電子技術(shù)教學中虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

上官晉太

（長治學院 計算機系，山西 長治 046011）

電子技術(shù)教學中虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

上官晉太

（長治學院 計算機系，山西 長治 046011）

合理的實驗課程設(shè)計有利于學生對理論的理解，也有助于激發(fā)學生學習的興趣。文章利用虛擬實驗技術(shù)開展仿真實驗，具有靈活，方便的特點。通過實際應(yīng)用效果良好。

電子技術(shù)；虛擬實驗；仿真；實驗設(shè)計

1 引言

在電子技術(shù)的實驗教學過程中，由于實驗器件損壞使得部分實驗難易進行。利用虛擬實驗技術(shù)可以在一定程度上解決這個問題。虛擬實驗技術(shù)利用了計算機的仿真優(yōu)勢，可以在沒有設(shè)備實物的情況下，在遠離實驗室的地方最大程度的幫助學生設(shè)計實驗，并且形象地觀察到實驗的結(jié)果[1-3]。虛擬實驗的另一個優(yōu)勢是學生可以用最短的時間改變實驗參數(shù)，動態(tài)的展現(xiàn)參數(shù)變化和實驗結(jié)果的關(guān)系，有利于幫助學生理解實驗內(nèi)容的本質(zhì)，在真正意義上讓學生主導(dǎo)實驗的過程，避免學生讓實驗指導(dǎo)書牽著走，被動的接受實驗結(jié)論這樣的結(jié)果存在[4-5]。在虛擬實驗軟件中EWB以其使用簡單，占用資源少，對硬件要求低的優(yōu)勢受到了很多人的關(guān)注。

2 系統(tǒng)組成

按教學大綱的要求，電子技術(shù)課程包括電路理論和模擬電子技術(shù)兩部分內(nèi)容。本著由淺入深、強調(diào)基礎(chǔ)、驗證性和設(shè)計性相結(jié)合的理念，對應(yīng)于課程的理論知識設(shè)計了相應(yīng)的實驗部分內(nèi)容。本系統(tǒng)的設(shè)計包括利用EWB構(gòu)建如下幾方面的實驗：直流電路的分析，交流電路的分析，電路的暫態(tài)分析，晶體管放大電路分析，負反饋放大電路的分析和信號產(chǎn)生電路的分析。文章以信號產(chǎn)生電路為例說明用EWB構(gòu)建虛擬實驗的方法和過程。其中包括正弦振蕩電路、方波-三角波產(chǎn)生電路和矩形波-鋸齒波產(chǎn)生電路。文章分別討論了電路的構(gòu)成方法和輸出波形。

3 虛擬實驗設(shè)計

圖1 正弦振蕩電路

（1）RC正弦振蕩電路。此電路是依靠自身的自激震蕩產(chǎn)生一定幅度、一定頻率的正弦信號的電路。電路構(gòu)成如圖1所示，圖中兩個反向連接的二極管和20 k電阻并聯(lián)形成非線性的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)再與可變電阻串聯(lián)接入集成運放的反相端構(gòu)成同相比例放大電路。非線性電阻網(wǎng)絡(luò)的作用是為了開始加電的時候使電路處于放大狀態(tài)，經(jīng)過循環(huán)放大得到一定的幅度值，然后轉(zhuǎn)入到穩(wěn)幅狀態(tài)。選頻網(wǎng)絡(luò)由RC串并聯(lián)電路組成，其中可變電阻用來對輸出正弦信號頻率進行微調(diào)，并聯(lián)電容組實現(xiàn)頻率的粗調(diào)。在輸出端分別用示波器和電壓表來顯示和測量輸出波形。

圖2 輸出正弦波形

在圖2中測量出正弦波的周期T為20 ms，計算可知正弦波的頻率為50 Hz。在圖1中RC選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻為32 kΩ，電容為0.1 μF代入如下公式：

可得：f0=49.76 Hz，可見計算結(jié)果和實際測量頻率高度吻合。用EWB的暫態(tài)分析功能可得圖3所示結(jié)果，可清楚的觀察到電路的起振過程。

圖3 電路起振過程

（2）方波-三角波產(chǎn)生電路，圖4為其電路構(gòu)成。集成運算放大器A1接成正反饋，接通電源后，A1的輸出為飽和輸出，波形為方波。集成運放A2接成積分電路，對前面輸出的方波進行積分，輸出為三角波。圖5是方波和三角波輸出的對比圖。由于正反兩個方向的積分通路是相同的，所以時間常數(shù)也相同，這樣在兩個集成運放的輸出端就會分別得到方波和三角波。經(jīng)計算波形的周期如下：

圖4 方波-三角波電路

圖5 輸出方波和三角波波形

(3)矩形波-鋸齒波產(chǎn)生電路。如果用加入二極管的方法改變充電和放電兩個方向的積分通路，即改變電容的充電和放電常數(shù)，可以在兩個集成運放的輸出端分別得到占空比不同的矩形波和鋸齒波輸出。電路圖如圖6所示，圖7是其輸出波形。可以看到輸出矩形波的占空比小于0.5。由分析可知鋸齒波的上升時間T1和下降時間T2分別為：

因此鋸齒波的周期為：

4 結(jié)束語

利用虛擬實驗技術(shù)不僅可以解決電子技術(shù)課程實驗教學中實驗設(shè)備不足的問題，同時可以把實驗室“搬回”到學生宿舍，帶在學生身邊，隨時隨地可以進行實驗設(shè)計和仿真。即使在課堂上學生也可以把理論上學到的東西用實驗的辦法即時仿真出來，加強了理論教學的效果，培養(yǎng)了學生學習的興趣。通過多年的教學實踐證明，在電子技術(shù)課程的教學過程中把實物實驗設(shè)備和虛擬實驗手段有機的結(jié)合起來，充分利用各自的優(yōu)勢可以有效的提高學生的學習成績。虛擬實驗技術(shù)在電子設(shè)計大賽中也以快速、方便的特點受到同學們的歡迎。參賽同學可以利用此技術(shù)免去繁瑣的電路搭建，直接看到輸出結(jié)果，實時的改變電路參數(shù)或結(jié)構(gòu)為作品的完成贏得時間。實踐證明，無論是在教學過程中還是工程應(yīng)用中虛擬實驗系統(tǒng)都可以起到很好的作用。

圖6 矩形波-鋸齒波電路

圖7 輸出矩形波和鋸齒波波形

［1］徐余寶.基于Multisim的虛擬電子實驗系統(tǒng)設(shè)計［J］.哈爾濱師范大學自然科學學報,2015,31(1): 73-75.

［2］陳群英.基于虛擬實驗平臺的教學改革［J］.科技與創(chuàng)新,2015,(17):120-121.

［3］周教生.虛擬電子實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.自動化與儀器儀表,2015,(6):108-110.

［4］張紅賓，趙二剛，張穎.虛擬仿真在電子類實驗教學中的應(yīng)用探討［J］.實驗室科學,2015,18(3):44-47.

［5］王斌張國強.虛擬儀器技術(shù)在電子學實驗中的應(yīng)用實踐［J］.實驗科學與技術(shù),2015,13(3):61-63.

（責任編輯 張劍妹）

TP391.9

A

1673-2015（2015）05-0078-03

山西省高等學校科技創(chuàng)新項目（2013160）；長治學院教研項目(JY201414)。

2015—05—16

上官晉太（1964—）男，山西陽城人，博士，副教授，主要從事數(shù)字圖像處理教學與研究。