电子技术仿真设计系统探究

井超　刘轩良　陈晨

摘 要：实验教学是课堂教学的延续。随着计算机及多媒体技术、仿真技术和虚拟技术的迅速发展，传统的教学方式已不能适应现代化的实验教学，用现代新技术来改革传统的教学方式已成为大多数人的共识。虚拟电路实验就是结合电子电路的特点，利用计算机构造一个模拟实验环境，通过电路的建立和对数据与电路功能的分析，达到实验的目的和要求。

关键词：虚拟实验室；电子技术；多媒体

1 实行虚拟实验的必要性

实验教学是课堂教学的延续，随着计算机及多媒体技术、仿真技术和虚拟技术的迅速发展，传统的教学方式已不能适应现代化的实验教学，用现代新技术来改革传统的教学方式已成为大多数人的共识。虚拟电路实验就是结合电子电路的特点，利用计算机构造一个模拟实验环境，通过电路的建立和对数据与电路功能的分析，达到实验的目的和要求。目前，电路的仿真软件很多，如：常用的虚拟电子实验室软件有CircuitMaker、Multisim及Protel。其中Multisim（又叫ElectronicsWorkbench即EWB）软件是比较常见的电子技能训练工具，这些软件是以电路符号来实现的，与实物实验差别很大，而且软件不具有开放性，仿真只能在这些软件本身的环境下实现，无法在多媒体环境下进行。本文构建的“电子电路虚拟实验系统”，实现了仿真技术和多媒体技术的有机结合，它既不同于以往的原理电路的仿真软件，又不同于一般多媒体软件对于实验现象的模拟演示，而是让学生在逼真的多媒体“虚拟场景”中，利用各种“虚拟元件、仪器仪表”任意搭接电路，即时得到仿真结果，学生可以在计算机上自主进行实验，并自动记录实验结果，最终生成标准的电子基础实验报告。

2 工作流程

由于我们的教学主要是理论传授，不需要去开发和设计电路，所以上述的实验流程并不包括电路设计开发部分。但是EDA软件在极大地满足我们的实验要求的基础上，还有非凡的应用潜力，这无疑是个广阔的天地。在计算机辅助教学实践中，学生上机普遍存在两个问题：一是面对众多的计算机，教师难以准确、全面地掌握学生练习的实际情况，及时进行个别辅导；二是难以做到上机时学生之间、师生之间进行交流，使上机操作变成学生自己的活动，影响教学.因此这就要求建立一种虚拟试验的教学模式，使教学信息交流双向化。

3 虚拟实验室的设计

3.1 虚拟实验室所能实现的功能

（1）虚拟实验室作为一个仪器设备和数据等资源的交互。共享以及可交互控制平台，应具有以下功能：虚拟工作台；基于虚拟仪器的用于测量的控件；智能虚拟仪器驱动；可视化自动测试环境；虚拟实验室平台控制系统；系统平台内部的智能决策系统；各类数据库的信息管理系统；虚拟实验室的监控系统；虚拟仪器的管理操作系统；同时还应考虑到系统的扩展性、兼容性等方面具有良好性能的特征。

（2）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。

3.2 虚拟实验室的基本组成

虚拟实验室的核心部件是虚拟仪器的硬件主要由计算机、传感器和信号采集调理模块组成，完成对被测信号的采集、传送、显示输出结果。信号采集调理模块主要有数据采集卡、VXI仪器模块、GPIB仪器模块。目前应用较多的是数据采集卡和VXI仪器模块。

3.3 虚拟实验的开设步骤

具体的虚拟模拟电子技术基础实验的开设步骤有三个方面：

（1）学生在已建立的虚拟实验环境中完成基本的电子技术基础实验，掌握用虚拟仪器代替传统仪器来进行数据处理，观察分析实验结果，诊断设备故障等。

（2）学生根据实验要求，自行设计各种软件面板，定义仪器的功能，并以各种形式表达输出结果，进行实时分析。

（3）增加综合性实验，让学生自己选题，拟订方案，设计虚拟仪器检测系统，培养学生的创新和科研能力。

4 实验结果

负反馈放大电路图，开关K1、K2上拔，K3闭合，可以形成电压串联负反馈（同相比例运算器）。开关K1下拔、K2上拔，K3闭合，可以形成电压并联，按要求连接好电路，打开直流电源和信号源，调整其数值，就会看到万用表上显示的输出电压的值。把输出电压的值除以信号源的值，就可以得到由虚拟测试得出的闭环电压放大倍数Auf。然后把测试结果与下框中的理论计算相比较，以判断测试的正确性和存在的误差。同理，也可以算出输入、输出电阻的值。该实验可以通过选项菜单设置相应的电阻。通过一系列电路的测试和数据的读取分析与实物实验所得结果进行比较，得出本文设计的基于电子技术的仿真系统的电子线路虚拟实验能完整、准确、快速地达到所有电子线路课程的要求。

5 结语

虚拟实验，通过多媒体技术和仿真技术的有机结合，虚拟出逼真的实验场景，通过相应数学模型的建立，提供与实际实验的操作方法相类似的实践体验。作为实验教学的重要辅助手段，一方面，可以大大提高实验效率和效果，拓宽学生由感性认识上升到理性认识的途径，使学生在愉悦和主动的思维中牢固地掌握知识；另一方面，能更好地完善实验教学的结构，激发学生的创造性思维。模拟电子技术虚拟实验室的建立和实践，明显提高了实验课的教学效果。虚拟实验室不受时间及空间的限制，学生可以自主地完成实验，具有良好的发展前景。但虚拟实验的实现是一项非常复杂的工作，目前仅仅涉及的是简单数学模型的构建，还有许多理论和技术繁杂问题有待仿进一步的探讨。因此，在现有的条件下，虚拟实验是不可能完全代替实物实验的。实物实验在实验操作过程中的元件参数分散性、误差、噪声等现象都是客观存在的，开放性实物实验的立体直观对于培养学生的真切感受和创造性思维是至关重要的。

参考文献：

[1] 朱洁.多媒体技术教程[M].机械工业出版社，2005.

[2] 卜锡滨.电路与模拟电子技术[M].人民邮电出版社，2008.

[3] 尹仁平，刘刚，汪立新，乔云生.虚拟测频仪的设计与实现[J].中国测试技术，2006（05）.

[4] 胡晓峰，吴玲达.多媒体技术教程[M].人民邮电出版社，2005.

作者简介：井超（1996—），男，上海人，沈阳理工大学学生。

刘轩良（1996—），男，辽宁沈阳人，沈阳理工大学学生。

陈晨（1997—），男，辽宁昌图人，沈阳理工大学学生。