電工電子教學(xué)仿真軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐

周堅(jiān)

[摘? ? ? ? ? ?要]? 通過(guò)對(duì)仿真教學(xué)的研究，發(fā)現(xiàn)教學(xué)與設(shè)計(jì)對(duì)仿真要求的不同，自行開(kāi)發(fā)教學(xué)仿真軟件。通過(guò)對(duì)教學(xué)仿真軟件需求的分析，以所開(kāi)發(fā)軟件為例，進(jìn)行模塊劃分、功能分析，介紹開(kāi)發(fā)過(guò)程、開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)方法。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 仿真;教學(xué);visual studio;電路模塊

[中圖分類號(hào)]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）24-0016-02

利用信息技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)的模式與方法是推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的重要途徑。仿真是電類專業(yè)重要的工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方法，工程開(kāi)發(fā)工作中常用Multisim、Tina等專業(yè)仿真軟件也被用于教學(xué)，但教學(xué)工作不同于開(kāi)發(fā)工作，這些軟件雖然功能強(qiáng)大但并不完全適用于教學(xué)。通過(guò)對(duì)教學(xué)需求進(jìn)行分析，開(kāi)發(fā)基于電路模塊的教學(xué)仿真軟件。以下通過(guò)對(duì)實(shí)際案例的分析來(lái)說(shuō)明一般仿真軟件與教學(xué)仿真軟件的區(qū)別以及教學(xué)仿真軟件的開(kāi)發(fā)方法。

一、教學(xué)仿真軟件與仿真軟件、教學(xué)課件的區(qū)別

為便于敘述，以下將Multisim、Tina等專業(yè)仿真軟件簡(jiǎn)稱為“仿真軟件”。

（一）目的不同

仿真的目的是探索并用其驗(yàn)證電路。這就要求仿真軟件要仿得“真”，元器件模型的數(shù)學(xué)描述必須盡可能與真實(shí)的元器件保持一致;仿真軟件除提供示波器、萬(wàn)用表等常用儀表外，還提供功率表、波特圖儀等各種專業(yè)儀表。

教學(xué)仿真的目的是學(xué)習(xí)知識(shí)，它所要“仿”的電路都是經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證是正確的電路，它的“仿”是指模仿這個(gè)電路的真實(shí)工作過(guò)程;教學(xué)仿真對(duì)專業(yè)儀表的要求遠(yuǎn)低于仿真軟件，但卻需要提供熱源、光源、遮光罩、磁場(chǎng)等非電仿真要素。

（二）使用者不同

仿真軟件的使用者是有經(jīng)驗(yàn)的工程師、學(xué)習(xí)者，他們?cè)趯?shí)際工作中可以熟練使用萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器等各種儀器，對(duì)仿真軟件中幾乎與實(shí)物一致的儀表界面、測(cè)量方法會(huì)感覺(jué)非常熟悉、非?！罢妗?。教學(xué)仿真軟件的使用對(duì)象通常是初學(xué)者，使用中更注重?zé)袅?、?shù)字顯示、波形等更為直觀的現(xiàn)象。

（三）開(kāi)發(fā)難度不同

仿真軟件需要盡可能正確地“模仿”真實(shí)的器件，這需要對(duì)電子器件有深入的研究、建立強(qiáng)大的數(shù)學(xué)模型;仿真軟件的各種元器件可以任意組合，需要復(fù)雜的繪圖功能、精密的算法，防止各種邏輯錯(cuò)誤。教學(xué)仿真軟件是針對(duì)成熟電路的仿真，不論是電路還是電路中的參數(shù)都是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是正確的;對(duì)其功能的要求也限于教科書上的公式;電路的搭建基于電路模塊，連線數(shù)量及對(duì)線路連接分析的復(fù)雜程度遠(yuǎn)低于基于電子器件仿真軟件。

（四）教學(xué)仿真軟件與教學(xué)課件的區(qū)別

教學(xué)課件是預(yù)先錄制的，即便加上一些簡(jiǎn)單的交互，也只是取若干個(gè)預(yù)設(shè)的點(diǎn)，沒(méi)有數(shù)學(xué)工具對(duì)工作過(guò)程的算法描述。教學(xué)仿真軟件通過(guò)調(diào)節(jié)電位器面板、單擊按鈕、拔動(dòng)開(kāi)關(guān)等操作，軟件中波形、數(shù)值、顯示效果等隨之發(fā)生變化，而且與真實(shí)電路的工作過(guò)程相符。

二、教學(xué)仿真軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程

開(kāi)發(fā)教學(xué)仿真軟件首先要選擇適當(dāng)?shù)碾娐纷鳛殚_(kāi)發(fā)對(duì)象，其次要對(duì)這些電路進(jìn)行分析，分解出電路模塊，分析出哪些知識(shí)點(diǎn)是需要進(jìn)行呈現(xiàn)的，最后用代碼和工具將其呈現(xiàn)出來(lái)。

（一）選擇經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電路

教學(xué)仿真軟件所選擇的電路必須是經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證的，是正確的，要根據(jù)實(shí)物調(diào)試后記錄的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的理論知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)軟件。當(dāng)然，也可以選擇公認(rèn)的、經(jīng)典的電路，如運(yùn)算放大器電路、555振蕩電路等，這就不需要做成實(shí)物并驗(yàn)證。

（二）符合學(xué)習(xí)者當(dāng)前學(xué)習(xí)階段的要求

教學(xué)仿真也是仿真的一種，應(yīng)建立在電子、電工學(xué)模型的基礎(chǔ)上，但它又不同于仿真軟件，它只需要基于中高職教材中的知識(shí)。例如，三極管放大電路，專業(yè)仿真軟件需要設(shè)置或者使用默認(rèn)晶體管的數(shù)十個(gè)參數(shù)，而教學(xué)仿真軟件只需要用到β值等很少的幾個(gè)參數(shù)即可，其他如ICEO、ICBO參數(shù)不需要考慮。

三、教學(xué)仿真軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)踐

教學(xué)仿真軟件的開(kāi)發(fā)需要選擇合適的開(kāi)發(fā)工具，對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行科學(xué)的分析，然后才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作，以下通過(guò)一些實(shí)例來(lái)描述開(kāi)發(fā)過(guò)程。

（一）開(kāi)發(fā)工具

教學(xué)仿真軟件需要綜合利用圖形、圖像、視頻、動(dòng)畫、數(shù)據(jù)處理等元素，其中的核心是數(shù)據(jù)處理，要有運(yùn)算能力，按電路的數(shù)學(xué)模型來(lái)獲得不同的結(jié)果。開(kāi)發(fā)（RAD）工具Visual Studio是較好的選擇，編程語(yǔ)言選擇C#，也可以使用Visual Basic、C++等。

（二）開(kāi)發(fā)實(shí)例

教學(xué)仿真軟件選擇帶有模塊化設(shè)計(jì)思想的電路作為開(kāi)發(fā)對(duì)象，這類電路將各部分功能模塊化，模塊功能相對(duì)獨(dú)立，各模塊連接關(guān)系清晰，下面以若干例子來(lái)講解開(kāi)發(fā)過(guò)程。

1.光控流水燈教學(xué)仿真軟件

光控流水燈電路分成以下一些功能模塊：電源模塊、光敏電阻檢測(cè)模塊、可控振蕩電路模塊、CD4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊。

（1）電源模塊

使用7805作為穩(wěn)壓集成電路，在輸入端接入合適的電源后，提供5V電源給后級(jí)電路使用。此模塊設(shè)計(jì)了兩個(gè)功能：①按數(shù)據(jù)手冊(cè)，7805的輸入電壓在低于8V時(shí)不能保證其輸出電壓的穩(wěn)定。為此，外部供電電源高于8V時(shí)，模塊輸出5V電源，輸入電壓低于8V時(shí)，輸出電壓按0.6乘以輸入值來(lái)計(jì)算。②7805的輸入電壓最大為35V，超過(guò)該值時(shí)7805損壞，編程呈現(xiàn)7805損壞的圖像并令輸出電壓為0V。

（2）光敏電阻檢測(cè)模塊

這個(gè)模塊使用運(yùn)放制作的比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)，光敏電阻與電位器串聯(lián)，其連接點(diǎn)作為比較器的同相端輸入，運(yùn)放的反相端固定為2.5V。預(yù)設(shè)光敏電阻的阻值為20K，此阻值使無(wú)光照無(wú)遮擋時(shí)模塊輸出低電平。使用遮光罩（一個(gè)黑色的圓形圖案）移向光敏電阻上方，電阻值增加，同相端電壓上升，超過(guò)2.5V，比較器輸出高電平。調(diào)出電位器調(diào)節(jié)面板，調(diào)整阻值，可以調(diào)節(jié)光控靈敏度。

本模塊中用到電位器調(diào)整界面，運(yùn)行時(shí)通過(guò)鼠標(biāo)或者在觸摸屏上用手指來(lái)調(diào)整阻值大小，用label控件，顯示同相端和反相端的電壓值;用picbox控件顯示的亮/滅狀態(tài)的發(fā)光二極管圖片表示輸出端的狀態(tài)變化。

（3）可控振蕩電路模塊

用555電路制作的振蕩電路其第4腳為控制端，當(dāng)其分別為高/低電平時(shí)，振蕩電路工作/不工作?？烧{(diào)節(jié)電路中的電位器改變輸出頻率，設(shè)計(jì)了panel制作的示波器面板，電路工作時(shí)，示波面板上顯示波形圖及高、低電平持續(xù)時(shí)間等參數(shù)。

（4）CD4017流水燈模塊

CD4017在輸入端CLK脈沖的作用下，其輸出端Q0～Q9所接發(fā)光二極管依次點(diǎn)亮。在發(fā)光二極管圖案上方放置一個(gè)panel，在panel中放置10個(gè)picbox，通過(guò)編程來(lái)判斷Q0～Q9的狀態(tài)，根據(jù)這些狀態(tài)值分別為這些picbox調(diào)入亮/滅LED的圖案，即可觀察LED狀態(tài)。這個(gè)功能模塊接到前一級(jí)可控振蕩電路的輸出端，當(dāng)振蕩電路有輸出時(shí)，LED燈依次流動(dòng)，調(diào)整振蕩頻率時(shí)，燈流動(dòng)的速度也隨之發(fā)生變化。此外，仿真軟件中還設(shè)計(jì)了單脈沖發(fā)生器電路，通過(guò)單擊按鈕生成單脈沖，讓CD4017輸出端的LED燈依次點(diǎn)亮。這個(gè)功能可讓學(xué)生觀察CD4017的CLK端究竟是上升沿起作用還是下降沿起作用。

綜上所述，教學(xué)仿真軟件的各個(gè)功能模塊既可以單獨(dú)使用以測(cè)試其功能，又可以將它們連起來(lái)形成一個(gè)整體，獲得完整的功能體驗(yàn)。其中包括很多的可操作對(duì)象，如穩(wěn)壓電源的輸出電壓、測(cè)試按鈕、比較器預(yù)設(shè)值、振蕩電路頻率、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)等，可操作性很強(qiáng)。各種操作通過(guò)燈的亮、暗變化，波形的改變，數(shù)據(jù)的顯示等直觀地表達(dá)出來(lái)。這樣的教學(xué)仿真軟件，既便于教師安排相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)講解，也便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

2.音樂(lè)蠟燭教學(xué)仿真軟件

音樂(lè)蠟燭是可以用打火機(jī)“點(diǎn)燃”用嘴吹滅的電子蠟燭，點(diǎn)燃的蠟燭會(huì)唱生日快樂(lè)歌，同時(shí)有LED隨歌聲搖曳發(fā)光，十分逼真。電路分為熱敏電阻檢測(cè)、聲音檢測(cè)、比較器電路、RS觸發(fā)器、音樂(lè)集成電路等部分。仿真軟件中，熱敏電阻在熱源（打火機(jī)圖形）接近時(shí)阻值不斷下降，音樂(lè)電路可以在滿足工作條件時(shí)顯示動(dòng)態(tài)變化的揚(yáng)聲器圖標(biāo)并播放“生日快樂(lè)”歌。電路功能模塊中RS觸發(fā)器、音樂(lè)集成電路等既可以與其他電路連成一個(gè)整體也可單個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試，軟件提供高電平、低電平等測(cè)試功能模塊，即可分別測(cè)試這些功能模塊的工作過(guò)程，理解其工作原理。

3.電量檢測(cè)電路

電量檢測(cè)是利用一種新型的電量指示管來(lái)顯示可充電電池供電量的多少。這里采用電壓測(cè)量法，使用LM317可調(diào)穩(wěn)壓電路模擬電池電量的變化、TL431基準(zhǔn)源電路、恒流電路為核心構(gòu)成的測(cè)試基準(zhǔn)電壓生成電路、比較器電路、采樣電路、電量管電路等部分組成。其中LM317、恒流電路、基準(zhǔn)生成電路中均包括電位器，可以分別用作電池端電壓模擬、恒流電流大小調(diào)節(jié)，基準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)等功能，有顯示儀表，可以顯示電壓值、電流值、基準(zhǔn)電壓值等。

（三）RAD開(kāi)發(fā)工具

RAD工具的好處在于可視化的編輯與操作，通過(guò)簡(jiǎn)單的拖、放控件可設(shè)計(jì)出所需要的界面。然后通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各個(gè)控件之間的邏輯關(guān)聯(lián)，即可完成開(kāi)發(fā)工作。以目前所開(kāi)發(fā)的教學(xué)仿真軟件為例，它們所需要的控件基本上就是“l(fā)abel”“toolstrip”“picbox”“panel”等幾種類型。label用于顯示各類提示、運(yùn)算的結(jié)果等，toolstrip用于設(shè)計(jì)菜單，picbox用于存放各類圖片，panel用作容器，可以在其中放置多個(gè)picbox、label等其他控件，組成復(fù)合圖案。通過(guò)設(shè)置控制的visiable屬性即可令其顯示出來(lái)或者隱去，也可以利用其left、Top、width、height等參數(shù)靈活地實(shí)現(xiàn)尺寸、位置的變化。

四、仿真教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)的問(wèn)題

仿真教學(xué)軟件對(duì)開(kāi)發(fā)者的要求較高，開(kāi)發(fā)者必須具有專業(yè)電子知識(shí)，這樣才能選擇合適的電路來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā);開(kāi)發(fā)者還必須是優(yōu)秀的教師，這樣才能將電路分成合適的模塊，并且安排各模塊的功能及需要測(cè)試的功能，安排好仿真內(nèi)容。仿真教學(xué)軟件還需要編程，不論是使用C#、VB或者其他編程語(yǔ)言，要比PPT課件的制作要難一些。

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◎編輯 武生智