电子技术教学中虚拟实验系统的设计

上官晋太

（长治学院 计算机系，山西 长治 046011）

电子技术教学中虚拟实验系统的设计

上官晋太

（长治学院 计算机系，山西 长治 046011）

合理的实验课程设计有利于学生对理论的理解，也有助于激发学生学习的兴趣。文章利用虚拟实验技术开展仿真实验，具有灵活，方便的特点。通过实际应用效果良好。

电子技术；虚拟实验；仿真；实验设计

1 引言

在电子技术的实验教学过程中，由于实验器件损坏使得部分实验难易进行。利用虚拟实验技术可以在一定程度上解决这个问题。虚拟实验技术利用了计算机的仿真优势，可以在没有设备实物的情况下，在远离实验室的地方最大程度的帮助学生设计实验，并且形象地观察到实验的结果[1-3]。虚拟实验的另一个优势是学生可以用最短的时间改变实验参数，动态的展现参数变化和实验结果的关系，有利于帮助学生理解实验内容的本质，在真正意义上让学生主导实验的过程，避免学生让实验指导书牵着走，被动的接受实验结论这样的结果存在[4-5]。在虚拟实验软件中EWB以其使用简单，占用资源少，对硬件要求低的优势受到了很多人的关注。

2 系统组成

按教学大纲的要求，电子技术课程包括电路理论和模拟电子技术两部分内容。本着由浅入深、强调基础、验证性和设计性相结合的理念，对应于课程的理论知识设计了相应的实验部分内容。本系统的设计包括利用EWB构建如下几方面的实验：直流电路的分析，交流电路的分析，电路的暂态分析，晶体管放大电路分析，负反馈放大电路的分析和信号产生电路的分析。文章以信号产生电路为例说明用EWB构建虚拟实验的方法和过程。其中包括正弦振荡电路、方波-三角波产生电路和矩形波-锯齿波产生电路。文章分别讨论了电路的构成方法和输出波形。

3 虚拟实验设计

图1 正弦振荡电路

（1）RC正弦振荡电路。此电路是依靠自身的自激震荡产生一定幅度、一定频率的正弦信号的电路。电路构成如图1所示，图中两个反向连接的二极管和20 k电阻并联形成非线性的反馈电阻网络。此网络再与可变电阻串联接入集成运放的反相端构成同相比例放大电路。非线性电阻网络的作用是为了开始加电的时候使电路处于放大状态，经过循环放大得到一定的幅度值，然后转入到稳幅状态。选频网络由RC串并联电路组成，其中可变电阻用来对输出正弦信号频率进行微调，并联电容组实现频率的粗调。在输出端分别用示波器和电压表来显示和测量输出波形。

图2 输出正弦波形

在图2中测量出正弦波的周期T为20 ms，计算可知正弦波的频率为50 Hz。在图1中RC选频网络的电阻为32 kΩ，电容为0.1 μF代入如下公式：

可得：f0=49.76 Hz，可见计算结果和实际测量频率高度吻合。用EWB的暂态分析功能可得图3所示结果，可清楚的观察到电路的起振过程。

图3 电路起振过程

（2）方波-三角波产生电路，图4为其电路构成。集成运算放大器A1接成正反馈，接通电源后，A1的输出为饱和输出，波形为方波。集成运放A2接成积分电路，对前面输出的方波进行积分，输出为三角波。图5是方波和三角波输出的对比图。由于正反两个方向的积分通路是相同的，所以时间常数也相同，这样在两个集成运放的输出端就会分别得到方波和三角波。经计算波形的周期如下：

图4 方波-三角波电路

图5 输出方波和三角波波形

(3)矩形波-锯齿波产生电路。如果用加入二极管的方法改变充电和放电两个方向的积分通路，即改变电容的充电和放电常数，可以在两个集成运放的输出端分别得到占空比不同的矩形波和锯齿波输出。电路图如图6所示，图7是其输出波形。可以看到输出矩形波的占空比小于0.5。由分析可知锯齿波的上升时间T1和下降时间T2分别为：

因此锯齿波的周期为：

4 结束语

利用虚拟实验技术不仅可以解决电子技术课程实验教学中实验设备不足的问题，同时可以把实验室“搬回”到学生宿舍，带在学生身边，随时随地可以进行实验设计和仿真。即使在课堂上学生也可以把理论上学到的东西用实验的办法即时仿真出来，加强了理论教学的效果，培养了学生学习的兴趣。通过多年的教学实践证明，在电子技术课程的教学过程中把实物实验设备和虚拟实验手段有机的结合起来，充分利用各自的优势可以有效的提高学生的学习成绩。虚拟实验技术在电子设计大赛中也以快速、方便的特点受到同学们的欢迎。参赛同学可以利用此技术免去繁琐的电路搭建，直接看到输出结果，实时的改变电路参数或结构为作品的完成赢得时间。实践证明，无论是在教学过程中还是工程应用中虚拟实验系统都可以起到很好的作用。

图6 矩形波-锯齿波电路

图7 输出矩形波和锯齿波波形

［1］徐余宝.基于Multisim的虚拟电子实验系统设计［J］.哈尔滨师范大学自然科学学报,2015,31(1): 73-75.

［2］陈群英.基于虚拟实验平台的教学改革［J］.科技与创新,2015,(17):120-121.

［3］周教生.虚拟电子实验系统的设计与实现［J］.自动化与仪器仪表,2015,(6):108-110.

［4］张红宾，赵二刚，张颖.虚拟仿真在电子类实验教学中的应用探讨［J］.实验室科学,2015,18(3):44-47.

［5］王斌张国强.虚拟仪器技术在电子学实验中的应用实践［J］.实验科学与技术,2015,13(3):61-63.

（责任编辑 张剑妹）

TP391.9

A

1673-2015（2015）05-0078-03

山西省高等学校科技创新项目（2013160）；长治学院教研项目(JY201414)。

2015—05—16

上官晋太（1964—）男，山西阳城人，博士，副教授，主要从事数字图像处理教学与研究。