在教學實驗中引入虛擬實驗技術的探討

張春霞

（四川省達州職業技術學院,635001）

由于招生規模不斷擴大，給高校實驗教學造成了一定的壓力，實習和實驗費用嚴重不足，實驗設備老化、陳舊，實驗場地擁擠，學生人均臺套數明顯不足，實驗開出率明顯下降等等。為了保證和提高實驗教學質量，各高校想盡一切辦法，開源節流。紛紛利用計算機仿真軟件來替代部分實物實驗。傳統的電子電路與系統設計方法耗材多、周期長、效率低，難以滿足電子技飛速發展的要求。近幾年來迅速發展并日臻完善的電子設計自動化（EDA）技術，是將先進的計算機技術應用到電子設計過程的一門新技術，它已被廣泛應用在電子電路設計、仿真、印刷電路（PCB）設計、集成電路版圖設計以及可編程器件的編程等工作之中。EDA技術使電子技術工作者能在計算機上完成電子電路的設計、性能分析、邏輯設計、時序測試直至印制電路板的自動設計。EDA的發展，極大的提高了電子電路與系統設計效率與質量。熟練掌握和運用EDA技術是每一位電子科技工作者的基本要求。

虛擬實驗與傳統實驗教學相比有其獨特的更有操作性的特點：

（1）虛擬實驗能有效地保障學生和設備的安全；

（2）避免了煩瑣的實驗操作過程，有效地提高了實驗效率；

（3）能在更方便的仿真實驗中完成我們不能完成或比較難完成的實驗；

（4）彌補了實驗室里面實驗元器件的不足；

（5）降低科研成本和實驗經費。

1 EWB功能及其特點

目前在電子類實驗方面已經出現了很多EDA設計、分析軟件，利用虛擬的概念，在計算機上進行電路分析、設計。從事電子工程的工作人員運用虛擬平臺EWB軟件對所設計的電路進行仿真和調試。一方面來驗證所設計的電路是否合理，另一方面，可以通過改變電路中的元件參數，使得整個電路的電氣性能更完善。

EWB的顯著特點：仿真手段切合實際；元器件庫不但提供了數千種電子元器件供選用，還提供了各種元器件的理想值。同時，根據需要也可以新建或擴建已有的元器件庫，因此極大地方便了使用者；EWB提供了豐富的電路分析功能，包括電路的穩態分析和瞬態分析、頻域分析和時域分析、線性和非線性分析、噪聲和失真分析等常規分析方法。它還可以給電路設置故障，如短路、開路和不同程度的漏電分析和狀態觀察，從而加深對概念原理的理解，這是在實際實驗中不容易做到的，這是電子工作臺完成虛擬實驗的突出特色。EWB還提供了大量的常例實用電路庫、交互SPICE電路模型等功能強大，工作效率極高的理想實驗設備。

圖1 三相三線制Y非對稱負載情況

圖2

總之，EWB優良的兼容性能、直觀的界面、易學易懂、方式的輸出靈活、元器件的豐富靈活、采用圖形輸入的方式創建電路、可以設置各種電路故障進行分析、電路分析方法眾多、具有完整的混合模擬和數字信號模擬功能等眾多優點，為如今的各方面電子電路的建設提供了有力的技術保障。

圖3 555定時器組成的報警電路

圖4 報警器的工作波形

2 EWB在電工電子實驗中的仿真應用

2.1 三相三線制Y非對稱負載交流電路的仿真

在EWB界面搭建三相三線制Y形非對稱負載交流電路，如圖1所示。其中三相電壓有效值均為220V，頻率50HZ，相位互差120度。示波器VA、VB通道分別接入兩相電壓，便于觀察其相位系統。電流表M0專門用于觀測中線電流。

當按圖1所示的搭建好電路，閉合仿真電源，圖2改變所選相電壓可逐一觀察三相互差120。系統自動進行仿真分析。分析結果通過儀表度的相位關系

和示波器顯示，如圖2所示。

2.2 報警電路的仿真

隨著現代社會數字化進程的加快，作為EWB仿真技術在數字領域應用也十分廣泛，如對組合邏輯電路的設計、組合邏輯電路的功能測試、集成可逆計數器的應用、555定時器的應用等的研究與開發提供了良好的技術操作平臺。在數字電路中的仿真電路模擬同前面的在電工電路中的一樣，只要我們掌握了其原理就能在這一平臺上設計出自己的電路來，并且通過反復的模擬進行可行性論證，從而運用到我們日常生活、生產中去。

在EWB主界面下打開混合集成電路庫，選擇兩片555定時器并配以適當的外圍元件組成圖3所示電路，利用左振蕩器的高、低電平控制右振蕩器產生兩個不同頻率的振蕩，可推動揚聲器產生報警的效果。報警電路中左右兩振蕩器輸出電壓波形如圖4，Vo1為低頻振蕩， Vo2為高頻振蕩。

利用555定時器組成報警電路還有多種方案，例如；可將左振蕩器電容上三角波電壓接至右振蕩器的控制電壓輸入端，使右振蕩器產生變頻振蕩，產生報警效果。

3 虛擬儀器在電工電子技術教學、實驗中的應用前景

隨著電子技術的飛速發展，新器件與新的實驗方法層出不窮，傳統的實驗教學方法有點落后于時代的發展。為此，各大院校相繼建立起電子電工實驗中心與EDA教學實驗室，確立了實際操作與計算機模擬仿真相結合的實驗教學方式，從培養學生運用知識和提高實際工作能力出發，突出創新教育，注重對學生創新能力的培養，形成一個靈活多樣、適應不同層次、不同專業要求的新型的實驗課教學體系，以適應面向21世紀人才培養的需要。

參考文獻

[1] 周常森．電子電路計算機仿真技術 .山東科學技術出版社，2001．

[2] 劉軍、陳嵐嵐．電路與電子技術虛擬實驗教程．西北工業大學出版社，2006．

[3] 陳大欽. 電子技術基礎實驗第三版-電子電路實驗設計及現代EDA技術.南教京2011