電子電工實(shí)驗(yàn)中模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用分析

阮銘忠

（福建省湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福建 莆田 351254）

在傳統(tǒng)化的電子電工實(shí)驗(yàn)中，由于相關(guān)人員對(duì)于實(shí)驗(yàn)材料的不熟悉，或者是自身的動(dòng)手能力較差，導(dǎo)致最后所取得的實(shí)驗(yàn)效果非常不理想。而在利用模擬仿真技術(shù)之后，不僅可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)人員對(duì)于事物的整體感知，也能更為簡(jiǎn)單的理解實(shí)驗(yàn)中一些比較抽象的知識(shí)點(diǎn)。此外，也降低了設(shè)備在應(yīng)用過程中所存在的安全隱患，進(jìn)而增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可操作性和便捷性。

1 模擬仿真技術(shù)在電子電工中應(yīng)用的基本概念

電子電工的領(lǐng)域中，在設(shè)計(jì)EWB過程時(shí)，應(yīng)該將所有的設(shè)計(jì)理念都貫穿到其中，確保用戶界面的簡(jiǎn)潔性與安全性，進(jìn)而確保設(shè)備的完善程度。從相關(guān)的調(diào)查中就可以發(fā)現(xiàn)，EWB中，分析工具有14種，元器模型就有8000多個(gè)，而掃描分析的工具也有4種。從中就可以看出，電子電工的應(yīng)用范圍較廣。在電子設(shè)計(jì)平臺(tái)中，適當(dāng)?shù)募尤肽M仿真技術(shù)，可以更為精確的查看出觀測(cè)電路實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，讓它的敏感度有所提升，并且可以在條件和參數(shù)都會(huì)改變的情況下，查看電路的變化過程。

在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)用模擬仿真技術(shù)，實(shí)驗(yàn)者通過計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行電力的設(shè)計(jì)、檢測(cè)和分析工作，查看實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否科學(xué)。而在進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的過程中，可以通過這項(xiàng)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行檢驗(yàn)，查看實(shí)驗(yàn)方案的可行性，進(jìn)而減少掉對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的消耗。

2 電子電工實(shí)驗(yàn)中模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 降低實(shí)驗(yàn)成本

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中所需要的一般是由廠家所生產(chǎn)出來(lái)的設(shè)備和各種儀器，這些設(shè)備中，有的是軟件模塊，有的是硬件模塊。但是從整體的角度去看待這些設(shè)備，都具有一定的局限性，如靈活性較差，功能比較單一化，而且價(jià)格還比較高，所以需要投入的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)也更高。在實(shí)驗(yàn)過程中，會(huì)應(yīng)用到焊接元器件等多種設(shè)備，實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，還要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清掃，這樣不僅會(huì)花費(fèi)掉大量的時(shí)間，還要增加勞動(dòng)成本。而在計(jì)算機(jī)上安裝上了模擬仿真軟件之后，就可以解決以上所有的問題，在軟件中會(huì)提供一定的元器件和儀器令，讓實(shí)驗(yàn)人員可以將所有的精力都放置在實(shí)驗(yàn)中。

2.2 確保操作人員的生命安全

電子電工實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)點(diǎn)同電之間都有著非常緊密的聯(lián)系，尤其是在一些高壓電源中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)事故，這種事故不僅是對(duì)設(shè)備的損害，更是威脅到人的生命安全。例如，在芯片的插入環(huán)節(jié)，假設(shè)不正確的插入方式就會(huì)導(dǎo)致芯片燒壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐扇藛T的傷亡。而在利用了模擬仿真技術(shù)之后，就可以充分借助計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)來(lái)開展相應(yīng)的工作，不會(huì)直接接觸到真正的元器件。此外，在應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的時(shí)候，還可以激發(fā)實(shí)驗(yàn)者自身的創(chuàng)造能力，可以在EWB上隨意的設(shè)置故障，并且提供多種不同的電力分析模式，讓實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行多次的嘗試，這種方式也更為的靈活與便捷。

2.3 彌補(bǔ)原本實(shí)驗(yàn)中的缺陷

在實(shí)驗(yàn)室中，所準(zhǔn)備的元器件和各種儀器的數(shù)量都有一定的規(guī)定，而在大部分的情況下，只是提供一些比較常用的元器件，還有許多元器件的型號(hào)和種類在實(shí)驗(yàn)室中是沒有的。而在使用了模擬仿真技術(shù)之后，就可以彌補(bǔ)原本實(shí)驗(yàn)中的元器件匱乏的缺陷，這是因?yàn)樵贓WB中，存在著8000多個(gè)元器件，還有一些是在現(xiàn)實(shí)生活中沒有遇見的。這樣，實(shí)驗(yàn)者就可以在這樣的環(huán)境中，去完成一些比較困難的電子電工實(shí)驗(yàn)，確保實(shí)驗(yàn)的順利完成。

3 電子電工實(shí)驗(yàn)中模擬仿真技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用過程

3.1 電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的錄入工作

在電子電工實(shí)驗(yàn)開始之前，首先需要對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)的理論分析，根據(jù)事先所設(shè)計(jì)好的參數(shù)，利用仿真技術(shù)的基本性質(zhì)，來(lái)全面的分析電路的特點(diǎn)。然后將這些信息都打印出來(lái)，憑借著溝通與交流的方式在研究中尋找出一種最優(yōu)化的方式，確保各個(gè)元部件的參數(shù)都可以保持在一個(gè)比較正常的狀態(tài)下。其次，是利用模擬仿真技術(shù)對(duì)需要開展的實(shí)驗(yàn)和電路進(jìn)行理論性的分析，而在輸入元器件的時(shí)候，最好是提前就設(shè)計(jì)好前面的參數(shù)。再者，是利用仿真軟件來(lái)分析電路中的靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征，分析完成之后，按照相關(guān)的要求來(lái)展開輸入和打印。

在電工電子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中，有一個(gè)非常獨(dú)特的點(diǎn)，就是錄入數(shù)據(jù)比較多，如電壓、電流值和各種儀表盤的使用數(shù)據(jù)等，這些都是需要考慮到人機(jī)交互的便捷性。例如，在比賽中經(jīng)常會(huì)用到的搶答器，它的工作原理則是在搶下開關(guān)之后，燈就會(huì)亮起來(lái)，搶答器的原理則是利用EWB軟件來(lái)查找窗口，并從中查找需要的窗口和元件。在這一系列的工作完成之后，就需要進(jìn)行電路的連接，連接對(duì)于模擬仿真技術(shù)有著非常重要的作用。從最后的結(jié)論中就可以發(fā)現(xiàn)，在利用模擬仿真技術(shù)之后，大眾可以更為清楚的認(rèn)知到這項(xiàng)技術(shù)的重要性，將其更為廣泛的應(yīng)用到電子電工的實(shí)驗(yàn)中。

3.2 電路信息同模擬信息的對(duì)比工作

將現(xiàn)實(shí)中一些電路的信息同模擬的信息相對(duì)比，然后從中找出一些不同點(diǎn)，找出差異的原因則是對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和維修。而在整個(gè)過程中，都需要借助模擬仿真技術(shù)，例如在電力放大中，靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇必須要體現(xiàn)出合理的效果，也須要能從中充分的詮釋出放大器的作用。如果設(shè)施不合理，就會(huì)導(dǎo)致程序上出現(xiàn)失真，而在理論知識(shí)的講解中，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到其中，讓相關(guān)人員能夠?qū)D像和公式有一個(gè)更為深入的了解與掌握。通過EWB演示，從中得到一個(gè)比較直觀的結(jié)果。

如果是在專業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，EWB技術(shù)能夠幫助學(xué)生更為準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)電力分析技術(shù)，快速的得到電路中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的信息。例如，在直流電路的分析中，從圖1中就可以看出，這是驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律的電路圖。打開EWB軟件，選擇新建文件，從EWB元件庫(kù)中取出如圖1中所需的各種元器件，搭接電路圖，并在電路圖上加上標(biāo)注，如圖2所示。按下右上角的啟動(dòng)開關(guān)，進(jìn)行電路仿真，如圖3所示，由此驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律成立。而在實(shí)驗(yàn)開展的過程中，首先是從實(shí)驗(yàn)臺(tái)中取出所需元器件，其次是調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出直流電壓E1為12 V。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出直流電壓E2為6 V。最后，把萬(wàn)用表并聯(lián)到V1的位置，讀出數(shù)值，把萬(wàn)用表并聯(lián)到V2的位置。實(shí)現(xiàn)成為之后得到的結(jié)果則是出回路電壓的和基本上為0。

圖1 驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律的電路圖

圖2 驗(yàn)證基爾霍夫電流定律仿真圖

圖3 電路仿真

3.3 電力的性能和仿真分析

EWB可以對(duì)數(shù)字與混合電力進(jìn)行性能與仿真分析，其分析的方式，主要是構(gòu)建在元器件庫(kù)上的SPICE程序上。當(dāng)使用者創(chuàng)建出一個(gè)線路圖之后，就可以按下電源的開關(guān)，然后在示波器上讀出電路中被測(cè)的數(shù)據(jù)。如果結(jié)果同預(yù)測(cè)的有所不同，就可以輸入一些數(shù)據(jù)進(jìn)行重新比對(duì)檢驗(yàn)，這樣就可以得到一個(gè)最為理想化的結(jié)果。實(shí)際上，整個(gè)過程都是該軟件通過計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的一個(gè)表達(dá)式，并從中求得一個(gè)數(shù)值解，在電路中的每一個(gè)元器件，實(shí)際上都沒有一個(gè)固定的數(shù)學(xué)模型，因此這些元器件模型的精度也決定了電路仿真最后的結(jié)果。

例如，在仿真移位寄存器的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)一個(gè)以D觸發(fā)器所構(gòu)成的4個(gè)移位寄存器，將數(shù)據(jù)從串行端進(jìn)入到寄存器中。而在實(shí)際操作的過程中，則是取出4個(gè)觸發(fā)器，輸入點(diǎn)用開關(guān)來(lái)控制，各個(gè)觸發(fā)器上共用是cp，cp的輸入開關(guān)由空格鍵控制。再利用邏輯探測(cè)針進(jìn)行監(jiān)視，將數(shù)據(jù)1011依次輸入進(jìn)去，觀察出最后的結(jié)果。從實(shí)際的案例中就可以看出，仿真軟件可以更為直接的分析出電力圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而在電路調(diào)試的時(shí)候也更加的方便與快捷。

3.4 在信息和實(shí)驗(yàn)操作中的查詢服務(wù)

在應(yīng)用了模擬仿真技術(shù)之后，極大地解決了電子電工試驗(yàn)中的諸多問題，讓實(shí)驗(yàn)人員帶著更多的興趣去參與到實(shí)踐中，高仿真和相似性的模擬場(chǎng)面也可以讓實(shí)驗(yàn)者更為形象的觀察到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過程。例如，在專業(yè)教學(xué)中，教師通常會(huì)利用多媒體來(lái)開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，學(xué)生通過多媒體的畫面去感知，在感知完成之后，可以親身經(jīng)歷到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程中。這個(gè)過程也是對(duì)他們綜合能力的一種考驗(yàn)，能夠培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)者的觀察能力與創(chuàng)造能力。

同時(shí)，在現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用中，就以前面設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為依據(jù)，對(duì)計(jì)算機(jī)輸入的結(jié)果與電力測(cè)量狀況進(jìn)行比較。而在此基礎(chǔ)上，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)公共平臺(tái)上查詢到相關(guān)的信息和實(shí)驗(yàn)操作等多項(xiàng)服務(wù)，然后利用軟件來(lái)開展更為準(zhǔn)確的分析。實(shí)際應(yīng)用的過程中，在虛擬的電子實(shí)驗(yàn)室中，不僅可以對(duì)電路進(jìn)行仿真，還可以分析出它們的性能。在設(shè)計(jì)分析方式的時(shí)候，可以充分借助物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)建元器件庫(kù)模型，這樣實(shí)驗(yàn)者在設(shè)計(jì)完成電路圖之后，再來(lái)接通電源，讀出電路中的各種參數(shù)，為之后的測(cè)試奠定一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

模擬仿真技術(shù)是一種比較新型的技術(shù)，將其應(yīng)用到電子電工的實(shí)驗(yàn)中，可以更為充分地發(fā)揮出它潛在的優(yōu)勢(shì)與特征，減少實(shí)驗(yàn)中的問題與阻礙。由于這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用還處于一個(gè)初始階段，在開始應(yīng)用的過程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些問題。所以，相關(guān)人員在實(shí)踐的過程中，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行必要的完善與改進(jìn)，以此來(lái)滿足當(dāng)前社會(huì)的基本需求。