模擬仿真技術(shù)在電子電工實驗中的作用

崔志雄

（江蘇省惠山中等專業(yè)學(xué)校，江蘇無錫，214153）

0 引言

電工電子技術(shù)作為一門手動操作性強(qiáng)的專業(yè)學(xué)科。傳統(tǒng)的口授和課件教學(xué)的過程不能夠解決學(xué)生對于設(shè)備不熟悉的問題。在正式的操作過程中可能對儀器設(shè)備造成損傷從而引發(fā)危險。通過模擬仿真技術(shù)的引入，讓傳統(tǒng)的電工電子實驗中出現(xiàn)的資源浪費、安全風(fēng)險以及設(shè)備損壞等情況得到良好的解決辦法。

1 模擬仿真技術(shù)簡介

模擬仿真技術(shù)作為一種模擬技術(shù)有著諸多傳統(tǒng)的教學(xué)實驗法所沒有的優(yōu)點。模擬仿真技術(shù)是將整個電工電子實驗的過程利用電腦軟件的方式進(jìn)行模擬，其操作方式簡單，僅僅需要一臺電腦就能夠運行模擬仿真軟件；安全系數(shù)高，在模擬過程中不接觸任何高危險部件；實驗結(jié)果直觀有效，可以通過實際的數(shù)值來準(zhǔn)確地測量和觀測結(jié)果。

2 模擬仿真技術(shù)的特點

2.1 仿真元件和儀器的真實度高

模擬仿真技術(shù)中應(yīng)用的軟件已經(jīng)十分成熟了，其元件的型號和特點都能夠在模擬仿真軟件之中準(zhǔn)確地進(jìn)行模擬，在保證仿真實驗真實性的方面十分地優(yōu)秀。通過高仿真度的儀器進(jìn)行實驗，既保證了實驗的準(zhǔn)確性，也同時避免了因為設(shè)計失敗而損壞貴重元件的危險出現(xiàn)。

2.2 仿真實驗的實驗結(jié)果更加直觀

模擬仿真技術(shù)是由電腦軟件直接進(jìn)行模擬的。在模擬的過程中可以選擇對每一步的運行方式進(jìn)行細(xì)致化的分解，同時將實驗結(jié)果以數(shù)值的形式顯示到模擬界面上。有些先進(jìn)的模擬軟件在模擬試驗運行的過程中還能夠顯示每個部件通電之后內(nèi)部的運行流程，更加直觀的顯示了實驗的過程和結(jié)果。

2.3 操作過程更加簡單安全

實驗的操作過程簡單方便，僅僅是在軟件中將實驗器材拼裝起來，沒有手動操作的過程，不會在實驗過程中出現(xiàn)觸電等危險，也沒有安裝問題上的難度。模擬仿真技術(shù)作為一種理論實驗教學(xué)過程中的輔助替代品有著安裝簡便、操作安全的優(yōu)點。

3 模擬仿真技術(shù)的作用

3.1 降低實驗中引發(fā)風(fēng)險的概率

電工電子實驗過程中，經(jīng)常需要接觸高壓部件和強(qiáng)電流。在實驗過程中若是操作失誤或安裝上出現(xiàn)了錯誤，電子元件很容易出現(xiàn)過熱起火、爆炸或者強(qiáng)電擊穿等現(xiàn)象。這樣的現(xiàn)象是十分危險的，不僅會傷害實驗者，還會造成大面積的火災(zāi)或是漏電風(fēng)險。運用模擬仿真試驗系統(tǒng)，不僅能夠避免火災(zāi)或觸電等危險，甚至還能夠向?qū)W生們演示一旦電子元件安裝錯誤或是誤差會出現(xiàn)的結(jié)果，從而達(dá)到安全教育的目的。

例：在傳統(tǒng)的實驗過程中，一位學(xué)生誤把一個二極管的方向接反了，導(dǎo)致電流無法順利通過這個單獨的二極管，電阻過高而使溫度變高，最終導(dǎo)致電路起火，教師不得不緊急終止了實驗課程趕去救火。在運用模擬仿真技術(shù)的電腦中，不僅學(xué)生可以隨意進(jìn)行模擬也不會有危險出現(xiàn)，而且在教學(xué)過程中教師也不用提心吊膽的防止危險發(fā)生，從而能夠?qū)Ｐ牡剡M(jìn)行課程的教授。通過模擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生在組裝和實驗的過程中也可以逐漸熟悉實驗的過程，起到為未來的正式實驗課程打基礎(chǔ)的作用。

3.2 模擬仿真技術(shù)能夠降低教學(xué)成本

模擬仿真技術(shù)的試驗平臺是在計算機(jī)等平臺上，本身并沒有什么額外的支出。相比于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，模擬仿真技術(shù)不需要更多的購入昂貴的電子元件，也不需要保證實驗器材的長時間運轉(zhuǎn)。在模擬仿真平臺上進(jìn)行的實驗，能夠通過調(diào)整軟件時間的流動速度來確認(rèn)實驗的穩(wěn)定性，不僅節(jié)約了時間成本，還節(jié)約了學(xué)校在高端元件上的支出問題。而且模擬仿真試驗不需要專業(yè)的實驗室，教師可以直接利用多媒體技術(shù)將實驗利用投影儀放大在屏幕上進(jìn)行示范演講，節(jié)省了教學(xué)時間。

例：在學(xué)習(xí)二極管的特性的過程之中，教師用模擬仿真軟件將二極管接入交流電和直流電中并分別正接和反接，觀察二極管各方面包括電流、電壓、溫度等的變化，由此來驗證二極管的單方向?qū)щ娦砸约捌渥鳛檫^載保護(hù)器等的潛力。一旦接在電路中的二極管因為負(fù)載大于其所能承受的極限便會熔斷進(jìn)而保護(hù)電路。教師可以在0損耗的前提下不斷地演示這個過程而不需要消耗任何二極管。做到了在必要的教學(xué)過程中節(jié)省教學(xué)成本的目的。

3.3 能夠簡單模擬危險度高和難度高的實驗

利用模擬仿真技術(shù)可以模擬一些裝置安裝難度十分高或者十分危險的高壓電路的運行模式。由于模擬軟件上的安裝過程十分簡單，所以能夠節(jié)省許多的教學(xué)時間并能夠安全地組裝電路。特別是在復(fù)雜電路組裝的過程中總會有或多或少的問題出現(xiàn)。為了防止電路運行過程中出現(xiàn)損壞或觸電危險，可以運用模擬仿真軟件的調(diào)試模式進(jìn)行調(diào)試和試運行，之后再利用實際的材料進(jìn)行組裝和運行。

例：在設(shè)計高壓變電系統(tǒng)的時候，需要將發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的直流電變成交流電，其中需要經(jīng)過大功率變電設(shè)施和穩(wěn)流器等設(shè)備，這些設(shè)備即使是在正規(guī)的電廠中也是十分危險的，且由于我國電廠目前的某些原因，變電設(shè)施的地線有可能沒有接好或者是根本就沒有地線，在這種情況下進(jìn)行實驗的教學(xué)是十分危險的。利用模擬仿真技術(shù)模擬這個過程，不僅能夠?qū)⑽ｋU排除，也起到了實際的教學(xué)作用。

圖1 模擬高壓變電系統(tǒng)

3.4 能夠彌補(bǔ)實驗過程中器材不足的問題

在實驗過程之中，校方可能受制于資金問題而無法準(zhǔn)備出足夠所有學(xué)生使用的實驗器材。這一點嚴(yán)重影響了實驗的順利進(jìn)行，而模擬仿真技術(shù)可以利用學(xué)校的電腦機(jī)房進(jìn)行授課，其授課效果也與傳統(tǒng)的器材授課別無二致，也能夠有效地解決資材不足的問題。利用幾組學(xué)生進(jìn)行實際操作，幾組學(xué)生進(jìn)行模擬實驗的方法，使每個人在熟悉了電路的同時也經(jīng)歷了手動操作的過程。

3.5 有助于提升學(xué)生的創(chuàng)造力

利用模擬仿真技術(shù)試驗無危險性、成本低廉的特點，能夠讓學(xué)生們充分發(fā)揮想象力，將平常用不到的元件或是高危險高價值的元件利用到實驗過程之中，在不斷地失誤中尋找電子元件的可能性。實驗的過程中沒有了需要負(fù)責(zé)任的包袱，從而能夠放心地進(jìn)行不斷地嘗試。在嘗試的過程中了解元件的作用以及局限性。

例：在實驗過程中，一個學(xué)生設(shè)計了一個直流穩(wěn)壓電源，其作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的同時輸出穩(wěn)定的直流電。在模擬實驗中經(jīng)過了多次的失敗，導(dǎo)致了電流擊穿、失火、電壓不穩(wěn)、負(fù)載過高等問題之后終于設(shè)計了模擬的電路。通過利用二極管的單向?qū)щ娦灾谱饕粋€整流電路將交流電其中一個方向的電流阻隔掉，使雙向交流電變成一個僅有方向的脈沖式直流電；之后運用以電感和電容的儲能效果為主體的濾波電路將脈沖電流之間的間隔濾除使其成為一個穩(wěn)定的直流電；最后利用穩(wěn)壓電路使直流電的電壓處于一個穩(wěn)定值。在實驗過程中通過不斷地變換不同的元件，一次又一次地失敗，最終該生成功地讓整個電路在模擬程序中穩(wěn)定地運作了起來。

3.6 模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于電子電工實驗的試運行過程

在復(fù)雜電路的試運行過程中，可以運用模擬仿真技術(shù)對已經(jīng)完成設(shè)計的電路進(jìn)行試運行。在運行過程中若是出現(xiàn)了問題，通過模擬仿真軟件自帶的檢測系統(tǒng)對電路進(jìn)行檢測，能夠在給實驗電路造成實質(zhì)性的損害之前及時找到出現(xiàn)問題的點，并對問題進(jìn)行處理。模擬仿真技術(shù)的這個特點不只能夠應(yīng)用在電工電子實驗中，在單片機(jī)制作、高壓電路的建設(shè)過程中也能夠利用模擬仿真技術(shù)作為錯誤檢查的方式之一，從而避免損失的出現(xiàn)。

反過來思考，也可以利用模擬仿真技術(shù)對已經(jīng)完成的電路進(jìn)行測試，利用模擬仿真技術(shù)的高仿真度來確定完好的電路運行過程中的各種參數(shù)，通過與正在運行的電路的各個參數(shù)進(jìn)行比較，從而確定電路是否在正常的運行。

3.7 運用模擬仿真軟件的便利性

模擬仿真軟件作為一個軟件有著十分便捷的優(yōu)點。其便捷性主要體現(xiàn)于元件的儲存方面。模擬仿真軟件能夠?qū)⒁粋€已經(jīng)編輯好的電路作為一整個元件作為一個“黑匣子”安裝在電路之中，簡化了組裝電路的復(fù)雜程度。在對電路進(jìn)行設(shè)計的時候，比如設(shè)計一個霓虹燈的電路時，將大量的用二極管做成的延時器加入電路中，做到隨意地控制霓虹燈的顏色變化以便于將燈光轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N圖案。通過將整個電路轉(zhuǎn)化為單個元件的方式來簡化電路的設(shè)計。

4 電子仿真實驗的局限性

雖然模擬仿真實驗有著諸多好處，但是仍有其缺點。首先模擬仿真試驗并不是實際實驗，在實際實驗的過程中還涉及到線路布置、跳接、電路調(diào)試等一系列問題，這些問題是必需要經(jīng)過實際的手操才能夠了解的。畢竟并不是所有的電路都像軟件里一樣自動的就變得整齊劃一，所以模擬仿真試驗仍舊只能作為輔助教學(xué)的工具來提高教學(xué)效率，并不能夠取代傳統(tǒng)的手動實驗方式。

5 結(jié)束語

電工電子實驗作為現(xiàn)代電子研究的重要一環(huán)，通過模擬仿真技術(shù)的導(dǎo)入，使得電工電子實驗技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。由于模擬仿真技術(shù)能夠做到傳統(tǒng)的電工電子實驗過程中不能做到或者難以實現(xiàn)的一些試驗情況，從而打破了傳統(tǒng)實驗方式的束縛。極大地促進(jìn)了電工電子實驗技術(shù)的發(fā)展。