建設模擬電子技術虛擬實驗室

陳 棟

九江學院電子工程學院，江西九江 332005

模擬電子技術課程是高校電子類以及各相關專業必修的基礎課。模擬電子技術實驗關系到學生對于理論知識的掌握程度以及實驗技能、創新能力的培養等眾多方面，所以實驗在該課程中占有十分重要的位置。

1 傳統模擬電子技術實驗的局限性

隨著電子技術的發展，模擬電子技術實驗更側重于培養學生的思維方式與創新設計能力。傳統儀器的功能單一，簡單的實驗往往要好幾臺儀器設備，而且接線繁瑣。限制了學生花更多的時間和精力做設計性實驗，對調動學生的積極性，培養創新精神十分不利。隨著近年的高校擴招，學校一般很難滿足這些硬件要求，不利于學生的實驗課程。所以，傳統模擬電子技術實驗方式已經不再適應社會發展的需求。

2 模擬電子技術虛擬實驗室

虛擬實驗室主要是利用計算機模仿真實過程的實用技術。同時，以數據庫技術為基礎，以網絡技術為平臺，以多媒體技術為輔助的計算機模擬實驗室。實時的仿真功能，使實驗可以取得與實際高度吻合的實驗結果。

2.1 仿真軟件

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用模擬電路的設計工作。它包含了原理圖的圖形輸入、硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，適合模擬電子技術實驗。學生可以使用Multisim交互式地搭建模擬電路原理圖，并對模擬電路進行仿真并且分析。

整個操作界面就像一個模擬電子實驗工作臺，繪制模擬電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的；提供了世界主流元件提供商的超過17 000多種元件，同時能方便的對元件各種參數進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創建模型等功能，創建自己的元器件；提供了22種虛擬儀器進行模擬電路動作的測量，這些儀器的設置和使用與真實的一樣，動態互交顯示。

2.2 虛擬儀器

虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向。將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實現各種儀器功能。

當前應用最廣泛的虛擬儀器是LabVIEW，它是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發的，類似于C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。

虛擬儀器的主要特點有：盡可能采用了常用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件；可充分發揮計算機的能力，有強大的數據處理功能，可以創造出功能更強的儀器；用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器。

2.3 網絡構建

基于校園網可以很方便的構建虛擬實驗室的網絡。如圖1所示。

2.4 模擬電子技術虛擬實驗室的優點

1）在一臺計算機上就可以實現如示波器、函數信號發生器、電壓表等儀器功能，而且能夠建立模擬電路進行分析。基于軟件的體系結構減少了儀器費用；

2）虛擬實驗室無須配備各種傳統教學儀器，可以通過軟件設計使虛擬儀器和實驗室設備不斷更新。學生在計算機上操縱各種虛擬儀器進行實驗，就如同是在操作傳統儀器一樣，與通過硬件實驗做出的結果一致。把實驗室搬到了網絡，使得學生可以在任何時間以及任何地點，只要有接入網絡的PC就可以進行實驗；

3）在虛擬實驗室，學生可以主動設置故障、實驗，不斷地得到實驗結果。并且可以修改參數，在不必擔心損壞儀器的情況下，迅速進行實驗仿真，檢驗自己對所學知識的掌握情況。學生還可以做一些趣味性的電路，如彩燈控制、交通燈控制等控制電路以及各種報警電路。改變傳統的教學模式，利用計算機仿真技術充分調動學生的積極性；

4）模擬電子技術實驗教學目的在于提高學生的分析能力、判斷能力及創新能力，提高學生的綜合素質。通過設計性實驗可初步培養與提高這方面的能力。在實驗中要求學生根據給定題目內容獨立完成電路的設計、元器件的選擇、電路的安裝與調試，擬定實驗步驟、測試內容及方法等。比如說負反饋放大電路、集成運算放大電路的應用等設計型電路。對每一個學生來講這不僅是一次工作能力的考察，也是一次綜合能力的鍛煉與培養；

5）加強了計算機應用能力。當前社會對計算機的操作技能要求很高，利用模擬電子技術虛擬實驗室，將計算機應用融入日常的教學中，逐步培養學生計算機應用能力。

3 結論

硬件實驗雖然有著一些成本高等問題，卻容易加深學生的感性認識和動手能力。雖然虛擬實驗室優點很多，但也存在一些不足，例如：標稱值與實際值的誤差、器件老化、元件參數誤差、干擾信號的影響等在虛擬實驗中很難反映出來。學生動手能力的提高還須經過硬件實驗室的實際操作來達到目的。

所以，一個完備的模擬電子技術實驗室應可以同時進行硬件實驗和虛擬實驗。基本儀器、儀表的使用，元器件的使用以及常用模擬電路要求學生完全通過硬件來實現，提高學生的實際技能和動手能力。一些復雜電路則可以通過仿真軟件與虛擬儀器進行仿真實驗。

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