摘 要：虛擬實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用多媒體技術(shù)和虛擬技術(shù)來(lái)仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，可以大大提高實(shí)驗(yàn)效率和效果，拓寬學(xué)生由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的途徑，能更好地完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立和實(shí)踐表明，虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間及空間的限制，學(xué)生可以自主地完成實(shí)驗(yàn)，鞏固理論學(xué)習(xí)成果，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力。對(duì)電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了探討，并以兩個(gè)實(shí)際電路仿真進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：電路；多媒體技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)；直流電路；正弦交流電路

中圖分類號(hào)：TM13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-158-03

Virtual Experiment System Construction of Electronic Circuit

LU Yu′e

(Department of Basic Course，Xi′an Communication Institute，Xi′an，710106，China)

Abstract：The virtual experiment system is a sort of computer application system which simulates the physics experiment by multimedia technology and virtual technology，it can improve experiment efficiency and structrue of experiment teaching.The electronic virtual experiment system practice proves that it can′t be limited by time and space，also it can improve capability of students.The paper discusses the construction of electronic circuit virtual experiment system，and also discusses virtual experiment as physics experiments.

Keywords：electronic circuit;multimedia technology;virtual experiment;DC;sine AC

電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是課堂教學(xué)的重要組成部分，是學(xué)員鞏固電路理論知識(shí)的主要手段，也是提高學(xué)員綜合素質(zhì)的重要途徑。隨著計(jì)算機(jī)及多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)的迅速發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代新技術(shù)簡(jiǎn)便、快捷地完成電路實(shí)驗(yàn)——電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。虛擬電路實(shí)驗(yàn)就是結(jié)合電路的特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過電路的建立和對(duì)數(shù)據(jù)與電路功能的分析，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的和要求。目前，電路的仿真軟件很多，其中Multisim 軟件是比較常見的仿真實(shí)驗(yàn)工具。但這些軟件都是對(duì)原理電路的仿真，各種元器件是以電路符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與實(shí)物實(shí)驗(yàn)差別很大，而且軟件不具有開放性，仿真只能在這些軟件本身的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。構(gòu)建“電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，成功實(shí)現(xiàn)了仿真技術(shù)和多媒體技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，他既不同于以往的原理電路仿真，又不同于一般多媒體軟件對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的模擬演示，而是讓學(xué)生在逼真的多媒體“虛擬場(chǎng)景”中，利用各種“虛擬元件、儀器儀表”任意搭接電路，并即時(shí)得到仿真結(jié)果，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，最終生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)就各單元內(nèi)容分別設(shè)計(jì)若干典型的實(shí)驗(yàn)題目，并提供一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也可以進(jìn)行其他相關(guān)的一些實(shí)驗(yàn)。其結(jié)構(gòu)包括5個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，如圖1所示。其中，“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”充分利用多媒體技術(shù)介紹與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)，例如，基本原理、注意事項(xiàng)以及實(shí)驗(yàn)中所用到的相關(guān)儀器的功能及使用方法等;“實(shí)驗(yàn)原理”詳細(xì)介紹該實(shí)驗(yàn)的電路連接和工作原理等;“實(shí)驗(yàn)步驟”包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)操作的具體步驟;“仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”就是一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，虛擬了一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，元件及儀器都是以實(shí)物形式重現(xiàn)的;“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”能自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過程，繪制各種圖表，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，最終生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)首先建立相應(yīng)的虛擬模型，然后按照一定的規(guī)律用計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言模擬實(shí)際運(yùn)行狀況，并根據(jù)大量模擬結(jié)果對(duì)系統(tǒng)或過程進(jìn)行分析，重點(diǎn)是利用一定的工具實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，大大增加實(shí)驗(yàn)的自由度和靈活性。

2.1 實(shí)驗(yàn)仿真腳本的建立

系統(tǒng)的腳本決定了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和完成實(shí)驗(yàn)的大概模樣。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一樣，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)首先解決該實(shí)驗(yàn)是“做什么”的問題。這就要求教學(xué)人員不僅要對(duì)課程內(nèi)容和教學(xué)任務(wù)做系統(tǒng)深入的研究，掌握課程的特點(diǎn)，劃分知識(shí)點(diǎn)，并充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。除了考慮實(shí)驗(yàn)的主題外，還必須盡可能利用多媒體效果提高實(shí)驗(yàn)的活潑性和趣味性，使學(xué)生在愉悅的氣氛中掌握知識(shí)。腳本規(guī)劃如下:

(1) 提取知識(shí)點(diǎn)，分析各點(diǎn)之間的聯(lián)系，并建立相應(yīng)的模型;

(2) 確定界面的形式;

(3) 確定程序系統(tǒng)。

2.2 虛擬模型的建立

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆绞浇?。以直、交流電路?shí)驗(yàn)為例，面向?qū)ο蟮慕Ｒ话銖囊韵?個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述。

(1) 系統(tǒng)的組成部分。他是構(gòu)成系統(tǒng)的實(shí)體，包括:物理對(duì)象:實(shí)驗(yàn)電路以及各種測(cè)量?jī)x器等;數(shù)學(xué)對(duì)象:產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)集、電路功能分析;人機(jī)界面對(duì)象:虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、顯示結(jié)果的電壓、電流及波形。

(2) 描述變量。他是系統(tǒng)各實(shí)體的屬性，例如，實(shí)驗(yàn)電路各組成部分的電氣性能描述及其取值范圍。

(3) 參數(shù)。他也是系統(tǒng)屬性，不過這種屬性不隨仿真的進(jìn)行而發(fā)生變化，包括取值范圍、符號(hào)及其作用，例如:反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果的電壓、電流等。

(4) 相互關(guān)系。相互關(guān)系規(guī)定各種不同變量間是如何相互關(guān)聯(lián)的，用數(shù)學(xué)或邏輯語(yǔ)言來(lái)描述。可通過傳遞消息建立，反映若干對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)協(xié)作關(guān)系。

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作是用編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括各種顏色導(dǎo)線的連接、元件的取放和插拔、開關(guān)和按鈕的操作等?？筛鶕?jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，使用系統(tǒng)提供的各種元件、芯片和儀器儀表等，任意搭接連線。大多數(shù)電路都可在其上完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)象利用“虛擬儀器”，如萬(wàn)用表、示波器等進(jìn)行檢測(cè)和觀察，實(shí)驗(yàn)操作及過程與實(shí)際的感受幾乎相同。

2.4 系統(tǒng)的特點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)目的:一是利用多媒體技術(shù)最大限度地虛擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景，包括實(shí)驗(yàn)儀器、元器件等，并提供與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作方法相類似的實(shí)踐體驗(yàn);二是運(yùn)用仿真技術(shù)建立相應(yīng)的模型，能準(zhǔn)確地給出任意搭接電路的現(xiàn)象和結(jié)果。系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1) 在一臺(tái)多媒體計(jì)算機(jī)上即可完成電路的電氣連接及電氣性能的檢測(cè)，例如，顯示檢測(cè)點(diǎn)的電壓、電流波形，即時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果;

(2) 評(píng)估元器件參數(shù)變化(包括故障) 對(duì)電路造成的影響。分析一些較難測(cè)量的電路特性，如噪聲、頻譜、溫漂等;

(3) 可以在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)里快速完成較復(fù)雜的電路連接、測(cè)試工作;

(4) 易實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況的量化評(píng)估。

2.5 舉例：虛擬實(shí)驗(yàn)仿真的步驟

一般電路的頻域綜合設(shè)計(jì)的完整過程是：網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的逼近，電路的綜合實(shí)現(xiàn)和頻響特性的分析等三部分內(nèi)容。對(duì)一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說，這三個(gè)內(nèi)容都涉及大量而繁雜的數(shù)據(jù)計(jì)算。人工手算方法實(shí)際上對(duì)此無(wú)能為力，而且容易出錯(cuò)，因此只能借助電子計(jì)算機(jī)這個(gè)現(xiàn)代手段。計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)是利用虛擬測(cè)量?jī)x器、實(shí)時(shí)交互控制元件和多種受控信號(hào)源模型，除了可以給出以數(shù)值和曲線表示的分析結(jié)果外，還可以用類似于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)的環(huán)境和交互操作方法，由使用者控制分析過程，隨時(shí)改變電路參數(shù)，用虛擬儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示電路的變量值和波形。虛擬實(shí)驗(yàn)仿真的步驟為：

(1) 輸入原理圖，即在工作區(qū)放置元件的原理圖符號(hào)，聯(lián)接導(dǎo)線，設(shè)置元件參數(shù)；

(2) 放置和聯(lián)接測(cè)量?jī)x器，設(shè)置測(cè)量?jī)x器參數(shù)；

(3) 啟動(dòng)仿真開關(guān)，在儀器上讀取仿真結(jié)果

3 應(yīng)用舉例

3.1 直流電路的仿真

圖2所示為一直流電路原理圖，若要求其中各支路的電流和電壓，則可根據(jù)電路原理圖，按照仿真步驟，即可在電流表和電壓表上讀取支路電流和支路電壓數(shù)值，如圖3所示。結(jié)果分析顯示如圖4所示。

圖2 直流電路原理圖

圖3 仿真直流電路接線圖

3.2 正弦交流電路的仿真

對(duì)于交流電路，求取結(jié)點(diǎn)電壓和支路電流的有效值時(shí)，和直流電路一樣，可以將電流表串入支路中，將電壓表與需測(cè)電壓的部分并聯(lián)，只是電流表和電壓表要設(shè)置為交流，啟動(dòng)仿真開關(guān)后，即可從表計(jì)上讀取電流和電壓數(shù)值。圖5所示為交流移相電路，通過接入交流電流表和電壓表可測(cè)得電路的電流和電阻上的電壓，并且還可從示波器顯示的波形觀察到，電阻上電壓的相位(即電流的相位)超前電源電壓60°，如圖6所示；幅頻特性和相頻特性如圖7所示。

圖4 直流分析結(jié)果

圖5 交流電路

圖6 交流電路中電流與電壓的波形

4 結(jié) 語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)的有機(jī)結(jié)[LL]合，虛擬出逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，通過相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的建立，提供與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作方法相類似的實(shí)踐體驗(yàn)，尤其適于原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要輔助手段，一方面，可以大大提高實(shí)驗(yàn)效率和效果，拓寬學(xué)生由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的途徑，使學(xué)生在愉悅和主動(dòng)的思維中牢固地掌握知識(shí);另一方面，能更好地完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。電路虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐表明，虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間及空間的限制，學(xué)生可以自主地完成實(shí)驗(yàn)。但虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，目前僅僅涉及簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，還有許多理論和技術(shù)問題有待進(jìn)一步的探討，因此，在現(xiàn)有條件下，虛擬實(shí)驗(yàn)是不可能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)的。實(shí)物實(shí)驗(yàn)過程中的元件參數(shù)分散性、誤差、噪聲等現(xiàn)象是客觀存在的，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的真切感受和創(chuàng)造性思維是至關(guān)重要的，必須給予足夠的重視。

圖7 幅頻特性和相頻特性

參 考 文 獻(xiàn)

［1］張占松.電路與系統(tǒng)仿真實(shí)踐［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.

［2］高偉濤.PSPICE8.0電路設(shè)計(jì)實(shí)例精粹［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［3］汪詩(shī)林，吳泉源.開展虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用［J ］.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2000，22(2):33-35.

作者簡(jiǎn)介

陸玉娥 女，1951年出生，江蘇無(wú)錫市人，副教授。主要從事網(wǎng)絡(luò)分析綜合、電路基礎(chǔ)教學(xué)研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。