基于建立虚拟实验室的程序逻辑分析

汪 迎，冯家慧（郑州大学信息工程学院，河南郑州，450000）



基于建立虚拟实验室的程序逻辑分析

汪 迎，冯家慧
（郑州大学信息工程学院，河南郑州，450000）

目前的许多仿真软件具有强大的仿真功能，但是都只能对原理电路进行仿真，用于教学则缺乏实物的形象感。本系统的实验环境是由仿真技术与虚拟技术的有机结合而构建的。模拟电子电路仿真就是以数学模型表示电子器件或电路模块，并配合数值分析的方法实现电路的功能模拟及特性分析。如果采用的电路模型足够精确，则模拟结果将真实地反映电路特性， 实现电路结构及性能的优化设计。电路仿真技术不是简单地模拟演示。数字电路的仿真，主要进行了两个方面的工作：一是对常用数字逻辑芯片（包括门电路、触发器、计数器、译码器等）建立相应的逻辑运算模型软件包，用于对其逻辑功能的仿真；另一个工作是对实验平台和操作的仿真，主要构建了由面包板和数字开关、发光二极管、脉冲按钮等组成的仿真数字实验平台，通过选调提供的各型号芯片和任意搭接连线，以实现各类数字电路的搭接。系统将根据面包板上元件之间的连接关系，通过运算程序模块实现数字电路的逻辑运算，并通过发光二极管、数码管等给出逼真的显示。

虚拟实验室；数学模型；电路仿真技术；程序运行；功能模块

0　引言

基于电子技术实验系统的软件，我国目前有许多，但大多是基于基础电路原理的仿真开发的，和传统的实物实验相差甚远，不能给学生带来如同在真实实验室做实验一样的感受。因此，根据目前国内虚拟技术发展的现状，开发多媒体电子技术基础实验系统是十分必要的。本虚拟实验系多媒体性和实物性能给学生带来如同在传统实验室做实验的感受，多媒体性能激发学生的兴趣和学习的积极性，而远程教育性则解决了异地非全日制大学生无法做实验的问题。虚拟电子技术基础仿真实验系统在实际开发时，根据在传统实验室做实验获取的数据，必须对每一个实验建立相应的数学模型，相关数学模型建立后，通过VB编程技术使其具有一般性即任给一个参数就能得出与该参数相对应的结果。实验的数学模型是实验原理方面的问题。虚拟实验的实物性和多媒体性则通过虚拟实验的界面即虚拟实验系统的构建来实现。虚拟实验构建主要通过多媒体技术如利用文字处理技术、图形图像处理技术、三维造型技术等并根据电路测量原理来实现。虚拟实验构建的前提是在构建前应设计好具体的实施方案，这样才能有条不紊的工作。实现本实验系统的技术关键在于如何将《实验大纲》规定的模拟电子技术实验的全部实验过程记录下来并进行相关的技术处理，通过虚拟仿真技术及相关程序来实现。

1　二极管特性及测试

二极管测试电路如图1所示。

2　数学模型的建立

电路中的电流ID：

二极管两端的正向电压VD：

常温下，VD=26mV，IS是反向饱和电流。

3　数学模型的程序实现

Label3.Caption = Str（（Int（Vcc1 * 10） / 10）） + "V"

If Vcc1 ＜ 0.6 Then

VD = Vcc1

ID = 0

ElseIf Vcc1 = 0.6 Then

VD = 0.58

ID = 0

ElseIf Vcc1 ＞= 0.7 And Vcc1 ＜ 1.1 Then

VD = VD + 0.01

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

ElseIf Vcc1 ＜ 2.1 Then

图1　二极管测试电路

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

ElseIf VD = VD + 0.007

Vcc1 ＜ 4 Then

VD = VD + 0.001

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

Else

VD = VD

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

End If

If Vcc1 ＜ -28 Then ID = Int（-0.001 * 1000 + Rnd（1）/ 100）

VD = VD + Rnd（1） / 1000

Label1.Caption = Str（Int（VD * 1000） / 1000） + "V" Label2.Caption = Str（ID） + "mA"

Lam

End Sub

Private Sub Command1_Click（）

If Vcc1 ＜= -32 Then

Vcc1 = -32

Else

Vcc1 = Vcc1 - 0.1

End If

Label3.Caption = Str（（Int（Vcc1 * 10）） / 10） + "V"

If Vcc1 ＜ 0.6 Then

VD = Vcc1

ID = 0

ElseIf Vcc1 = 0.6 Then

VD = 0.58

ID = 0

ElseIf Vcc1 ＞= 0.7 And Vcc1 ＜ 1.1 Then

VD = VD - 0.01

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

ElseIf Vcc1 ＜ 2.1 Then

VD = VD - 0.007

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

Else

VD = VD - 0.001

ID = Int（（（Vcc1 - VD） / 8） * 1000 + Rnd（1） / 100）

End If

If Vcc1 ＜ -28 Then ID = Int（-0.001 * 1000 + Rnd（1）/ 100）

VD = VD + Rnd（1） / 1000

Label1.Caption = Str（Int（VD * 1000） / 1000） + "V"

Label2.Caption = Str（ID） + "mA"

Lam

End Sub

Sub Lam（）

If Vcc1 ＜ 0.6 Then

Pi1 = 0

Else

Pi1 = Vcc1 * 10 - 2

End If

Picture1.Picture = PicClip2.GraphicCell（Pi1）

End Sub

4　总结

作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分的所学知识点，将课堂内容具体化。构建相对应的虚拟模型，然后按照一定的规律用计算机程序语言模拟实际运行状况，并根据大量模拟结果对系统或过程进行分析，重点是利用一定的工具实现模拟实验环境，大大增加实验的自由度和灵活性。一方面继承实物实验可操作性、参与性强的优点，另一方面又可利用计算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验教学方式，进一步提高教学效率。

虚拟实验室作为电子技术基础实验室应具有以下特点：无论是学生还是教师，都可以自由地、随时随地进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验；操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器动行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示及数据生成；教师可以根据实验的需要设计出各种虚拟仪器来供学习者自行选择；学生可以根据所学的专业知识，设计实验题目及内容，给出实验方案，在虚拟环境中进行自己感兴趣的实验。

［1］ 李世红，蔡志端，刘刚：基于虚拟仪器的高校实验室建设的研究.科技信息（学术研究）， 2008，（25） .

［2］ 赵明辉.基于虚拟仪器技术的示波器测试系统.科技资讯，2008， （13） .

［3］ 李源生、李艳新、孙英伟.电路与模拟电子技术（第2版）.出版社：电子工业出版社，2007

［4］ 刘军.电路与电子技术虚拟实验教程.出版社：西北工业大学出版社2006

［5］ 江晓安.计算机电子电路技术.出版社：西安电子科技大学，2002

［6］ 张野，郑振宇：虚拟仪器技术在院校实验室建设中的应用.科技咨询导报，2007，（24） .

［7］ 吴培明.电子技术虚拟实验.出版社：机械工业出版社，2005

［8］ 冷向京：基于虚拟仪器技术的虚拟实验室设计与应用.科技信息（学术研究），2008，（01） .

［9］ Lech Znamirowski，Olgierd A. Palusinski，Sarma B.K. Vrudhula：Programmable Analog/Digital Arrays in Control and Simulation. Analog Integrated Circuits and Signal Processing， 2004，39，（1）.

［10］ Ye jihua， et al：Simulink simulation of computer interface circuit .Acta Simulata Systematica Sinica，2007， （6） ：1234-1237 .

Program logic analysis based on Virtual Laboratory

Wang Ying，Feng Jiahui
（School of information engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou，He'nan，450000）

Now many of the simulation software is a powerful simulation function， but can only be carried out on the principle of the circuit simulation，used for teaching is lack of physical sense of image. The experimental environment of this system is composed of the combination of simulation technology and virtual technology and build.Analog electronic circuit simulation is expressed as a mathematical model of the electronic device or circuit module，and cooperate with the numerical analysis method can realize the function of circuit simulation and characteristics analysis.If using the circuit model is accurate，the simulation results will truly reflect the circuit characteristics，to achieve the optimal design of circuit structure and performance.Is not a simple circuit simulation technology simulation demonstration.Digital circuit simulation， mainly in two aspects：one is the commonly used digital logic chips （including gate，flip-flop，counter and decoder，etc.）to establish the corresponding logic operation model software package that used in the simulation of the logic function；Another work is to experiment platform and operation simulation，mainly constructed by the bread plate and digital switch，light emitting diode，and other components of the pulse button simulation digital experimental platform，through transferring to provide various types of chips and arbitrary string line，in order to realize the overlapping of all kinds of digital circuits.System will be based on the connection relations between the bread plate elements，through the computation program module for digital logic circuit，and through the light-emitting diode，digital tube gives vivid display，etc.

Virtual laboratory；Mathematical model；Circuit simulation technology；The program runs；Function module