電路虛擬實驗系統(tǒng)

摘 要：虛擬實驗是應用多媒體技術和虛擬技術來仿真實驗的計算機應用系統(tǒng)，可以大大提高實驗效率和效果，拓寬學生由感性認識上升到理性認識的途徑，能更好地完善實驗教學的結構，激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。電路虛擬實驗系統(tǒng)的建立和實踐表明，虛擬實驗不受時間及空間的限制，學生可以自主地完成實驗，鞏固理論學習成果，提高理論聯(lián)系實際的能力。對電路虛擬實驗系統(tǒng)進行了探討，并以兩個實際電路仿真進行了討論。

關鍵詞：電路；多媒體技術；虛擬實驗；直流電路；正弦交流電路

中圖分類號：TM13 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-158-03

Virtual Experiment System Construction of Electronic Circuit

LU Yu′e

(Department of Basic Course，Xi′an Communication Institute，Xi′an，710106，China)

Abstract：The virtual experiment system is a sort of computer application system which simulates the physics experiment by multimedia technology and virtual technology，it can improve experiment efficiency and structrue of experiment teaching.The electronic virtual experiment system practice proves that it can′t be limited by time and space，also it can improve capability of students.The paper discusses the construction of electronic circuit virtual experiment system，and also discusses virtual experiment as physics experiments.

Keywords：electronic circuit;multimedia technology;virtual experiment;DC;sine AC

電路實驗教學一直是課堂教學的重要組成部分，是學員鞏固電路理論知識的主要手段，也是提高學員綜合素質的重要途徑。隨著計算機及多媒體技術、仿真技術和虛擬技術的迅速發(fā)展，運用現(xiàn)代新技術簡便、快捷地完成電路實驗——電路虛擬實驗系統(tǒng)。虛擬電路實驗就是結合電路的特點，利用計算機構造一個模擬實驗環(huán)境，通過電路的建立和對數據與電路功能的分析，達到實驗的目的和要求。目前，電路的仿真軟件很多，其中Multisim 軟件是比較常見的仿真實驗工具。但這些軟件都是對原理電路的仿真，各種元器件是以電路符號來實現(xiàn)的，與實物實驗差別很大，而且軟件不具有開放性，仿真只能在這些軟件本身的環(huán)境下實現(xiàn)。構建“電路虛擬實驗系統(tǒng)”，成功實現(xiàn)了仿真技術和多媒體技術的有機結合，他既不同于以往的原理電路仿真，又不同于一般多媒體軟件對于實驗現(xiàn)象的模擬演示，而是讓學生在逼真的多媒體“虛擬場景”中，利用各種“虛擬元件、儀器儀表”任意搭接電路，并即時得到仿真結果，學生可以在計算機上自主進行實驗，并自動記錄實驗過程和結果，最終生成實驗報告。

1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)就各單元內容分別設計若干典型的實驗題目，并提供一個開放的實驗平臺，也可以進行其他相關的一些實驗。其結構包括5個部分：實驗準備、實驗原理、實驗步驟、仿真實驗平臺和實驗報告，如圖1所示。其中，“實驗準備”充分利用多媒體技術介紹與實驗相關的知識，例如，基本原理、注意事項以及實驗中所用到的相關儀器的功能及使用方法等;“實驗原理”詳細介紹該實驗的電路連接和工作原理等;“實驗步驟”包括實驗內容及實驗操作的具體步驟;“仿真實驗平臺”就是一個虛擬的實驗系統(tǒng)，虛擬了一個逼真的實驗環(huán)境，元件及儀器都是以實物形式重現(xiàn)的;“實驗報告”能自動記錄實驗過程，繪制各種圖表，并對結果進行分析，最終生成實驗報告。

圖1 實驗結構框圖

2 系統(tǒng)構建

系統(tǒng)首先建立相應的虛擬模型，然后按照一定的規(guī)律用計算機程序語言模擬實際運行狀況，并根據大量模擬結果對系統(tǒng)或過程進行分析，重點是利用一定的工具實現(xiàn)模擬實驗環(huán)境，大大增加實驗的自由度和靈活性。

2.1 實驗仿真腳本的建立

系統(tǒng)的腳本決定了實驗內容和完成實驗的大概模樣。與傳統(tǒng)實驗一樣，虛擬實驗系統(tǒng)在設置實驗時首先解決該實驗是“做什么”的問題。這就要求教學人員不僅要對課程內容和教學任務做系統(tǒng)深入的研究，掌握課程的特點，劃分知識點，并充分考慮學生的學習特點，在此基礎上確定實驗內容。除了考慮實驗的主題外，還必須盡可能利用多媒體效果提高實驗的活潑性和趣味性，使學生在愉悅的氣氛中掌握知識。腳本規(guī)劃如下:

(1) 提取知識點，分析各點之間的聯(lián)系，并建立相應的模型;

(2) 確定界面的形式;

(3) 確定程序系統(tǒng)。

2.2 虛擬模型的建立

系統(tǒng)采用面向對象的方式建模。以直、交流電路實驗為例，面向對象的建模一般從以下4個方面對系統(tǒng)進行描述。

(1) 系統(tǒng)的組成部分。他是構成系統(tǒng)的實體，包括:物理對象:實驗電路以及各種測量儀器等;數學對象:產生實驗結果的數據集、電路功能分析;人機界面對象:虛擬實驗平臺、顯示結果的電壓、電流及波形。

(2) 描述變量。他是系統(tǒng)各實體的屬性，例如，實驗電路各組成部分的電氣性能描述及其取值范圍。

(3) 參數。他也是系統(tǒng)屬性，不過這種屬性不隨仿真的進行而發(fā)生變化，包括取值范圍、符號及其作用，例如:反映實驗結果的電壓、電流等。

(4) 相互關系。相互關系規(guī)定各種不同變量間是如何相互關聯(lián)的，用數學或邏輯語言來描述。可通過傳遞消息建立，反映若干對象之間的動態(tài)協(xié)作關系。

2.3 實驗平臺

實驗平臺的操作是用編程來實現(xiàn)的，包括各種顏色導線的連接、元件的取放和插拔、開關和按鈕的操作等。可根據不同的實驗內容和要求，使用系統(tǒng)提供的各種元件、芯片和儀器儀表等，任意搭接連線。大多數電路都可在其上完成。實驗結果和現(xiàn)象利用“虛擬儀器”，如萬用表、示波器等進行檢測和觀察，實驗操作及過程與實際的感受幾乎相同。

2.4 系統(tǒng)的特點

虛擬實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了兩個目的:一是利用多媒體技術最大限度地虛擬實際實驗的場景，包括實驗儀器、元器件等，并提供與實際實驗的操作方法相類似的實踐體驗;二是運用仿真技術建立相應的模型，能準確地給出任意搭接電路的現(xiàn)象和結果。系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:

(1) 在一臺多媒體計算機上即可完成電路的電氣連接及電氣性能的檢測，例如，顯示檢測點的電壓、電流波形，即時獲得實驗結果;

(2) 評估元器件參數變化(包括故障) 對電路造成的影響。分析一些較難測量的電路特性，如噪聲、頻譜、溫漂等;

(3) 可以在有限的實驗課時里快速完成較復雜的電路連接、測試工作;

(4) 易實現(xiàn)對學生實驗情況的量化評估。

2.5 舉例：虛擬實驗仿真的步驟

一般電路的頻域綜合設計的完整過程是：網絡函數的逼近，電路的綜合實現(xiàn)和頻響特性的分析等三部分內容。對一個復雜的網絡來說，這三個內容都涉及大量而繁雜的數據計算。人工手算方法實際上對此無能為力，而且容易出錯，因此只能借助電子計算機這個現(xiàn)代手段。計算機輔助實現(xiàn)是利用虛擬測量儀器、實時交互控制元件和多種受控信號源模型，除了可以給出以數值和曲線表示的分析結果外，還可以用類似于真實實驗室工作臺的環(huán)境和交互操作方法，由使用者控制分析過程，隨時改變電路參數，用虛擬儀器實時監(jiān)測顯示電路的變量值和波形。虛擬實驗仿真的步驟為：

(1) 輸入原理圖，即在工作區(qū)放置元件的原理圖符號，聯(lián)接導線，設置元件參數；

(2) 放置和聯(lián)接測量儀器，設置測量儀器參數；

(3) 啟動仿真開關，在儀器上讀取仿真結果

3 應用舉例

3.1 直流電路的仿真

圖2所示為一直流電路原理圖，若要求其中各支路的電流和電壓，則可根據電路原理圖，按照仿真步驟，即可在電流表和電壓表上讀取支路電流和支路電壓數值，如圖3所示。結果分析顯示如圖4所示。

圖2 直流電路原理圖

圖3 仿真直流電路接線圖

3.2 正弦交流電路的仿真

對于交流電路，求取結點電壓和支路電流的有效值時，和直流電路一樣，可以將電流表串入支路中，將電壓表與需測電壓的部分并聯(lián)，只是電流表和電壓表要設置為交流，啟動仿真開關后，即可從表計上讀取電流和電壓數值。圖5所示為交流移相電路，通過接入交流電流表和電壓表可測得電路的電流和電阻上的電壓，并且還可從示波器顯示的波形觀察到，電阻上電壓的相位(即電流的相位)超前電源電壓60°，如圖6所示；幅頻特性和相頻特性如圖7所示。

圖4 直流分析結果

圖5 交流電路

圖6 交流電路中電流與電壓的波形

4 結 語

虛擬實驗系統(tǒng)通過多媒體技術和仿真技術的有機結[LL]合，虛擬出逼真的實驗場景，通過相應數學模型的建立，提供與實際實驗的操作方法相類似的實踐體驗，尤其適于原理驗證性實驗。作為實驗教學的重要輔助手段，一方面，可以大大提高實驗效率和效果，拓寬學生由感性認識上升到理性認識的途徑，使學生在愉悅和主動的思維中牢固地掌握知識;另一方面，能更好地完善實驗教學的結構，激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。電路虛擬實驗的實踐表明，虛擬實驗不受時間及空間的限制，學生可以自主地完成實驗。但虛擬實驗的實現(xiàn)是一項非常復雜的工作，目前僅僅涉及簡單數學模型的構建，還有許多理論和技術問題有待進一步的探討，因此，在現(xiàn)有條件下，虛擬實驗是不可能完全代替實物實驗的。實物實驗過程中的元件參數分散性、誤差、噪聲等現(xiàn)象是客觀存在的，這對于培養(yǎng)學生的真切感受和創(chuàng)造性思維是至關重要的，必須給予足夠的重視。

圖7 幅頻特性和相頻特性

參 考 文 獻

［1］張占松.電路與系統(tǒng)仿真實踐［M］.北京:科學出版社，2000.

［2］高偉濤.PSPICE8.0電路設計實例精粹［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001.

［3］汪詩林，吳泉源.開展虛擬實驗系統(tǒng)的研究和應用［J ］.計算機工程與科學，2000，22(2):33-35.

作者簡介

陸玉娥 女，1951年出生，江蘇無錫市人，副教授。主要從事網絡分析綜合、電路基礎教學研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。