基于NIELVISII+的电路实验虚实结合开展教学实践

刘艳芳 杨文荣 商建锋

（河北工业大学 电气工程学院，天津 300130）

0 引言

中外合作办学项目是河北工业大学引进国外优质教育资源，促进学生交流、师资交流、科研合作，提升国际化水平的有效手段。秉承开放办学的理念，科学谋划、稳步实施，全面推进合作办学项目管理体系建设，注重项目内涵建设，突出规范办学与特色办学并重的管理模式，“国际视野+专业技能+外语能力”的办学特色得到学生、家长和社会的广泛认可。依托于电气工程专业一流学科的优势，中美电气工程及其自动化专业的实验教学具有更高的要求。因实验教学的直观性、实践性和创新性，更需要高校教师积极探索创新实验教学的新模式[1]。电路实验作为学生接触的第一门专业基础实验类课程，在培养学生的创新实践能力方面尤其重要，课程组开展了基于NI ELVISII+平台采用虚实结合的实验教学改革与实践。

1 虚实结合实验教学的平台基础

NI ELVIS是美国国家仪器公司提出的一种全新的设计、测试及教学电路方法。NI ELVISII+设计与原型平台是一款简单、集成的系统。使用该系统可以有效地调动学生学习积极性，并且可以利用已广泛应用于全球工业和研究院校中的NI LabVIEW图形化系统，设计虚拟仪器技术动手学习课程。NI ELVISII+具有开放式的配置性能，可作为高性价比的、可拓展的教学和原型平台。

NI ELVIS II+可以结合Multisim和LabVIEW共同设计实验教学方案。Multisim提供直观的电路设计和SPICE仿真环境，帮助学生探索电路原理，观察电路行为。NIELVISII+具有3D原型化环境，可以帮助学生平滑地从软件环境过渡到实验室环境。使用NIELVIS II原型化平台，学生可以在实验室或者课外使用内建的虚拟仪器（如示波器、万用表、可变电源、函数发生器等）快速并方便地开发他们自己的电路，并进行交互式地测试。LabVIEW和LabVIEW Signal Express环境可以提供直观的界面来进行测量，帮助学生将他们的实验测量数据与仿真数据在同一个界面中进行对比[2，3]。

2 电路实验内容的设计

电路实验有20个学时，根据电路理论课程的授课内容和实践要求，共设计了8个实验内容见表1，进行层次递进的教学。

表1 电路实验的内容

3 电路实验教学模式设计

在实验课堂中，教师在讲解结束后给学生提供丰富的元件列表，学生进行电路设计、通过Multisim仿真调整电路及元件参数，然后在NI ELVISII+进行实物电路的搭建和调试，借助NI ELVIS Instrument Launcher的虚拟仪器可同时观看到实测波形和仿真波形，并进行比较分析。

以“运算放大器的使用”实验中同相比例放大器的内容为例说明虚实结合的电路实验的教学过程。

3.1 电路原理图

实验电路如图1所示，需要用到两个LM471运放芯片，其中第一个运放芯片构成电压跟随器电路，第二个运放构成同向比例放大电路。放大倍数K的表达式为：

图1 “运算放大器的使用”实验电路图

要求输入信号频率大于50 Hz，其余参数自由设置。

3.2 仿真电路设计

参照实验电路图1，创建NIELVISII+设计文件完成仿真电路的搭建，如图2所示。设置电阻R1=1 kΩ，R2=10 kΩ，可计算放大倍数。

图2 “运算放大器的使用”仿真电路图

在工具栏中选取NI ELVISFunction Generator信号发生器作为信号的输入，Oscilloscope示波器观测波形，其中CH0接输入信号，CH1接输出信号，同时观测输入输出的波形。

3.3 仿真波形特性分析

运行Multisim，打开信号发生器和示波器界面。正弦信号的峰峰值1V、频率100 Hz，设置情况如图3所示。

图3 NI ELVISFunction Generator信号发生器仿真时的参数设置界面

示波器测量结果如图4所示，同时勾选Simulated Data通道和Real Data通道，Instrument Control栏DEVICE上选择Simulate NIELVISII+。CH0通道和CH1通道的幅度单位均为2V/每格，垂直高度均是0V。由于目前未进行实物电路的调试，所以只显示仿真曲线即两条稳定的正弦波形的虚线。CH0是红色虚线，测得输入信号的电压峰峰值是0.998V；CH1是黑色虚线，测得输出信号的电压峰值是10.977V。可以看到输入信号经过电路之后被放大，且放大倍数为10.998，和理论计算的放大倍数相符。

图4 NI ELVISOscilloscope示波器仿真时的观测波形

停止运行Multisim，仿真的结果将保留在示波器的界面上。

3.4 实物电路

实物电路材料清单如表2所示。

表2 实物电路材料清单

首先NI ELVISII+与计算机连接好并接通电源，在实验原型板上搭建电路，实际电路如图5所示。

图5 实物电路图

3.5 虚实对比测试

在实验原型板上进行电路的虚实对比测试。在Function Generator信号发生器界面的Instrument Control选择NI ELVIS II+，Signal Route选择FGEN BNC，其他参数保持不变，点击运行信号发生器。

图6 NI ELVISFunction Generator信号发生器虚实对比测试时的参数设置界面

示波器面板的Instrument Control选择NIELVISII+，通道CH0的垂直高度设置为3V，通道CH1的垂直高度设置为-1V；CH0通道和CH1通道的幅度单位均为2V/每格，点击运行示波器。目前，在进行实物电路的测试，可以同时看到仿真的虚线和实际测得的实线。红色实线（通道CH0）是输入信号，电压峰峰值是1.091V；黑色实线（通道CH1）是输出信号，电压峰值是11.881V，放大倍数为10.89，在可接受的范围内。

图7 NI ELVISOscilloscope示波器虚实对比测试时的观测波形

4 结语

基于NI ELVISII+的电路实验虚实结合的教学模式实现了虚拟电路仿真和实物电路调试的无缝衔接，学生在Multisim上进行仿真电路设计，随后马上就可以进行实物电路的搭建，将抽象的数据转化为可以直接观测、调试的实际电路，并进行交互式的测试，将实验测量数据与仿真数据在同一个界面中进行对比。基于NI ELVISII+的电路实验虚实结合的教学实践能够锻炼学生独立完成实验的动手能力，培养学生自主学习的主动性，能够有效培养其对知识的综合应用能力和创新能力。