“电子技术”课程虚拟实验的应用

2013-10-12彭其圣侯建华

电气电子教学学报 2013年5期

关键词：电子技术元器件实验课

胡燕，彭其圣，侯建华

(中南民族大学电子信息工程学院，湖北武汉430074)

“电子技术”课程实验教学就是让学生在实验室中通过对电子线路的搭建、测试和分析来加深理论和实践的联系。课程实验大多数是验证性实验，设计性实验少。

设计性实验要求学生将所学知识用于解决具体问题。目前，由于受仪器设备、元器件、实验课时和实验场地的限制，学生的主观能动性难以发挥，学习效果欠佳。

1 实物实验与虚拟实验的整合

为了实现“电子技术”课程实验教学目标，应将虚拟实验与实物实验结合，提高实验教学效果［1]。

1)“电子技术”实验的特点

“电子技术”实验中的不确定性来源于器件参数的离散性、实验中的干扰或噪声、元器件老化和参数误差及测量仪器没有计量导致的不准确性等。标称值与实际值的上述影响等在虚拟技术中很难反映出来。另外，学生的很多理论知识巩固和动手能力提高必须通过实际操作来培养，如线路板的焊接实验等。

2)虚拟实验和实物实验有效整合

我们在电子技术实验教学的设计中，强调新技术与传统教学方式的混合，实现优势互补。在实施虚实结合实验教学设计时，根据学习阶段的不同和实验内容、实验类型和实验目的的不同，综合实验场地和实验课时的实际情况合理选择实验方式。

3)虚拟实验的应用

我们的虚拟实验使用美国国家仪器公司推出的仿真工具Multisim。

有些虚拟实验的实验过程是事先规定好的，学生不能随意操作以及作出修改如验证型实验。另一些则提供了多样的建构空间，学生可以尝试新的操作步骤如设计型实验。

2 验证型实验实例:共射放大器

单级共射放大电路是“模拟电子技术”课程的第一个实验项目。此实验目的是让学生学习基本的仪器连接方式和电路指标的测量方法，学习基本的电路检查和故障判断方法，了解元器件的型号和参数，学习元器件清单的列举方法，加深对放大器参数和性能的理解。为了改善实验效果，我们在实验课前用虚拟实验预习，让学生学会合理选择元件，了解元件的性能以及使用方法，了解仪器的使用和测量方法。Multisim所提供的多种虚拟仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，如安捷伦万用表、示波器和函数发生器。得到的测量数据、波形和特性曲线与在实验室中真实仪器上看到的相同。学生可以在Multisim中使用这些仪器后，将这些知识应用于实际的工作台上。

如果学生在课后使用虚拟实验，则有足够时间将实际实验中碰到的问题进行思考和解决。他们可以改变电路中的元器件数值，增加或降低电源，改变电位器和可变电容数值，甚至改变整个电路结构，只要运行仿真，就可以立即显示结果。

学生通过图1所示的单级共射放大电路虚拟实验验证和研究以下问题。

图1 单级共射放大电路实验

(1)熟悉实验电路和示波器、函数信号发生器等实验仪器的连接和使用方法;

(2)当放大器在放大交流信号时，其集电极电流的波形应该是怎样的?

(3)如将输入信号的幅度不断加大，则输出波形发生怎样的改变?

(4)去掉电路中连接的发射极电容C3会对放大电路输出波形有什么影响?

(5)改变R1后，电路的静态工作点、放大倍数和输出波形会有怎样的变化?

(6)改变电源电压，输出波形会有什么变化?

3 设计型实验实例:带通滤波器

滤波器属于设计型实验，该实验要求学生根据给定题目独立完成电路的设计、元器件的选择、电路的搭建与调试等。滤波器有低通、高通、带通和带阻之分，其中带通滤波器可以用低通滤波器和高通滤波器相串联而实现，但是这种方法仅适用于上限截止频率是下限截止频率有好几倍的宽通带滤波器的设计。如果带宽相对中心频率很小，则要用别的设计方法如采用Delyiannis-Friend带通滤波器实现。

学生拿到带通滤波器的设计题目时，首先就要分析是宽通带还是窄通带滤波器，接着选择电路形式，计算并选择元器件参数，实施电路搭建，选择并连接测试仪器。通过实验数据及波形再来微调元器件参数直至达到性能指标。学生在实验室进行滤波器设计实物实验时，往往时间不够用，实验室也不可能随时开放，实现一个简单的低通滤波器都要花费一次实验课时，元器件损坏或更改数值需要重新检测电路。在有限的课时、有限的实验场地完成滤波器的设计及调试实属不易。而虚拟实验可以轻松地更改电路设计、更换元器件及修改器件参数，并且即时看到实验效果。这样一来，学生可以将精力可集中在实验电路设计和实验结果的分析上。