電子技術(shù)教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上官晉太

（長治學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，山西 長治 046011）

電子技術(shù)教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上官晉太

（長治學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，山西 長治 046011）

合理的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)有利于學(xué)生對理論的理解，也有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。文章利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展仿真實(shí)驗(yàn)，具有靈活，方便的特點(diǎn)。通過實(shí)際應(yīng)用效果良好。

電子技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)；仿真；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1 引言

在電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于實(shí)驗(yàn)器件損壞使得部分實(shí)驗(yàn)難易進(jìn)行。利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以在一定程度上解決這個(gè)問題。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)利用了計(jì)算機(jī)的仿真優(yōu)勢，可以在沒有設(shè)備實(shí)物的情況下，在遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室的地方最大程度的幫助學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并且形象地觀察到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[1-3]。虛擬實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)優(yōu)勢是學(xué)生可以用最短的時(shí)間改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，動態(tài)的展現(xiàn)參數(shù)變化和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系，有利于幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的本質(zhì)，在真正意義上讓學(xué)生主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的過程，避免學(xué)生讓實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書牽著走，被動的接受實(shí)驗(yàn)結(jié)論這樣的結(jié)果存在[4-5]。在虛擬實(shí)驗(yàn)軟件中EWB以其使用簡單，占用資源少，對硬件要求低的優(yōu)勢受到了很多人的關(guān)注。

2 系統(tǒng)組成

按教學(xué)大綱的要求，電子技術(shù)課程包括電路理論和模擬電子技術(shù)兩部分內(nèi)容。本著由淺入深、強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)、驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性相結(jié)合的理念，對應(yīng)于課程的理論知識設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括利用EWB構(gòu)建如下幾方面的實(shí)驗(yàn)：直流電路的分析，交流電路的分析，電路的暫態(tài)分析，晶體管放大電路分析，負(fù)反饋放大電路的分析和信號產(chǎn)生電路的分析。文章以信號產(chǎn)生電路為例說明用EWB構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)的方法和過程。其中包括正弦振蕩電路、方波-三角波產(chǎn)生電路和矩形波-鋸齒波產(chǎn)生電路。文章分別討論了電路的構(gòu)成方法和輸出波形。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 正弦振蕩電路

（1）RC正弦振蕩電路。此電路是依靠自身的自激震蕩產(chǎn)生一定幅度、一定頻率的正弦信號的電路。電路構(gòu)成如圖1所示，圖中兩個(gè)反向連接的二極管和20 k電阻并聯(lián)形成非線性的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)再與可變電阻串聯(lián)接入集成運(yùn)放的反相端構(gòu)成同相比例放大電路。非線性電阻網(wǎng)絡(luò)的作用是為了開始加電的時(shí)候使電路處于放大狀態(tài)，經(jīng)過循環(huán)放大得到一定的幅度值，然后轉(zhuǎn)入到穩(wěn)幅狀態(tài)。選頻網(wǎng)絡(luò)由RC串并聯(lián)電路組成，其中可變電阻用來對輸出正弦信號頻率進(jìn)行微調(diào)，并聯(lián)電容組實(shí)現(xiàn)頻率的粗調(diào)。在輸出端分別用示波器和電壓表來顯示和測量輸出波形。

圖2 輸出正弦波形

在圖2中測量出正弦波的周期T為20 ms，計(jì)算可知正弦波的頻率為50 Hz。在圖1中RC選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻為32 kΩ，電容為0.1 μF代入如下公式：

可得：f0=49.76 Hz，可見計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測量頻率高度吻合。用EWB的暫態(tài)分析功能可得圖3所示結(jié)果，可清楚的觀察到電路的起振過程。

圖3 電路起振過程

（2）方波-三角波產(chǎn)生電路，圖4為其電路構(gòu)成。集成運(yùn)算放大器A1接成正反饋，接通電源后，A1的輸出為飽和輸出，波形為方波。集成運(yùn)放A2接成積分電路，對前面輸出的方波進(jìn)行積分，輸出為三角波。圖5是方波和三角波輸出的對比圖。由于正反兩個(gè)方向的積分通路是相同的，所以時(shí)間常數(shù)也相同，這樣在兩個(gè)集成運(yùn)放的輸出端就會分別得到方波和三角波。經(jīng)計(jì)算波形的周期如下：

圖4 方波-三角波電路

圖5 輸出方波和三角波波形

(3)矩形波-鋸齒波產(chǎn)生電路。如果用加入二極管的方法改變充電和放電兩個(gè)方向的積分通路，即改變電容的充電和放電常數(shù)，可以在兩個(gè)集成運(yùn)放的輸出端分別得到占空比不同的矩形波和鋸齒波輸出。電路圖如圖6所示，圖7是其輸出波形。可以看到輸出矩形波的占空比小于0.5。由分析可知鋸齒波的上升時(shí)間T1和下降時(shí)間T2分別為：

因此鋸齒波的周期為：

4 結(jié)束語

利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)不僅可以解決電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題，同時(shí)可以把實(shí)驗(yàn)室“搬回”到學(xué)生宿舍，帶在學(xué)生身邊，隨時(shí)隨地可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真。即使在課堂上學(xué)生也可以把理論上學(xué)到的東西用實(shí)驗(yàn)的辦法即時(shí)仿真出來，加強(qiáng)了理論教學(xué)的效果，培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。通過多年的教學(xué)實(shí)踐證明，在電子技術(shù)課程的教學(xué)過程中把實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬實(shí)驗(yàn)手段有機(jī)的結(jié)合起來，充分利用各自的優(yōu)勢可以有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在電子設(shè)計(jì)大賽中也以快速、方便的特點(diǎn)受到同學(xué)們的歡迎。參賽同學(xué)可以利用此技術(shù)免去繁瑣的電路搭建，直接看到輸出結(jié)果，實(shí)時(shí)的改變電路參數(shù)或結(jié)構(gòu)為作品的完成贏得時(shí)間。實(shí)踐證明，無論是在教學(xué)過程中還是工程應(yīng)用中虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都可以起到很好的作用。

圖6 矩形波-鋸齒波電路

圖7 輸出矩形波和鋸齒波波形

［1］徐余寶.基于Multisim的虛擬電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2015,31(1): 73-75.

［2］陳群英.基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)改革［J］.科技與創(chuàng)新,2015,(17):120-121.

［3］周教生.虛擬電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動化與儀器儀表,2015,(6):108-110.

［4］張紅賓，趙二剛，張穎.虛擬仿真在電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2015,18(3):44-47.

［5］王斌張國強(qiáng).虛擬儀器技術(shù)在電子學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2015,13(3):61-63.

（責(zé)任編輯 張劍妹）

TP391.9

A

1673-2015（2015）05-0078-03

山西省高等學(xué)校科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2013160）；長治學(xué)院教研項(xiàng)目(JY201414)。

2015—05—16

上官晉太（1964—）男，山西陽城人，博士，副教授，主要從事數(shù)字圖像處理教學(xué)與研究。