基于仿真平台的自主实验教学模式

2014-08-23刘凤春

电气电子教学学报 2014年1期

关键词：实验室电路实验教学

刘凤春，王林，李锻

(大连理工大学1电气工程学院;2电工电子实验中心，辽宁大连 116023)

我校“电工学”课程理论课上试行了以案例教学为主的研究型教学模式，开发了系列工程教学案例，在定性的理论分析基础上，辅以仿真软件的定量分析和工作过程的动态演示［1-3］。

我们在实验课程中实施了自主实验教学模式，搭建了以Multisim为基础的仿真实验教学平台，撰写了实验教材，为学生快速掌握实验技能、实施自主性实验，探索到一种切实可行的教学方法。

1 自主实验的条件与难点

自主实验就是由学生独立完成的实验。此类实验需要学生自主确定实验内容、提出实验方案和选择电路参数，自主设计实验步骤和测试方法等。实验指导教师主要从理论上为其把关，并提供完善的实验设施，最后判定实验完成的质量。自主实验的内容主要来自三条渠道:①将理论课堂上的工程教学案例转化为具体的实验项目;②实验教材上给定的自主实验项目，这类实验只给出了实验要求和设计性能参数等;③学生结合自身的专业应用而设计的实验项目。

我们这开展自主实验必须具备两个方面的条件。一方面，学生的实验技能需要达到一定的水平。必须能够熟练使用各类仪器、仪表，掌握实验的基本步骤和方法。这需要有一段培训过程，并不是学生在完成少量验证性实验后，便可开展自主设计性实验。另一方面，实验室的软硬件条件必须满足一定的条件。实验室能否提供足够的设备和元器件使学生自主设计的实验项目能在实验室得以实施和验证，是此类实验能否开展的关键。

事实上，限于实验室的场地和经费，实验设备的数量是很有限的，设备的更新周期也相对较长。教学团队为此利用国家级实验教学示范中心建设的经费，研制了自主实验的硬件平台，但在这个平台上能够实现的自主实验项目仍然是很有限的，况且硬件的套数也有限，不可能使所有学生都受益。于是，我们开展了实验仿真平台建设［4，5］。

2 基于Multisim的仿真平台建设

Multisim是当前流行的、特别适合电路和电子技术教学的一款EDA软件。它提供了近20个元器件库、20余种仪器以及近20种分析方法。我们设计了若干典型的教学案例，以帮助学生快速掌握该软件的使用方法和基本功能。

笔者采用Multisim11构建了电工学实验的仿真实验教学平台，设计了一系列与传统真实实验相匹配的仿真实验，供学生模仿练习。学生能够快速掌握软件的使用方法，熟悉接线方法以及常用仪器仪表的使用测试方法。学生仿真实验过程中，可以大胆接线并任意改变元器件，而不用担心发生事故。

开展仿真实验教学的途径主要有两条:一是学生利用实验室开放日，自行到实验室学习，教师给予必要的指导;二是将仿真实验项目拷贝给学生，供其在自己的电脑上学习，在答疑时间解决疑问。

仿真实验教学要达到如下三个目的:①通过仿真实验预习实验，以达到实验预习的功效;②对于自主设计性实验，设计的实验方案需要通过教师的仿真实验验证，确认后方可在实验室完成真实实验;③对于实验室无法实施的应用性和综合性较强的实验项目，可以依据仿真实验的方案和结论作为学生的实验成绩。

由此可见，学生的任意实验方案基本都能得以实施，尤其对于开展自主实验教学而言，不仅很好地弥补了实验室硬件条件的不足，也大大激发了学生的学习热情［6，7］。

3 仿真实验设计范例

3.1 单相交流电路仿真范例

单相交流电路是电工学理论教学中的重点和难点之一，通常都是通过日光灯电路来验证交流电路中电压、电流和功率关系。为此，设计了如图1所示的仿真电路。

图1 单相交流电路的仿真电路

该仿真电路的参数是模拟一只40W日光灯工作电路的参数［8］。L1与R1代表镇流器，R2代表日光灯，C1、C2为提高功率因数的补偿电容器。为了让学生看清楚各种仪表接入电路的方法，分别给出了图1(a)所示的原电路，图1(b)所示的接入电压表与电流表时的电路，以及图1(c)所示的接入功率表时的电路。通过该电路的仿真实验，学生将能掌握如下能力:①电压表、电流表以及交流电压源属性的修改方法;②功率表的使用方法;③电压、电流的相量关系;④功率因数的提高方法及过补偿概念。

3.2 单管放大电路仿真范例

晶体管单管放大电路亦是电工学教学中的重要内容，在放大电路实验中涉及到多种测试仪器仪表，为了避免学生直接进行真实实验时不小心而损坏设备，我们设计了如图2所示的仿真电路［8］。

图2 晶体管分压式偏置放大电路的仿真电路

图中晶体管选用了2N1711(其电流放大倍数β=20 ～300，UCEO=50V);使用万用表XMM1测量输出电压信号的有效值;使用双踪示波器XSC1测量输入和输出信号的波形。亦可在晶体管基极、发射极和集电极接入万用表测量三个电极的电位。但是，该实验的主要目的不在于仪表的使用，而在于学会Multisim提供的多种电路分析工具。

通过该电路的仿真实验，要重点教会学生掌握:①直流电源和正弦信号源属性的修改方法;②静态工作点的测量，采用万用表(或电压表)和直流工作点分析两种方法;③工作波形的测量，采用示波器和瞬态分析两种方法;④采用传递函数分析法测量放大倍数和输入、输出电阻;⑤采用交流分析法测取频率特性的方法;⑥采用参数扫描分析法研究电路参数对静态工作点、瞬态响应和频率特性的影响。

3.3 电压比较器仿真范例

电压比较器是集成运算放大器最重要的应用之一。通过电压比较器实验可以掌握运算放大器各种应用电路实验测试的一般方法。为此，设计了如图3所示的单限电压比较器仿真电路。

图3(a)中，比较器由 A741CD组成，输入信号由函数发生器XFG1提供100Hz、峰值5V的三角波信号;比较电压由电压源 V3提供;双踪示波器XSC1接在输入端与输出端。若选择信号的显示方式为“Y/T”，则示波器测试输入与输出信号的波形;若选择信号的显示方式为“B/A”，则示波器将A通道的输入信号作为X轴扫描信号，B通道的输出信号加载在Y轴上，即测取的是该电压比较器的电压传输特性。

图3 单限电压比较器的仿真电路

切换开关S1，使用直流电压源V4代替函数发生器XFG1，则可采用参数扫描分析，直接分析输出V(5)随输入V4的变化规律，即电压传输特性。

使用图3(b)电路代替图3(a)中的输入电路部分(V3、V4、XFG1)，则赋予了该电压比较器的实际测温功能。图中，利用开关管1N4148的线性温度特性进行温度测量，采用温度扫描分析，便可测取1N4148温度特性以及输出电压随温度的变化规律。这种温度特性实验在真实实验中并不容易实现。

通过该电路的仿真实验，要重点教会学生掌握如下功能:①集成运算放大器直流工作电源的施加方法;②函数发生器的使用方法;③电压传输特性的两种测取方法;④采用温度扫描分析测试温度对元器件和电路工作特性或性能的影响。

3.4 数字电路仿真范例

数字电路一般有多路输入和输出，其工作过程和逻辑功能需要通过时序图来体现，实验测试分析的难度很大。因为没有能够产生多路同步脉冲信号的信号源，实验室常备的双踪示波器也不能同时测量多路信号波形。逻辑分析仪功能虽然强大，但其价格较昂贵，一般实验室不会配置。

Multisim11中提供了能够产生32路任意时序的同步脉冲信号的数字信号发生器，以及能够分析16个数字信号的逻辑分析仪。若掌握了这两种虚拟仪器，所有数字电路的仿真测试将变得简单易行。

作为一个范例，我们设计了如图4所示的编码器仿真电路。图中数字信号发生器XWG1产生9路有规律的数字信号作为编码器74LS147D的输入，输出接LED指示灯来指示电路的工作状态。通过该仿真实验，重点教会学生掌握如下方法:①数字信号发生器的编辑和设置方法;②9线和4线优先编码器74LS147D的逻辑功能;③输出低电平有效时，LED驱动电路的连接方法。

图4 编码器的仿真电路

为了掌握逻辑分析仪的使用方法，我们设计了如图5所示的十进制计数器仿真电路。图中采用了时钟脉冲源U5提供计数脉冲;在使能端EN1和复位端MR1分别连接了交互式数字常数U3和U4，以切换EN1和MR1端的输入电平;逻辑分析仪XLA1的输入信号来自输入计数脉冲和计数器的4个输出端;在计数器的输出端同时还连接了一种内部自带译码器的七段数码显示器U2。

注意，仿真实验时需要让学生清楚:哪些仪器和元件是真实实验中不能提供的，采用什么解决办法。

通过该仿真实验，要重点教会学生掌握如下内容:①逻辑分析仪的设置方法;②时钟脉冲源属性的修改方法;③十进制计数器4518的逻辑功能。