淺談電工與電子技術虛擬實驗室的搭建

寧祺

摘 要：隨著電子科技技術的飛速發展，極大地推動了電工與電子技術的實驗虛擬化進程，一方面使實驗不再受時間的限制及實驗設備的限制，方便了學生；另一方面降低了實驗設備、元器件損耗的成本，提高了教學的質量和效率。文章旨在探究在電工與電子技術實驗中如何更好地使用計算機軟件，使其彌補傳統實驗室的不足。

關鍵詞：虛擬實驗室；Multisim；Tina Pro

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）2-0038-02

近年來，由于學生人數的不斷增加，以及教學改革中對實驗形式和內容的要求提高，許多學校都面臨著實驗設備相對滯后，經費不足的困難。但隨著計算機技術的發展，虛擬實驗室的建設也因此迅速起來。開發與建設越來越受到學校的重視。

1 傳統的實驗形式存在的問題

原來學校開展實驗都是傳統的形式，采用實物來進行實驗教學的，這種形式讓學生能夠對理論有比較深的感性認識，同時也存在著一些問題。

1.1 實驗室建設費用高

傳統的實驗教學中使用的實驗設備費用都較高，存在著前期投入大、后期維護較為麻煩，使用期間受人力、物力、財力、時間、地點限制等問題。

1.2 實驗的教學手段落后、教學形式較為單一

一般都是傳統灌輸式的教學模式，且驗證性實驗和孤立的單元性操作實驗多，設計性、創新性實驗非常少，極大地制約了學生的創新思維，使學生的創造能力得不到鍛煉和培養。

1.3 實驗課程的學時少

實驗課程學時與總學時相比較，所占比例較低，對于實驗的要求不能完全滿足。另外，授課老師在實驗室的時長的很大一部分被準備實驗器材和實驗后清點器材等幾項工作所占用，同時，很大一部分學生也不能根據自己的課余時間根據興趣來做實驗。

1.4 不能實現多樣化

學生素質水平參差不齊，常規的教學模式都將學生同等對待，使得動手能力強的學生“吃不飽”，水平差一些的又感到吃力，很多同學不熟悉電路的連接規則，所以連接電路時很容易出錯（例如短路、斷路等），實驗教學目的很難達到。

2 構建虛擬實驗方法

基于以上的問題，構建虛擬實驗室勢在必行。作為傳統實驗模式的一種補充，虛擬的實驗手法可以讓學生們對仿真軟件技術有一個形象的概念，可以讓理論知識具體地轉化為實驗，將將理論知識更加形象化，可以比較全面地描述和總結所學的知識點。一方面體現了實物實驗可操作性的優點，另一方面又可利用計算機上的技術優勢，發揮了具體、形象、迅速準確、資源共享，資金投入少等特點， 從而建立了一種新型的實驗教學手段，進一步提高了教學效率。虛擬實驗室的構建并不難，只需要計算機和專業的模擬軟件即可。

下面介紹兩款模擬軟件。

2.1 Multisim軟件

Multisim是由Interactive Image Technologies （Electronics Workbench）公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。使用Multisim軟件可以交互式地搭建電路的原理圖，并對電路進行仿真模擬。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。

2.2 Tina Pro軟件

Tina Pro軟件是匈牙利Designsofe Inc公司推出的用于分析、設計電子電路的EDA軟件。Tina Pro軟件具有以下特點：

①Tina Pro具有較高的性能價格比。它是所知為數不多的具有簡體中文界面的成熟軟件（在Help索引文件中，也用中文對于電路器件模型參數進行詳細解釋）。

②界面為簡體中文，直觀、形象、操作方便、容易掌握。

③有豐富齊全的元器件種類，大約含有兩萬多個分立或集成電路元器件，流行于四十多個國家，并有二十多種不同語言的版本，其中包括中文版。

④所使用的虛擬測試儀器其外形和操作方法與實際儀器非常相似。

⑤該軟件分析方法功能多。提供了DC分析、AC分析、瞬時分析、傅里葉分析、數字逐步、數字計時分析、符號分析、噪聲分析和最優化設計等多種電路仿真分析方法。

⑥儀器先進。函數發生器、數字萬用表、XY記錄器、示波器、信號發生器、網絡分析器、數字信號發生器等。各儀器與元件之間采用虛擬連線。其虛擬測試儀器（如多蹤示波器）的動態演示功能，是極好的電類教學輔助工具。Tina Pro的仿真分析結果，如波形圖可方便地與電路圖粘貼在界面中，對輸出打印及分析資料的完整保存十分便利。

Tina Pro軟件在電路仿真方面功能強大，不僅在生產實踐中，在電子產品的開發與研制中，能夠起到高效率、高精度的作用，若用在學校電類課程的教學中，也會帶來很好的教學效果。

3 學校應用Tina Pro軟件進行實驗舉例

我校電工電子實驗教學中也進行了虛擬實驗室的建設，初步開發了基Tina Pro的電工電子虛擬實驗室。目前該實驗室提供了電工學、電路、模電及數電等課程的虛擬實驗內容，并已投入使用。學生可以進行實驗電路設計仿真；實驗完成后，可以上傳實驗電子圖，并完成報告。

下面利用Tina Pro軟件進行實驗舉例。

3.1 KVL驗證

US的電壓是12 V，等于R1上的電壓加上R2上的電壓再加上R3上的電壓。

實驗原理如圖1所示。

仿真后結果如圖2所示。

3.2 三相電路測功率

此電路為三角形連接，分別通入同頻率的正弦交流電，用功率表測算功率。

3.3 利用數字電路制作的交通信號燈

該電路使用了7段數碼管、74ls192計數器芯片、D觸發器、74ls138譯碼器芯片、各種邏輯門電路等實現了十字路口交通燈的功能。

綜上所述，電工與電子技術虛擬實驗室的優點顯而易見：方便、快捷、經濟性、開放性好。學生在實驗過程中所接觸的電子元器件主要是一些電路符號，畢竟與實際的電子元器件有還有一些的差異。對虛擬實驗室，我們一定要做到合理使用，盡可能虛實結合，更好地提高學生的動手能力、創新能力，為技能型人才培養服務。

參考文獻：

[1] 王文杰.基于TCP/IP協議的虛擬電工電子網絡實驗室[J].天津職業院校聯合學報，2008，10（2）：58-60.

[2] 張紅.電工電子實驗教學中的網絡技術的應用[J].甘肅科技，2007，23（2）：230-232.

[3] 王斌.基于PC的電工電子實驗及其發展趨勢[J].安徽電氣工程職業技術學院學報，2006，（1）：100-104.endprint

摘 要：隨著電子科技技術的飛速發展，極大地推動了電工與電子技術的實驗虛擬化進程，一方面使實驗不再受時間的限制及實驗設備的限制，方便了學生；另一方面降低了實驗設備、元器件損耗的成本，提高了教學的質量和效率。文章旨在探究在電工與電子技術實驗中如何更好地使用計算機軟件，使其彌補傳統實驗室的不足。

關鍵詞：虛擬實驗室；Multisim；Tina Pro

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）2-0038-02

近年來，由于學生人數的不斷增加，以及教學改革中對實驗形式和內容的要求提高，許多學校都面臨著實驗設備相對滯后，經費不足的困難。但隨著計算機技術的發展，虛擬實驗室的建設也因此迅速起來。開發與建設越來越受到學校的重視。

1 傳統的實驗形式存在的問題

原來學校開展實驗都是傳統的形式，采用實物來進行實驗教學的，這種形式讓學生能夠對理論有比較深的感性認識，同時也存在著一些問題。

1.1 實驗室建設費用高

傳統的實驗教學中使用的實驗設備費用都較高，存在著前期投入大、后期維護較為麻煩，使用期間受人力、物力、財力、時間、地點限制等問題。

1.2 實驗的教學手段落后、教學形式較為單一

一般都是傳統灌輸式的教學模式，且驗證性實驗和孤立的單元性操作實驗多，設計性、創新性實驗非常少，極大地制約了學生的創新思維，使學生的創造能力得不到鍛煉和培養。

1.3 實驗課程的學時少

實驗課程學時與總學時相比較，所占比例較低，對于實驗的要求不能完全滿足。另外，授課老師在實驗室的時長的很大一部分被準備實驗器材和實驗后清點器材等幾項工作所占用，同時，很大一部分學生也不能根據自己的課余時間根據興趣來做實驗。

1.4 不能實現多樣化

學生素質水平參差不齊，常規的教學模式都將學生同等對待，使得動手能力強的學生“吃不飽”，水平差一些的又感到吃力，很多同學不熟悉電路的連接規則，所以連接電路時很容易出錯（例如短路、斷路等），實驗教學目的很難達到。

2 構建虛擬實驗方法

基于以上的問題，構建虛擬實驗室勢在必行。作為傳統實驗模式的一種補充，虛擬的實驗手法可以讓學生們對仿真軟件技術有一個形象的概念，可以讓理論知識具體地轉化為實驗，將將理論知識更加形象化，可以比較全面地描述和總結所學的知識點。一方面體現了實物實驗可操作性的優點，另一方面又可利用計算機上的技術優勢，發揮了具體、形象、迅速準確、資源共享，資金投入少等特點， 從而建立了一種新型的實驗教學手段，進一步提高了教學效率。虛擬實驗室的構建并不難，只需要計算機和專業的模擬軟件即可。

下面介紹兩款模擬軟件。

2.1 Multisim軟件

Multisim是由Interactive Image Technologies （Electronics Workbench）公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。使用Multisim軟件可以交互式地搭建電路的原理圖，并對電路進行仿真模擬。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。

2.2 Tina Pro軟件

Tina Pro軟件是匈牙利Designsofe Inc公司推出的用于分析、設計電子電路的EDA軟件。Tina Pro軟件具有以下特點：

①Tina Pro具有較高的性能價格比。它是所知為數不多的具有簡體中文界面的成熟軟件（在Help索引文件中，也用中文對于電路器件模型參數進行詳細解釋）。

②界面為簡體中文，直觀、形象、操作方便、容易掌握。

③有豐富齊全的元器件種類，大約含有兩萬多個分立或集成電路元器件，流行于四十多個國家，并有二十多種不同語言的版本，其中包括中文版。

④所使用的虛擬測試儀器其外形和操作方法與實際儀器非常相似。

⑤該軟件分析方法功能多。提供了DC分析、AC分析、瞬時分析、傅里葉分析、數字逐步、數字計時分析、符號分析、噪聲分析和最優化設計等多種電路仿真分析方法。

⑥儀器先進。函數發生器、數字萬用表、XY記錄器、示波器、信號發生器、網絡分析器、數字信號發生器等。各儀器與元件之間采用虛擬連線。其虛擬測試儀器（如多蹤示波器）的動態演示功能，是極好的電類教學輔助工具。Tina Pro的仿真分析結果，如波形圖可方便地與電路圖粘貼在界面中，對輸出打印及分析資料的完整保存十分便利。

Tina Pro軟件在電路仿真方面功能強大，不僅在生產實踐中，在電子產品的開發與研制中，能夠起到高效率、高精度的作用，若用在學校電類課程的教學中，也會帶來很好的教學效果。

3 學校應用Tina Pro軟件進行實驗舉例

我校電工電子實驗教學中也進行了虛擬實驗室的建設，初步開發了基Tina Pro的電工電子虛擬實驗室。目前該實驗室提供了電工學、電路、模電及數電等課程的虛擬實驗內容，并已投入使用。學生可以進行實驗電路設計仿真；實驗完成后，可以上傳實驗電子圖，并完成報告。

下面利用Tina Pro軟件進行實驗舉例。

3.1 KVL驗證

US的電壓是12 V，等于R1上的電壓加上R2上的電壓再加上R3上的電壓。

實驗原理如圖1所示。

仿真后結果如圖2所示。

3.2 三相電路測功率

此電路為三角形連接，分別通入同頻率的正弦交流電，用功率表測算功率。

3.3 利用數字電路制作的交通信號燈

該電路使用了7段數碼管、74ls192計數器芯片、D觸發器、74ls138譯碼器芯片、各種邏輯門電路等實現了十字路口交通燈的功能。

綜上所述，電工與電子技術虛擬實驗室的優點顯而易見：方便、快捷、經濟性、開放性好。學生在實驗過程中所接觸的電子元器件主要是一些電路符號，畢竟與實際的電子元器件有還有一些的差異。對虛擬實驗室，我們一定要做到合理使用，盡可能虛實結合，更好地提高學生的動手能力、創新能力，為技能型人才培養服務。

參考文獻：

[1] 王文杰.基于TCP/IP協議的虛擬電工電子網絡實驗室[J].天津職業院校聯合學報，2008，10（2）：58-60.

[2] 張紅.電工電子實驗教學中的網絡技術的應用[J].甘肅科技，2007，23（2）：230-232.

[3] 王斌.基于PC的電工電子實驗及其發展趨勢[J].安徽電氣工程職業技術學院學報，2006，（1）：100-104.endprint

摘 要：隨著電子科技技術的飛速發展，極大地推動了電工與電子技術的實驗虛擬化進程，一方面使實驗不再受時間的限制及實驗設備的限制，方便了學生；另一方面降低了實驗設備、元器件損耗的成本，提高了教學的質量和效率。文章旨在探究在電工與電子技術實驗中如何更好地使用計算機軟件，使其彌補傳統實驗室的不足。

關鍵詞：虛擬實驗室；Multisim；Tina Pro

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）2-0038-02

近年來，由于學生人數的不斷增加，以及教學改革中對實驗形式和內容的要求提高，許多學校都面臨著實驗設備相對滯后，經費不足的困難。但隨著計算機技術的發展，虛擬實驗室的建設也因此迅速起來。開發與建設越來越受到學校的重視。

1 傳統的實驗形式存在的問題

原來學校開展實驗都是傳統的形式，采用實物來進行實驗教學的，這種形式讓學生能夠對理論有比較深的感性認識，同時也存在著一些問題。

1.1 實驗室建設費用高

傳統的實驗教學中使用的實驗設備費用都較高，存在著前期投入大、后期維護較為麻煩，使用期間受人力、物力、財力、時間、地點限制等問題。

1.2 實驗的教學手段落后、教學形式較為單一

一般都是傳統灌輸式的教學模式，且驗證性實驗和孤立的單元性操作實驗多，設計性、創新性實驗非常少，極大地制約了學生的創新思維，使學生的創造能力得不到鍛煉和培養。

1.3 實驗課程的學時少

實驗課程學時與總學時相比較，所占比例較低，對于實驗的要求不能完全滿足。另外，授課老師在實驗室的時長的很大一部分被準備實驗器材和實驗后清點器材等幾項工作所占用，同時，很大一部分學生也不能根據自己的課余時間根據興趣來做實驗。

1.4 不能實現多樣化

學生素質水平參差不齊，常規的教學模式都將學生同等對待，使得動手能力強的學生“吃不飽”，水平差一些的又感到吃力，很多同學不熟悉電路的連接規則，所以連接電路時很容易出錯（例如短路、斷路等），實驗教學目的很難達到。

2 構建虛擬實驗方法

基于以上的問題，構建虛擬實驗室勢在必行。作為傳統實驗模式的一種補充，虛擬的實驗手法可以讓學生們對仿真軟件技術有一個形象的概念，可以讓理論知識具體地轉化為實驗，將將理論知識更加形象化，可以比較全面地描述和總結所學的知識點。一方面體現了實物實驗可操作性的優點，另一方面又可利用計算機上的技術優勢，發揮了具體、形象、迅速準確、資源共享，資金投入少等特點， 從而建立了一種新型的實驗教學手段，進一步提高了教學效率。虛擬實驗室的構建并不難，只需要計算機和專業的模擬軟件即可。

下面介紹兩款模擬軟件。

2.1 Multisim軟件

Multisim是由Interactive Image Technologies （Electronics Workbench）公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。使用Multisim軟件可以交互式地搭建電路的原理圖，并對電路進行仿真模擬。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。

2.2 Tina Pro軟件

Tina Pro軟件是匈牙利Designsofe Inc公司推出的用于分析、設計電子電路的EDA軟件。Tina Pro軟件具有以下特點：

①Tina Pro具有較高的性能價格比。它是所知為數不多的具有簡體中文界面的成熟軟件（在Help索引文件中，也用中文對于電路器件模型參數進行詳細解釋）。

②界面為簡體中文，直觀、形象、操作方便、容易掌握。

③有豐富齊全的元器件種類，大約含有兩萬多個分立或集成電路元器件，流行于四十多個國家，并有二十多種不同語言的版本，其中包括中文版。

④所使用的虛擬測試儀器其外形和操作方法與實際儀器非常相似。

⑤該軟件分析方法功能多。提供了DC分析、AC分析、瞬時分析、傅里葉分析、數字逐步、數字計時分析、符號分析、噪聲分析和最優化設計等多種電路仿真分析方法。

⑥儀器先進。函數發生器、數字萬用表、XY記錄器、示波器、信號發生器、網絡分析器、數字信號發生器等。各儀器與元件之間采用虛擬連線。其虛擬測試儀器（如多蹤示波器）的動態演示功能，是極好的電類教學輔助工具。Tina Pro的仿真分析結果，如波形圖可方便地與電路圖粘貼在界面中，對輸出打印及分析資料的完整保存十分便利。

Tina Pro軟件在電路仿真方面功能強大，不僅在生產實踐中，在電子產品的開發與研制中，能夠起到高效率、高精度的作用，若用在學校電類課程的教學中，也會帶來很好的教學效果。

3 學校應用Tina Pro軟件進行實驗舉例

我校電工電子實驗教學中也進行了虛擬實驗室的建設，初步開發了基Tina Pro的電工電子虛擬實驗室。目前該實驗室提供了電工學、電路、模電及數電等課程的虛擬實驗內容，并已投入使用。學生可以進行實驗電路設計仿真；實驗完成后，可以上傳實驗電子圖，并完成報告。

下面利用Tina Pro軟件進行實驗舉例。

3.1 KVL驗證

US的電壓是12 V，等于R1上的電壓加上R2上的電壓再加上R3上的電壓。

實驗原理如圖1所示。

仿真后結果如圖2所示。

3.2 三相電路測功率

此電路為三角形連接，分別通入同頻率的正弦交流電，用功率表測算功率。

3.3 利用數字電路制作的交通信號燈

該電路使用了7段數碼管、74ls192計數器芯片、D觸發器、74ls138譯碼器芯片、各種邏輯門電路等實現了十字路口交通燈的功能。

綜上所述，電工與電子技術虛擬實驗室的優點顯而易見：方便、快捷、經濟性、開放性好。學生在實驗過程中所接觸的電子元器件主要是一些電路符號，畢竟與實際的電子元器件有還有一些的差異。對虛擬實驗室，我們一定要做到合理使用，盡可能虛實結合，更好地提高學生的動手能力、創新能力，為技能型人才培養服務。

參考文獻：

[1] 王文杰.基于TCP/IP協議的虛擬電工電子網絡實驗室[J].天津職業院校聯合學報，2008，10（2）：58-60.

[2] 張紅.電工電子實驗教學中的網絡技術的應用[J].甘肅科技，2007，23（2）：230-232.

[3] 王斌.基于PC的電工電子實驗及其發展趨勢[J].安徽電氣工程職業技術學院學報，2006，（1）：100-104.endprint