略論電路虛擬實驗系統構建

王　蓉

[摘要]電路虛擬實驗系統不受時間及空間的限制，學生可以自主地完成實驗，以便于鞏固理論學習成果，提高理論聯系實際的能力。

[關鍵詞]電路多媒體技術虛擬實驗直流電路正弦交流電路

中圖分類號：TN4文獻標識碼：A文章編號：1671-7597(2009)0620027-01

電路實驗教學一直是課堂教學的重要組成部分，是學生鞏固電路理論知識的主要手段。虛擬電路實驗就是結合電路的特點，利用計算機構造一個模擬實驗環境，通過電路的建立和對數據與電路功能的分析，達到實驗的目的和要求。目前，電路的仿真軟件很多，其中Multisim軟件是比較常見的仿真實驗工具。構建“電路虛擬實驗系統”，成功實現了仿真技術和多媒體技術的有機結合，讓學生在逼真的多媒體“虛擬場景”中，利用各種“虛擬元件、儀器儀表”任意搭接電路，并即時得到仿真結果，學生可以在計算機上自主進行實驗，并自動記錄實驗過程和結果，最終生成實驗報告。

一、系統結構

系統就各單元內容分別設計若干典型的實驗題目，并提供一個開放的實驗平臺，也可以進行其他相關的一些實驗。其結構包括5個部分：實驗準備、實驗原理、實驗步驟、仿真實驗平臺和實驗報告，如圖1所示。其中，“實驗準備”充分利用多媒體技術介紹與實驗相關的知識，例如，基本原理、注意事項以及實驗中所用到的相關儀器的功能及使用方法等：“實驗原理”詳細介紹該實驗的電路連接和工作原理等：“實驗步驟”包括實驗內容及實驗操作的具體步驟：“仿真實驗平臺”就是一個虛擬的實驗系統，虛擬了一個逼真的實驗環境，元件及儀器都是以實物形式重現的；“實驗報告”能自動記錄實驗過程，繪制各種圖表，并對結果進行分析。最終生成實驗報告。

二、系統構建

系統首先建立相應的虛擬模型，然后按照一定的規律用計算機程序語言模擬實際運行狀況，并根據大量模擬結果對系統或過程進行分析，重點是利用一定的工具實現模擬實驗環境，大大增加實驗的自由度和靈活性。

(一)實驗仿真腳本的建立

系統的腳本決定了實驗內容和完成實驗的大概模樣。與傳統實驗一樣，虛擬實驗系統在設置實驗時首先解決該實驗是“做什么”的問題。這就要求教學人員不僅要對課程內容和教學任務做系統深入的研究，掌握課程的特點，劃分知識點，并充分考慮學生的學習特點，在此基礎上確定實驗內容。除了考慮實驗的主題外，還必須盡可能利用多媒體效果提高實驗的活潑性和趣味性，使學生在愉悅的氣氛中掌握知識。腳本規劃如下：

1提取知識點，分析各點之間的聯系，并建立相應的模型：2確定界面的形式；3確定程序系統。

(二)虛擬模型的建立

系統采用面向對象的方式建模。以直、交流電路實驗為例，面向對象的建模一般從以下4個方面對系統進行描述。

1系統的組成部分。它是構成系統的實體，包括：物理對象：實驗電路以及各種測量儀器等；數學對象：產生實驗結果的數據集、電路功能分析：人機界面對象：虛擬實驗平臺、顯示結果的電壓、電流及波形。2，描述變量。它是系統各實體的屬性，例如，實驗電路各組成部分的電氣性能描述及其取值范圍。3，參數。它也是系統屬性，不過這種屬性不隨仿真的進行而發生變化。包括取值范圍、符號及其作用，例如：反映實驗結果的電壓、電流等。4，相互關系。相互關系規定各種不同變量問是如何相互關聯的，用數學或邏輯語言來描述。可通過傳遞消息建立。反映若干對象之間的動態協作關系。

(三)實驗平臺

實驗平臺的操作是用編程來實現的，包括各種顏色導線的連接、元件的取放和插拔、開關和按鈕的操作等。可根據不同的實驗內容和要求，使用系統提供的各種元件、芯片和儀器儀表等，任意搭接連線。大多數電路都可在其上完成。實驗結果和現象利用“虛擬儀器”，如萬用表、示波器等進行檢測和觀察，實驗操作及過程與實際的感受幾乎相同。

(四)系統的特點

虛擬實驗系統實現了兩個目的：一是利用多媒體技術最大限度地虛擬實際實驗的場景，包括實驗儀器、元器件等，并提供與實際實驗的操作方法相類似的實踐體驗：二是運用仿真技術建立相應的模型，能準確地給出任意搭接電路的現象和結果。系統具有如下優點：

1在一臺多媒體計算機上即可完成電路的電氣連接及電氣性能的檢測，例如，顯示檢測點的電壓、電流波形，即時獲得實驗結果；2，評估元器件參數變化(包括故障)對電路造成的影響。分析一些較難測量的電路特性，如噪聲、頻譜、溫漂等；3，可以在有限的實驗課時里快速完成較復雜的電路連接、測試工作；4，易實現對學生實驗情況的量化評估。

三、應用舉例：虎擬實驗仿真的步驟

一般電路的頻域綜合設計的完整過程是：網絡函數的逼近，電路的綜合實現和頻響特性的分析等三部分內容。對一個復雜的網絡來說。這三個內容都涉及大量而繁雜的數據計算。人工手算方法實際上對此無能為力，而且容易出錯，因此只能借助電子計算機這個現代手段。計算機輔助實現是利用虛擬測量儀器、實時交互控制元件和多種受控信號源模型，除了可以給出以數值和曲線表示的分析結果外，還可以用類似于真實實驗室工作臺的環境和交互操作方法，由使用者控制分析過程，隨時改變電路參數，用虛擬儀器實時監測顯示電路的變量值和波形。虛擬實驗仿真的步驟為：

1 輸入原理圖，即在工作區放置元件的原理圖符號，聯接導線，設置元件參數：2 放置和聯接測量儀器，設置測量儀器參數：3 啟動仿真開關，在儀器上讀取仿真結果

四、結語

虛擬實驗的實現是一項非常復雜的工作，目前僅僅涉及簡單數學模型的構建，還有許多理論和技術問題有待進一步的探討，因此，在現有條件下，虛擬實驗是不可能完全代替實物實驗的。實物實驗過程中的元件參數分散性、誤差、噪聲等現象是客觀存在的。這對于培養學生的真切感受和創造性思維是至關重要的，必須給予足夠的重視。