础的集成化测试平台取代的趋势。使用基于虚拟仪器系统的虚拟实验来代替实际现场实验, 是现代测试技术和实验技术的发展方向。

关键词：实验,虚拟仪器