在教学实验中引入虚拟实验技术的探讨

张春霞

（四川省达州职业技术学院,635001）

由于招生规模不断扩大，给高校实验教学造成了一定的压力，实习和实验费用严重不足，实验设备老化、陈旧，实验场地拥挤，学生人均台套数明显不足，实验开出率明显下降等等。为了保证和提高实验教学质量，各高校想尽一切办法，开源节流。纷纷利用计算机仿真软件来替代部分实物实验。传统的电子电路与系统设计方法耗材多、周期长、效率低，难以满足电子技飞速发展的要求。近几年来迅速发展并日臻完善的电子设计自动化（EDA）技术，是将先进的计算机技术应用到电子设计过程的一门新技术，它已被广泛应用在电子电路设计、仿真、印刷电路（PCB）设计、集成电路版图设计以及可编程器件的编程等工作之中。EDA技术使电子技术工作者能在计算机上完成电子电路的设计、性能分析、逻辑设计、时序测试直至印制电路板的自动设计。EDA的发展，极大的提高了电子电路与系统设计效率与质量。熟练掌握和运用EDA技术是每一位电子科技工作者的基本要求。

虚拟实验与传统实验教学相比有其独特的更有操作性的特点：

（1）虚拟实验能有效地保障学生和设备的安全；

（2）避免了烦琐的实验操作过程，有效地提高了实验效率；

（3）能在更方便的仿真实验中完成我们不能完成或比较难完成的实验；

（4）弥补了实验室里面实验元器件的不足；

（5）降低科研成本和实验经费。

1 EWB功能及其特点

目前在电子类实验方面已经出现了很多EDA设计、分析软件，利用虚拟的概念，在计算机上进行电路分析、设计。从事电子工程的工作人员运用虚拟平台EWB软件对所设计的电路进行仿真和调试。一方面来验证所设计的电路是否合理，另一方面，可以通过改变电路中的元件参数，使得整个电路的电气性能更完善。

EWB的显著特点：仿真手段切合实际；元器件库不但提供了数千种电子元器件供选用，还提供了各种元器件的理想值。同时，根据需要也可以新建或扩建已有的元器件库，因此极大地方便了使用者；EWB提供了丰富的电路分析功能，包括电路的稳态分析和瞬态分析、频域分析和时域分析、线性和非线性分析、噪声和失真分析等常规分析方法。它还可以给电路设置故障，如短路、开路和不同程度的漏电分析和状态观察，从而加深对概念原理的理解，这是在实际实验中不容易做到的，这是电子工作台完成虚拟实验的突出特色。EWB还提供了大量的常例实用电路库、交互SPICE电路模型等功能强大，工作效率极高的理想实验设备。

图1 三相三线制Y非对称负载情况

图2

总之，EWB优良的兼容性能、直观的界面、易学易懂、方式的输出灵活、元器件的丰富灵活、采用图形输入的方式创建电路、可以设置各种电路故障进行分析、电路分析方法众多、具有完整的混合模拟和数字信号模拟功能等众多优点，为如今的各方面电子电路的建设提供了有力的技术保障。

图3 555定时器组成的报警电路

图4 报警器的工作波形

2 EWB在电工电子实验中的仿真应用

2.1 三相三线制Y非对称负载交流电路的仿真

在EWB界面搭建三相三线制Y形非对称负载交流电路，如图1所示。其中三相电压有效值均为220V，频率50HZ，相位互差120度。示波器VA、VB通道分别接入两相电压，便于观察其相位系统。电流表M0专门用于观测中线电流。

当按图1所示的搭建好电路，闭合仿真电源，图2改变所选相电压可逐一观察三相互差120。系统自动进行仿真分析。分析结果通过仪表度的相位关系

和示波器显示，如图2所示。

2.2 报警电路的仿真

随着现代社会数字化进程的加快，作为EWB仿真技术在数字领域应用也十分广泛，如对组合逻辑电路的设计、组合逻辑电路的功能测试、集成可逆计数器的应用、555定时器的应用等的研究与开发提供了良好的技术操作平台。在数字电路中的仿真电路模拟同前面的在电工电路中的一样，只要我们掌握了其原理就能在这一平台上设计出自己的电路来，并且通过反复的模拟进行可行性论证，从而运用到我们日常生活、生产中去。

在EWB主界面下打开混合集成电路库，选择两片555定时器并配以适当的外围元件组成图3所示电路，利用左振荡器的高、低电平控制右振荡器产生两个不同频率的振荡，可推动扬声器产生报警的效果。报警电路中左右两振荡器输出电压波形如图4，Vo1为低频振荡， Vo2为高频振荡。

利用555定时器组成报警电路还有多种方案，例如；可将左振荡器电容上三角波电压接至右振荡器的控制电压输入端，使右振荡器产生变频振荡，产生报警效果。

3 虚拟仪器在电工电子技术教学、实验中的应用前景

随着电子技术的飞速发展，新器件与新的实验方法层出不穷，传统的实验教学方法有点落后于时代的发展。为此，各大院校相继建立起电子电工实验中心与EDA教学实验室，确立了实际操作与计算机模拟仿真相结合的实验教学方式，从培养学生运用知识和提高实际工作能力出发，突出创新教育，注重对学生创新能力的培养，形成一个灵活多样、适应不同层次、不同专业要求的新型的实验课教学体系，以适应面向21世纪人才培养的需要。

参考文献

[1] 周常森．电子电路计算机仿真技术 .山东科学技术出版社，2001．

[2] 刘军、陈岚岚．电路与电子技术虚拟实验教程．西北工业大学出版社，2006．

[3] 陈大钦. 电子技术基础实验第三版-电子电路实验设计及现代EDA技术.南教京2011