利用电气工程中的虚拟实验来评估模拟-数字转换的基本原理

《IEEE Revista Iberoamericana de Tecnologias del Aprendizaje》：Assessing Fundamentals of Analog-to-Digital Conversion Using Virtual Experiments in Electrical Engineering

AD转换是电子工程基础课程，传统实验存在硬件成本高、设备不足等问题。本研究开发LabVIEW虚拟仪器，支持信号类型选择和参数配置，实时显示效果。应用于EPUSP电气工程课程，59名学生实验组平均分8.78，对照组7.53，VI显著提升学习效果，尤其在COVID隔离期间和线下课程中均有效。

　　

摘要：

模拟到数字（AD）转换是电气与电子工程本科课程中广泛涉及的主题。为了提高学习效果并让学生更加投入这一学科的学习，动手实践活动（如实验室实验）在连接理论与实践方面至关重要。然而，观察到许多学生在学习这一主题时遇到困难。其中一个原因是学生缺乏进行实验硬件组装和处理仪器的实际技能。此外，实验室教学基础设施的高成本限制了材料和硬件设备的数量，尤其是在需要同时容纳大量学生参与实践活动时。为了解决这些挑战，本研究开发了一种用户友好的虚拟仪器（VI），该仪器基于LabVIEW?平台，旨在帮助学生更好地理解和掌握AD转换的概念。用户可以选择不同的信号类型并配置AD转换器参数，从而立即在电脑屏幕上看到这些修改所带来的效果。由于其多功能性，这一计算工具自2020年起就被应用于圣保罗大学理工学院（EPUSP）的电气工程专业学生中。它最初是在COVID-19大流行导致的社交隔离期间实施的，后来被纳入电气仪器课程中，作为面对面教学的补充资源。为了评估该虚拟仪器的有效性，我们对59名学生进行了测试——其中29名学生仅使用虚拟仪器进行AD转换实验，30名学生则使用传统的电子实验设备。第一组的平均成绩为8.78分，而使用传统实验室设备的对照组平均成绩为7.53分。这些结果表明，使用虚拟仪器的学生在成绩上明显优于对照组...

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引言

近几十年来，我们经历了一场真正的数字革命。模拟到数字转换器（ADC）已成为连接物理世界与虚拟世界的基本要素。例如，它们被广泛应用于大多数电子系统中，负责处理音频、视频和传感器信号，在通信过程、仪器系统、机器人技术等领域发挥着重要作用。它们的主要功能是将模拟信号转换为数字格式，从而实现进一步的信号处理、压缩、存储和传输[1]、[2]、[3]。