电路虚拟实验系统

1、电路虚拟实验系统Virtual Experiment System Construction of Electronic CircuitLU YU e(Department of Basic Course,Xi an CommunicationInstitute,Xi an,710106,China)：The virtual experiment system is a sort of computer application system which simulates the physics experiment by multimedia technology and virtual t

2、echnology,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 experi

3、ment system,and also discusses virtual experiment as physics experiments.Keywords：electronic circuit;multimedia technology;virtual experiment;DC;sine AC电路实验教学一直是课堂教学的重要组成部分 , 是学员巩固 电路理论知识的主要手段，也是提高学员综合素质的重要途径。随着计算机及多媒体技术、仿真技术和虚拟技术的迅速发展 , 运 用现代新技术简便、快捷地完成电路实验一一电路虚拟实验系 统。虚拟电路实验就是结合电路的特点 , 利用计算机构造一个模 拟

4、实验环境 , 通过电路的建立和对数据与电路功能的分析 , 达到 实验的目的和要求。目前 ,电路的仿真软件很多 , 其中 Multisim 软件是比较常见的仿真实验工具。 但这些软件都是对原理电路的 仿真,各种元器件是以电路符号来实现的 , 与实物实验差别很大 , 而且软件不具有开放性 , 仿真只能在这些软件本身的环境下实 现。构建“电路虚拟实验系统” , 成功实现了仿真技术和多媒体 技术的有机结合 ,他既不同于以往的原理电路仿真 , 又不同于一 般多媒体软件对于实验现象的模拟演示 , 而是让学生在逼真的多 媒体“虚拟场景”中 , 利用各种“虚拟元件、仪器仪表”任意搭 接电路,并即时得到仿真结果

5、 ,学生可以在计算机上自主进行实 验,并自动记录实验过程和结果 , 最终生成实验报告。1 系统结构 系统就各单元内容分别设计若干典型的实验题目 , 并提供一 个开放的实验平台 , 也可以进行其他相关的一些实验。其结构包 括 5 个部分：实验准备、实验原理、实验步骤、仿真实验平台和 实验报告 ,如图 1 所示。其中, “实验准备”充分利用多媒体技术 介绍与实验相关的知识 , 例如, 基本原理、 注意事项以及实验中所 用到的相关仪器的功能及使用方法等 ; “实验原理”详细介绍该 实验的电路连接和工作原理等 ; “实验步骤”包括实验内容及实 验操作的具体步骤 ; “仿真实验平台”就是一个虚拟的实验系

6、统 虚拟了一个逼真的实验环境 , 元件及仪器都是以实物形式重现 的; “实验报告”能自动记录实验过程 , 绘制各种图表 , 并对结果 进行分析 , 最终生成实验报告。图 1 实验结构框图2 系统构建系统首先建立相应的虚拟模型 , 然后按照一定的规律用计算 机程序语言模拟实际运行状况 , 并根据大量模拟结果对系统或过 程进行分析 , 重点是利用一定的工具实现模拟实验环境 , 大大增 加实验的自由度和灵活性。2.1 实验仿真脚本的建立 系统的脚本决定了实验内容和完成实验的大概模样。 与传统 实验一样 , 虚拟实验系统在设置实验时首先解决该实验是“做什 么”的问题。 这就要求教学人员不仅要对课程内容

7、和教学任务做 系统深入的研究 , 掌握课程的特点 , 划分知识点 , 并充分考虑学生 的学习特点 , 在此基础上确定实验内容。 除了考虑实验的主题外 , 还必须尽可能利用多媒体效果提高实验的活泼性和趣味性 , 使学 生在愉悦的气氛中掌握知识。脚本规划如下 :(1) 提取知识点 , 分析各点之间的联系 ,并建立相应的模型 ;(2) 确定界面的形式 ;(3) 确定程序系统。2.2 虚拟模型的建立系统采用面向对象的方式建模。以直、交流电路实验为例 面向对象的建模一般从以下 4 个方面对系统进行描述。(1) 系统的组成部分。 他是构成系统的实体 ,包括: 物理对象 : 实验电路以及各种测量仪器等 ;数

8、学对象 : 产生实验结果的数据 集、电路功能分析 ; 人机界面对象 : 虚拟实验平台、 显示结果的电 压、电流及波形。(2) 描述变量。他是系统各实体的属性 ,例如, 实验电路各组 成部分的电气性能描述及其取值范围。(3) 参数。他也是系统属性 , 不过这种属性不随仿真的进行 而发生变化 ,包括取值范围、符号及其作用 ,例如: 反映实验结果 的电压、电流等。(4) 相互关系。 相互关系规定各种不同变量间是如何相互关 联的,用数学或逻辑语言来描述。 可通过传递消息建立 , 反映若干 对象之间的动态协作关系。2.3 实验平台实验平台的操作是用编程来实现的 , 包括各种颜色导线的连 接、元件的取放和

9、插拔、开关和按钮的操作等。可根据不同的实 验内容和要求 , 使用系统提供的各种元件、芯片和仪器仪表等 , 任意搭接连线。 大多数电路都可在其上完成。 实验结果和现象利 用“虚拟仪器” ,如万用表、 示波器等进行检测和观察 , 实验操作 及过程与实际的感受几乎相同。2.4 系统的特点虚拟实验系统实现了两个目的 : 一是利用多媒体技术最大限度地虚拟实际实验的场景 , 包括实验仪器、 元器件等 , 并提供与实 际实验的操作方法相类似的实践体验 ; 二是运用仿真技术建立相 应的模型 , 能准确地给出任意搭接电路的现象和结果。系统具有 如下优点 :(1) 在一台多媒体计算机上即可完成电路的电气连接及电

10、气性能的检测 ,例如,显示检测点的电压、电流波形 , 即时获得实 验结果 ;(2) 评估元器件参数变化 ( 包括故障 ) 对电路造成的影响。 分析一些较难测量的电路特性 , 如噪声、频谱、温漂等 ;(3) 可以在有限的实验课时里快速完成较复杂的电路连接、 测试工作 ;(4) 易实现对学生实验情况的量化评估。2.5 举例：虚拟实验仿真的步骤 一般电路的频域综合设计的完整过程是：网络函数的逼近， 电路的综合实现和频响特性的分析等三部分内容。 对一个复杂的 网络来说， 这三个内容都涉及大量而繁杂的数据计算。 人工手算 方法实际上对此无能为力， 而且容易出错， 因此只能借助电子计 算机这个现代手段。

11、计算机辅助实现是利用虚拟测量仪器、 实时 交互控制元件和多种受控信号源模型， 除了可以给出以数值和曲 线表示的分析结果外， 还可以用类似于真实实验室工作台的环境 和交互操作方法，由使用者控制分析过程，随时改变电路参数， 用虚拟仪器实时监测显示电路的变量值和波形。 虚拟实验仿真的步骤为：(1) 输入原理图， 即在工作区放置元件的原理图符号， 联接 导线，设置元件参数；(2) 放置和联接测量仪器，设置测量仪器参数；(3) 启动仿真开关，在仪器上读取仿真结果3 应用举例3.1 直流电路的仿真图 2 所示为一直流电路原理图， 若要求其中各支路的电流和 电压，则可根据电路原理图，按照仿真步骤，即可在电流

12、表和电 压表上读取支路电流和支路电压数值， 如图 3 所示。结果分析显 示如图 4 所示。图 2 直流电路原理图图 3 仿真直流电路接线图3.2 正弦交流电路的仿真对于交流电路， 求取结点电压和支路电流的有效值时， 和直 流电路一样， 可以将电流表串入支路中， 将电压表与需测电压的 部分并联，只是电流表和电压表要设置为交流， 启动仿真开关后， 即可从表计上读取电流和电压数值。图 5 所示为交流移相电路， 通过接入交流电流表和电压表可测得电路的电流和电阻上的电 压，并且还可从示波器显示的波形观察到， 电阻上电压的相位 ( 即 电流的相位 ) 超前电源电压 60，如图 6 所示；幅频特性和相频 特性如图 7 所示。图 4 直流分析结果图 5 交流电路图 6 交流电路中电流与电压的波形4 结语虚拟实验系统通过多媒体技术和仿真技术的有机结LL 合 ,虚拟出逼真的实验场景 ,通过相应数学模型的建立 , 提供与实际 实验的操作方法相类似的实践体验 , 尤其适于原理验证性实验。 作为实验教学的重要辅助手段 ,一方面 ,可以大大提高实验效率 和效果 , 拓宽学生由感性认识上升到理性认识的途径 , 使学生在 愉悦和主动的思维中牢固地掌握知识 ;另一方面 ,能更好地完善 实验教学的结构 , 激发学生的创造性思维。电路虚拟实验的实践 表明,虚拟实