電子技術仿真設計系統探究

井超　劉軒良　陳晨

摘 要：實驗教學是課堂教學的延續。隨著計算機及多媒體技術、仿真技術和虛擬技術的迅速發展，傳統的教學方式已不能適應現代化的實驗教學，用現代新技術來改革傳統的教學方式已成為大多數人的共識。虛擬電路實驗就是結合電子電路的特點，利用計算機構造一個模擬實驗環境，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。

關鍵詞：虛擬實驗室；電子技術；多媒體

1 實行虛擬實驗的必要性

實驗教學是課堂教學的延續，隨著計算機及多媒體技術、仿真技術和虛擬技術的迅速發展，傳統的教學方式已不能適應現代化的實驗教學，用現代新技術來改革傳統的教學方式已成為大多數人的共識。虛擬電路實驗就是結合電子電路的特點，利用計算機構造一個模擬實驗環境，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，如：常用的虛擬電子實驗室軟件有CircuitMaker、Multisim及Protel。其中Multisim（又叫ElectronicsWorkbench即EWB）軟件是比較常見的電子技能訓練工具，這些軟件是以電路符號來實現的，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境下實現，無法在多媒體環境下進行。本文構建的“電子電路虛擬實驗系統”，實現了仿真技術和多媒體技術的有機結合，它既不同于以往的原理電路的仿真軟件，又不同于一般多媒體軟件對于實驗現象的模擬演示，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，即時得到仿真結果，學生可以在計算機上自主進行實驗，并自動記錄實驗結果，最終生成標準的電子基礎實驗報告。

2 工作流程

由于我們的教學主要是理論傳授，不需要去開發和設計電路，所以上述的實驗流程并不包括電路設計開發部分。但是EDA軟件在極大地滿足我們的實驗要求的基礎上，還有非凡的應用潛力，這無疑是個廣闊的天地。在計算機輔助教學實踐中，學生上機普遍存在兩個問題：一是面對眾多的計算機，教師難以準確、全面地掌握學生練習的實際情況，及時進行個別輔導；二是難以做到上機時學生之間、師生之間進行交流，使上機操作變成學生自己的活動，影響教學.因此這就要求建立一種虛擬試驗的教學模式，使教學信息交流雙向化。

3 虛擬實驗室的設計

3.1 虛擬實驗室所能實現的功能

（1）虛擬實驗室作為一個儀器設備和數據等資源的交互。共享以及可交互控制平臺，應具有以下功能：虛擬工作臺；基于虛擬儀器的用于測量的控件；智能虛擬儀器驅動；可視化自動測試環境；虛擬實驗室平臺控制系統；系統平臺內部的智能決策系統；各類數據庫的信息管理系統；虛擬實驗室的監控系統；虛擬儀器的管理操作系統；同時還應考慮到系統的擴展性、兼容性等方面具有良好性能的特征。

（2）虛擬實驗室作為電子技術基礎實驗室應具有以下特點：無論是學生還是教師，都可以自由地、隨時隨地進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗；操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器動行，完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示及數據生成；教師可以根據實驗的需要設計出各種虛擬儀器來供學習者自行選擇；學生可以根據所學的專業知識，設計實驗題目及內容，給出實驗方案，在虛擬環境中進行自己感興趣的實驗。

3.2 虛擬實驗室的基本組成

虛擬實驗室的核心部件是虛擬儀器的硬件主要由計算機、傳感器和信號采集調理模塊組成，完成對被測信號的采集、傳送、顯示輸出結果。信號采集調理模塊主要有數據采集卡、VXI儀器模塊、GPIB儀器模塊。目前應用較多的是數據采集卡和VXI儀器模塊。

3.3 虛擬實驗的開設步驟

具體的虛擬模擬電子技術基礎實驗的開設步驟有三個方面：

（1）學生在已建立的虛擬實驗環境中完成基本的電子技術基礎實驗，掌握用虛擬儀器代替傳統儀器來進行數據處理，觀察分析實驗結果，診斷設備故障等。

（2）學生根據實驗要求，自行設計各種軟件面板，定義儀器的功能，并以各種形式表達輸出結果，進行實時分析。

（3）增加綜合性實驗，讓學生自己選題，擬訂方案，設計虛擬儀器檢測系統，培養學生的創新和科研能力。

4 實驗結果

負反饋放大電路圖，開關K1、K2上拔，K3閉合，可以形成電壓串聯負反饋（同相比例運算器）。開關K1下拔、K2上拔，K3閉合，可以形成電壓并聯，按要求連接好電路，打開直流電源和信號源，調整其數值，就會看到萬用表上顯示的輸出電壓的值。把輸出電壓的值除以信號源的值，就可以得到由虛擬測試得出的閉環電壓放大倍數Auf。然后把測試結果與下框中的理論計算相比較，以判斷測試的正確性和存在的誤差。同理，也可以算出輸入、輸出電阻的值。該實驗可以通過選項菜單設置相應的電阻。通過一系列電路的測試和數據的讀取分析與實物實驗所得結果進行比較，得出本文設計的基于電子技術的仿真系統的電子線路虛擬實驗能完整、準確、快速地達到所有電子線路課程的要求。

5 結語

虛擬實驗，通過多媒體技術和仿真技術的有機結合，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。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，激發學生的創造性思維。模擬電子技術虛擬實驗室的建立和實踐，明顯提高了實驗課的教學效果。虛擬實驗室不受時間及空間的限制，學生可以自主地完成實驗，具有良好的發展前景。但虛擬實驗的實現是一項非常復雜的工作，目前僅僅涉及的是簡單數學模型的構建，還有許多理論和技術繁雜問題有待仿進一步的探討。因此，在現有的條件下，虛擬實驗是不可能完全代替實物實驗的。實物實驗在實驗操作過程中的元件參數分散性、誤差、噪聲等現象都是客觀存在的，開放性實物實驗的立體直觀對于培養學生的真切感受和創造性思維是至關重要的。

參考文獻：

[1] 朱潔.多媒體技術教程[M].機械工業出版社，2005.

[2] 卜錫濱.電路與模擬電子技術[M].人民郵電出版社，2008.

[3] 尹仁平，劉剛，汪立新，喬云生.虛擬測頻儀的設計與實現[J].中國測試技術，2006（05）.

[4] 胡曉峰，吳玲達.多媒體技術教程[M].人民郵電出版社，2005.

作者簡介：井超（1996—），男，上海人，沈陽理工大學學生。

劉軒良（1996—），男，遼寧沈陽人，沈陽理工大學學生。

陳晨（1997—），男，遼寧昌圖人，沈陽理工大學學生。