电路虚拟实验系统

摘 要：虚拟实验是应用多媒体技术和虚拟技术来仿真实验的计算机应用系统，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，能更好地完善实验教学的结构,激发学生的创造性思维。电路虚拟实验系统的建立和实践表明,虚拟实验不受时间及空间的限制,学生可以自主地完成实验,巩固理论学习成果，提高理论联系实际的能力。对电路虚拟实验系统进行了探讨,并以两个实际电路仿真进行了讨论。

关键词：电路；多媒体技术；虚拟实验；直流电路；正弦交流电路

中图分类号：TM13 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)09-158-03

Virtual Experiment System Construction of Electronic Circuit

LU Yu′e

(Department of Basic Course,Xi′an Communication Institute,Xi′an,710106,China)

Abstract：The virtual experiment system is a sort of computer application system which simulates the physics experiment by multimedia technology and virtual technology,it can improve experiment efficiency and structrue of experiment teaching.The electronic virtual experiment system practice proves that it can′t be limited by time and space,also it can improve capability of students.The paper discusses the construction of electronic circuit virtual experiment system,and also discusses virtual experiment as physics experiments.

Keywords：electronic circuit;multimedia technology;virtual experiment;DC;sine AC

电路实验教学一直是课堂教学的重要组成部分,是学员巩固电路理论知识的主要手段，也是提高学员综合素质的重要途径。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,运用现代新技术简便、快捷地完成电路实验――电路虚拟实验系统。虚拟电路实验就是结合电路的特点,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,其中Multisim 软件是比较常见的仿真实验工具。但这些软件都是对原理电路的仿真,各种元器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。构建“电路虚拟实验系统”,成功实现了仿真技术和多媒体技术的有机结合,他既不同于以往的原理电路仿真,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,并即时得到仿真结果,学生可以在计算机上自主进行实验,并自动记录实验过程和结果,最终生成实验报告。

1 系统结构

系统就各单元内容分别设计若干典型的实验题目,并提供一个开放的实验平台,也可以进行其他相关的一些实验。其结构包括5个部分：实验准备、实验原理、实验步骤、仿真实验平台和实验报告,如图1所示。其中,“实验准备”充分利用多媒体技术介绍与实验相关的知识,例如,基本原理、注意事项以及实验中所用到的相关仪器的功能及使用方法等;“实验原理”详细介绍该实验的电路连接和工作原理等;“实验步骤”包括实验内容及实验操作的具体步骤;“仿真实验平台”就是一个虚拟的实验系统,虚拟了一个逼真的实验环境,元件及仪器都是以实物形式重现的;“实验报告”能自动记录实验过程,绘制各种图表,并对结果进行分析,最终生成实验报告。

图1 实验结构框图

2 系统构建

系统首先建立相应的虚拟模型,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。

2.1 实验仿真脚本的建立

系统的脚本决定了实验内容和完成实验的大概模样。与传统实验一样,虚拟实验系统在设置实验时首先解决该实验是“做什么”的问题。这就要求教学人员不仅要对课程内容和教学任务做系统深入的研究,掌握课程的特点,划分知识点,并充分考虑学生的学习特点,在此基础上确定实验内容。除了考虑实验的主题外,还必须尽可能利用多媒体效果提高实验的活泼性和趣味性,使学生在愉悦的气氛中掌握知识。脚本规划如下:

(1) 提取知识点,分析各点之间的联系,并建立相应的模型;

(2) 确定界面的形式;

(3) 确定程序系统。

2.2 虚拟模型的建立

系统采用面向对象的方式建模。以直、交流电路实验为例,面向对象的建模一般从以下4个方面对系统进行描述。

(1) 系统的组成部分。他是构成系统的实体,包括:物理对象:实验电路以及各种测量仪器等;数学对象:产生实验结果的数据集、电路功能分析;人机界面对象:虚拟实验平台、显示结果的电压、电流及波形。

(2) 描述变量。他是系统各实体的属性,例如,实验电路各组成部分的电气性能描述及其取值范围。

(3) 参数。他也是系统属性,不过这种属性不随仿真的进行而发生变化,包括取值范围、符号及其作用,例如:反映实验结果的电压、电流等。

(4) 相互关系。相互关系规定各种不同变量间是如何相互关联的,用数学或逻辑语言来描述。可通过传递消息建立,反映若干对象之间的动态协作关系。

2.3 实验平台

实验平台的操作是用编程来实现的,包括各种颜色导线的连接、元件的取放和插拔、开关和按钮的操作等。可根据不同的实验内容和要求,使用系统提供的各种元件、芯片和仪器仪表等,任意搭接连线。大多数电路都可在其上完成。实验结果和现象利用“虚拟仪器”,如万用表、示波器等进行检测和观察,实验操作及过程与实际的感受几乎相同。

2.4 系统的特点

虚拟实验系统实现了两个目的:一是利用多媒体技术最大限度地虚拟实际实验的场景,包括实验仪器、元器件等,并提供与实际实验的操作方法相类似的实践体验;二是运用仿真技术建立相应的模型,能准确地给出任意搭接电路的现象和结果。系统具有如下优点:

(1) 在一台多媒体计算机上即可完成电路的电气连接及电气性能的检测,例如,显示检测点的电压、电流波形,即时获得实验结果;

(2) 评估元器件参数变化(包括故障) 对电路造成的影响。分析一些较难测量的电路特性,如噪声、频谱、温漂等;

(3) 可以在有限的实验课时里快速完成较复杂的电路连接、测试工作;

(4) 易实现对学生实验情况的量化评估。

2.5 举例：虚拟实验仿真的步骤

一般电路的频域综合设计的完整过程是：网络函数的逼近，电路的综合实现和频响特性的分析等三部分内容。对一个复杂的网络来说，这三个内容都涉及大量而繁杂的数据计算。人工手算方法实际上对此无能为力，而且容易出错，因此只能借助电子计算机这个现代手段。计算机辅助实现是利用虚拟测量仪器、实时交互控制元件和多种受控信号源模型，除了可以给出以数值和曲线表示的分析结果外，还可以用类似于真实实验室工作台的环境和交互操作方法，由使用者控制分析过程，随时改变电路参数，用虚拟仪器实时监测显示电路的变量值和波形。虚拟实验仿真的步骤为：

(1) 输入原理图，即在工作区放置元件的原理图符号，联接导线，设置元件参数；

(2) 放置和联接测量仪器，设置测量仪器参数；

(3) 启动仿真开关，在仪器上读取仿真结果

3 应用举例

3.1 直流电路的仿真

图2所示为一直流电路原理图，若要求其中各支路的电流和电压，则可根据电路原理图，按照仿真步骤，即可在电流表和电压表上读取支路电流和支路电压数值，如图3所示。结果分析显示如图4所示。

图2 直流电路原理图

图3 仿真直流电路接线图

3.2 正弦交流电路的仿真

对于交流电路，求取结点电压和支路电流的有效值时，和直流电路一样，可以将电流表串入支路中，将电压表与需测电压的部分并联，只是电流表和电压表要设置为交流，启动仿真开关后，即可从表计上读取电流和电压数值。图5所示为交流移相电路，通过接入交流电流表和电压表可测得电路的电流和电阻上的电压，并且还可从示波器显示的波形观察到，电阻上电压的相位(即电流的相位)超前电源电压60°，如图6所示；幅频特性和相频特性如图7所示。

图4 直流分析结果

图5 交流电路

图6 交流电路中电流与电压的波形

4 结 语

虚拟实验系统通过多媒体技术和仿真技术的有机结[LL]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,尤其适于原理验证性实验。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。电路虚拟实验的实践表明,虚拟实验不受时间及空间的限制,学生可以自主地完成实验。但虚拟实验的实现是一项非常复杂的工作,目前仅仅涉及简单数学模型的构建,还有许多理论和技术问题有待进一步的探讨,因此,在现有条件下,虚拟实验是不可能完全代替实物实验的。实物实验过程中的元件参数分散性、误差、噪声等现象是客观存在的,这对于培养学生的真切感受和创造性思维是至关重要的,必须给予足够的重视。

图7 幅频特性和相频特性

参 考 文 献

［1］张占松.电路与系统仿真实践［M］.北京:科学出版社,2000.

［2］高伟涛.PSPICE8.0电路设计实例精粹［M］.北京:国防工业出版社,2001.

［3］汪诗林,吴泉源.开展虚拟实验系统的研究和应用［J ］.计算机工程与科学,2000,22(2):33-35.

作者简介

陆玉娥 女，1951年出生，江苏无锡市人，副教授。主要从事网络分析综合、电路基础教学研究。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。