NI ELVIS在模拟电子技术教学中的应用

    钟兆根 孙雪丽 张亚周 金堃

    

    

    

    摘 ?要 针对模拟电子技术课程在教学环节存在的问题，将NI ELVIS引入实验教学过程，虚实结合，“软”“硬”兼顾，以此来充分调动学生学习的积极性和能动性，有效提升学生的实践能力和设计水平，全面提高学生综合运用所学知识的素质和能力。

    关键词 模拟电子技术;虚拟仪器;NI ELVIS;Multisim

    中图分类号：G642 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）14-0031-03

    Abstract Against problems existed in teaching of analog electronics?teaching， NI ELVIS was introduced into the classroom， which com-bined virtual and real equipment， and considered both software and?hardware. aiming at motivating the students enthusiasm and initia-tives， and promoting their enthusiasm and practical， as well. Thus， we hoped to fully improve the students qualities and abilities in using the knowledge theyve learnt.

    Key words simulation electronic technology; virtual equipment; NI ELVIS; Multisim

    1 引言

    随着近年来电子技术、计算机技术和网络技术的飞速发展，模拟电子技术课程已逐渐成为工程类专业学生的必修课程。该课程是在学习了工程数学、大学物理、电路等课程的基础上进行教学的，也是学生进行后续专业课程学习的第一站，具有承上启下的重要作用。通过该课程的学习，学生获得模拟电子技术方面的基本理论、基本知识和分析方法，培养思考问题、分析问题、解决问题的基本能力，为后续的学习、研究打下基础。

    模拟电子技术课程以基本放大电路、集成运算放大电路、信号的运算和处理等作为基本内容，具有较强的理论性、应用性和工程实践性等特征。该课程的根本目的在于培养学生分析和解决问题的专业素质及能力，在综合运用所学知识的基础上进行具体模拟电子电路的分析，为学生将来能够综合运用所学知识解决工程实践问题打下良好的基础。因此，优化该课程的实践教学环节，对提高课程教学质量至关重要，对提高学生基础科学素养、培养创新意识和实践操作能力等具有非常突出的价值和意义。

    模拟电子技术课程内容抽象、公式多、计算多、电路种类复杂多样，学生在学习过程中明显感觉吃力，不容易理解。当前，模拟电子技术课程中主要存在下面一些问题。

    1）若采用板书绘图讲解，对教员的绘图能力要求较高，课上耗时较多，教学效率较低。

    2）若采用PPT作为辅助工具进行讲解，教学效率提升，但学生印象不深刻，转眼既忘。

    3）若理论讲授与实验相结合，一方面可以让学生很直观地观察到实验现象，加深印象;另一方面，对照实际电路进行讲解，使抽象的理论公式对应到每一个电路中去，学生理解更加深刻。但是，模拟电子技术实验多采用传统的集成实验箱进行，需要外加信号发生器、示波器、电源等设备，既不便于携带，又会降低效率。

    NI ELVIS可以解决上述難题，不仅能提供吸引人的、亲手实践的体验，还在理论与原型之间起到了桥梁的作用。

    2 NI ELVIS和Multisim简介

    NI ELVIS ?NI ELVIS是由美国NI公司开发的一套集成了示波器、函数发生器、数字万用表等12款最常用虚拟仪器套件的软硬件相结合的教学实验平台，中间的面包板可以由使用者自主设计电路。NI ELVIS具有以下几个特点。

    1）NI ELVIS基于NI LabVIEW的图形化系统设计软件，具备虚拟仪器技术的灵活性及自定义功能，适用于电路设计、仪器控制和无线通信等多种教学场合[1]。NI ELVIS作为NI电子教育平台中的重要组成部分，其套件中包含示波器、信号发生器等12款最常用仪器，使用者能够简单、快速地实现所需的各种实验信号、信号测量等。通过与NI Multisim仿真软件相结合，可以实现NI ELVIS板载电路的测量及仿真，实现仿真与原型的平滑无缝转换。

    2）NI ELVIS提供了即插即用功能，通过USB线与计算机连接，只需要在计算机中安装NI ELVIS，提高了NI ELVIS的便携性，方便带入课堂，并且大大缩短了故障排除时间。通过NI ELVIS平台上安装的NI ELVISmx驱动及NI ELVISmxInstrument Launcher软件，用户可以对全部12款仪器进行快速连接和配置[2]。此外，通过NI ELVIS与Multisim的集成，用户可在Multisim中使用NI ELVIS虚拟仪器来设计电路，并且以3D仿真的方式在NI ELVIS开发板上予以实现。

    Multisim ?Multisim是一款通过SPICE实现仿真、设计及验证电路的软件包，专门用于电子线路计算机辅助分析和设计。它基于元器件库，以图形方式创建电路并直接调用和修改元器件及参数，完成从电路仿真设计到电路版图生成的全过程，操作方便、界面形象[3]，实现了“软件即元器件”“软件即仪器”。通过轻易地绘制出一些常用Multisim电路，可以让学生在仿真环境下学习书本上的理论知识，并观察预期的理论结果。而且学生可以边设计边实验，修改调试方便。在仿真结束后，学生还可以在NI ELVIS平台上做电路原型设计，并同仿真测量数据项对比，从而拓展仿真经验。

    3 应用举例

    本节以电压比较器为例，探讨NI ELVIS在模拟电子电路实践教学中的具体应用。电压比较器是集成运放在非线性区的典型应用，对输入信号进行鉴幅与比较的电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。而单门限电压比较器和滞回电压比较器作为典型的电压比较器电路，被广泛应用于各种电子线路系统之中。电压比较器可采用LM324集成运放进行电路搭建，涉及集成运放的电压传输特性、放大电路中的反馈与波形转换等多个问题，能够很好地锻炼学生的综合分析能力。

    集成运放在开环状态下工作，便可构成单门限电压比较器;若电路中存在正反馈，则可构成滞回电压比较器。可先利用Multisim软件搭建电路进行软件仿真，验证所设计电路的正确性，如图1和图2所示。基于Multisim功能强大的元器件库，可以在仿真过程中任意选择元器件而不受其来源上的限制，并且降低元器件的损耗率。并且可以多次反复验证不同的搭建方式，直至完成电路设计的全部任务。在整个过程中，所有操作都在软件中进行，在出现问题时也便于查找原因并进行修改，省时、省力、高效。

    在通过Multisim完成虚拟仿真实验后，再到NI ELVIS面板上进行相应电路的搭建，将单门限电压比较器电路和滞回电压比较器电路搭建到一塊面包板上，共用一片LM324，一方面节约教学资源，另一方面便于学生对比和分析。搭建电路如图3所示，只用了其中的一个集成运放，就构建了这样一个单门限电压比较器。这是构建的电路实物图，其中信号从橘色线输入，由绿色线输出。

    利用NI ELVIS任意波形发生器导入无噪声信号和带噪声信号作为两种电压比较器的待变换的输入信号，如图4所示。将输入信号经过一根USB线连接至搭建电路的输入端，并通过虚拟示波器进行。待变换信号在电路板上允许之后，并将输出结果送回计算机，在虚拟示波器中进行显示，这样通过虚拟示波器的两个通道可以清楚看到两种电压比较器波形变换效果的对比，如图5-a和图5-b所示。

    4 结语

    通过在仿真测试完成后再进行实际电路的搭建，大大提高了电路调试的成功率，缩短了调试时间，并且显著降低了实验室的器材损耗。同时，这种方式也在很大程度上锻炼了学生的思考和动手能力，激发了他们对实验课的兴趣。在实验课程教学的具体实践中，学生普遍反映良好，实验教学效果得到明显增强。

    参考文献

    [1]王冠华，吴永佩.ELVIS电路原型设计及测试[M].北京：国防工业出版社，2013.

    [2]NI公司.什么是NI ELVIS？[EB/OL].https：//www.ni.com/zh-cn/shop/engineering-education/engineering-lab-stations/ni-elvis-engineering-lab-workstation/what-is-ni-elvis.html.

    [3]聂典，李北雁，聂梦晨，等.Multisim 12仿真设计[M].北京：电子工业出版社，2016.