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(dòng)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(duì)于設(shè)備不熟悉的問題。在正式的操作過程中可能對(duì)儀器設(shè)備造成損傷從而引發(fā)危險(xiǎn)。通過模擬仿真技術(shù)的引入，讓傳統(tǒng)的電工電子實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的資源浪費(fèi)、安全風(fēng)險(xiǎn)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(jiǎn)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(shí)驗(yàn)法所沒有的優(yōu)點(diǎn)。模擬仿真技術(shù)是將整個(gè)電工電子實(shí)驗(yàn)的過程利用電腦軟件的方式進(jìn)行模擬，其操作方式簡(jiǎn)單，僅僅需要一臺(tái)電腦就能夠運(yùn)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(xiǎn)部件；實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀有效，可以通過實(shí)際的數(shù)值來準(zhǔn)確地測(cè)量和觀測(cè)結(jié)果。

2 模擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 仿真元件和儀器的真實(shí)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(hào)和特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)真實(shí)性的方面十分地優(yōu)秀。通過高仿真度的儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，也同時(shí)避免了因?yàn)樵O(shè)計(jì)失敗而損壞貴重元件的危險(xiǎn)出現(xiàn)。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)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(duì)每一步的運(yùn)行方式進(jìn)行細(xì)致化的分解，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)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(yàn)運(yùn)行的過程中還能夠顯示每個(gè)部件通電之后內(nèi)部的運(yùn)行流程，更加直觀的顯示了實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果。

2.3 操作過程更加簡(jiǎn)單安全

實(shí)驗(yàn)的操作過程簡(jiǎn)單方便，僅僅是在軟件中將實(shí)驗(yàn)器材拼裝起來，沒有手動(dòng)操作的過程，不會(huì)在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)觸電等危險(xiǎn)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的輔助替代品有著安裝簡(jiǎn)便、操作安全的優(yōu)點(diǎn)。

3 模擬仿真技術(shù)的作用

3.1 降低實(shí)驗(yàn)中引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的概率

電工電子實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)常需要接觸高壓部件和強(qiáng)電流。在實(shí)驗(yàn)過程中若是操作失誤或安裝上出現(xiàn)了錯(cuò)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(xiǎn)的，不僅會(huì)傷害實(shí)驗(yàn)者，還會(huì)造成大面積的火災(zāi)或是漏電風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用模擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，不僅能夠避免火災(zāi)或觸電等危險(xiǎn)，甚至還能夠向?qū)W生們演示一旦電子元件安裝錯(cuò)誤或是誤差會(huì)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(shí)驗(yàn)過程中，一位學(xué)生誤把一個(gè)二極管的方向接反了，導(dǎo)致電流無法順利通過這個(gè)單獨(dú)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(shí)驗(yàn)課程趕去救火。在運(yùn)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(huì)有危險(xiǎn)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(xiǎn)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(shí)驗(yàn)的過程中也可以逐漸熟悉實(shí)驗(yàn)的過程，起到為未來的正式實(shí)驗(yàn)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(yàn)平臺(tái)是在計(jì)算機(jī)等平臺(tái)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(gòu)入昂貴的電子元件，也不需要保證實(shí)驗(yàn)器材的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。在模擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，能夠通過調(diào)整軟件時(shí)間的流動(dòng)速度來確認(rèn)實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性，不僅節(jié)約了時(shí)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(yàn)不需要專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室，教師可以直接利用多媒體技術(shù)將實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yàn)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?yàn)樨?fù)載大于其所能承受的極限便會(huì)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(gè)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(jiǎn)單模擬危險(xiǎn)度高和難度高的實(shí)驗(yàn)

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(xiǎn)的高壓電路的運(yùn)行模式。由于模擬軟件上的安裝過程十分簡(jiǎn)單，所以能夠節(jié)省許多的教學(xué)時(shí)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(huì)有或多或少的問題出現(xiàn)。為了防止電路運(yùn)行過程中出現(xiàn)損壞或觸電危險(xiǎn)，可以運(yùn)用模擬仿真軟件的調(diào)試模式進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)行，之后再利用實(shí)際的材料進(jìn)行組裝和運(yùn)行。

例：在設(shè)計(jì)高壓變電系統(tǒng)的時(shí)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(xiǎn)的，且由于我國(guó)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)是十分危險(xiǎn)的。利用模擬仿真技術(shù)模擬這個(gè)過程，不僅能夠?qū)⑽ｋU(xiǎn)排除，也起到了實(shí)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(shí)驗(yàn)過程中器材不足的問題

在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)器材。這一點(diǎn)嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)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(shí)際操作，幾組學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的方法，使每個(gè)人在熟悉了電路的同時(shí)也經(jīng)歷了手動(dòng)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(yàn)無危險(xiǎn)性、成本低廉的特點(diǎn)，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(xiǎn)高價(jià)值的元件利用到實(shí)驗(yàn)過程之中，在不斷地失誤中尋找電子元件的可能性。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中，一個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shí)輸出穩(wěn)定的直流電。在模擬實(shí)驗(yàn)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(jì)了模擬的電路。通過利用二極管的單向?qū)щ娦灾谱饕粋€(gè)整流電路將交流電其中一個(gè)方向的電流阻隔掉，使雙向交流電變成一個(gè)僅有方向的脈沖式直流電；之后運(yùn)用以電感和電容的儲(chǔ)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(gè)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(gè)穩(wěn)定值。在實(shí)驗(yàn)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(gè)電路在模擬程序中穩(wěn)定地運(yùn)作了起來。

3.6 模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于電子電工實(shí)驗(yàn)的試運(yùn)行過程

在復(fù)雜電路的試運(yùn)行過程中，可以運(yùn)用模擬仿真技術(shù)對(duì)已經(jīng)完成設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行試運(yùn)行。在運(yùn)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(cè)系統(tǒng)對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)，能夠在給實(shí)驗(yàn)電路造成實(shí)質(zhì)性的損害之前及時(shí)找到出現(xiàn)問題的點(diǎn)，并對(duì)問題進(jìn)行處理。模擬仿真技術(shù)的這個(gè)特點(diǎn)不只能夠應(yīng)用在電工電子實(shí)驗(yàn)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(cuò)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(duì)已經(jīng)完成的電路進(jìn)行測(cè)試，利用模擬仿真技術(shù)的高仿真度來確定完好的電路運(yùn)行過程中的各種參數(shù)，通過與正在運(yùn)行的電路的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較，從而確定電路是否在正常的運(yùn)行。

3.7 運(yùn)用模擬仿真軟件的便利性

模擬仿真軟件作為一個(gè)軟件有著十分便捷的優(yōu)點(diǎn)。其便捷性主要體現(xiàn)于元件的儲(chǔ)存方面。模擬仿真軟件能夠?qū)⒁粋€(gè)已經(jīng)編輯好的電路作為一整個(gè)元件作為一個(gè)“黑匣子”安裝在電路之中，簡(jiǎn)化了組裝電路的復(fù)雜程度。在對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，比如設(shè)計(jì)一個(gè)霓虹燈的電路時(shí)，將大量的用二極管做成的延時(shí)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(gè)電路轉(zhuǎn)化為單個(gè)元件的方式來簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)。

4 電子仿真實(shí)驗(yàn)的局限性

雖然模擬仿真實(shí)驗(yàn)有著諸多好處，但是仍有其缺點(diǎn)。首先模擬仿真試驗(yàn)并不是實(shí)際實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)的就變得整齊劃一，所以模擬仿真試驗(yàn)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(dòng)實(shí)驗(yàn)方式。

5 結(jié)束語(yǔ)

電工電子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中不能做到或者難以實(shí)現(xiàn)的一些試驗(yàn)情況，從而打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的束縛。極大地促進(jìn)了電工電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。