电路理论虚拟实验系统的设计与实现

　　摘要：实验教学是高等教育及网络远程教育的一个重要环节，Lab VIEW是一种功能强大的虚拟仪器开发平台，电路理论虚拟实验是利用计算机构造一个基于Lab view的实验模拟环境，通过电路的建立和对数据与电路功能的分析，达到实验效果和目的的一种新的实验方法，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进电路实验教学的现代化。
　　关键词：虚拟实验；Lab view；电路理论；远程教育
　　
　　一、引言
　　
　　实验，是多数工程类课程和应用类课程的重要一环，对培养学生的观察和实验能力，实事求是的科学态度，引起学习兴趣都有不可替代的作用。实验教学正是通过让学生亲自动手操作，观察事物发展及变化，加深理解和认识从而使学生的观察、思维、分析能力和创新精神得到培养和提高。虚拟技术是近年发展起来的，利用计算机模仿真实过程的实用技术，Lab VIEW作为一个功能强大的图形化编程软件，是开发虚拟仪器的一种方便快捷的工具。电子理论虚拟实验正是利用计算机构造一个基于Lab view的实验模拟环境，通过电路的建立和对数据与电路功能的分析，达到实验效果和目的的一种新的实验方法。电路理论虚拟实验平台的开发，不仅可以改变传统教学方式，也能满足不同领域、不同用户的需求。
　　电路理论是一门较为抽象的理论型课程。在学习电路理论时必须理论联系实际，抓好教学中的实验环节，让学生能根据自己的实际情况，结合教师的教学要求进行实验操作，验证所学到的电路原理。但是，学生在实验中出现的种种现象又不尽人意，暴露了传统实物实验的一些固有缺陷。例如：
　　学生不熟悉电路连接，实验时极易出错，造成电子元器件及测试仪器的损坏。
　　学生不能根据自己的学习进度安排实验时间，更不能像做家庭作业一样在课余时间进行练习。有限的教学时数与学生技能的提高矛盾突出。
　　实验的元器件离散性、环境变化可能引起实验数据的偏差。
　　传统的电子技术实验是以实物为主的，设备易磨损老化，需要定期更新，消耗我们有限的教学经费。
　　基于Lab view的虚拟实验技术恰好能够弥补传统实验的不足。它的优点是：在计算机上即可完成和实现电路的电气连接，检测电路的性能，及时获得实验结果；可以在短暂的实验时间里快速完成较复杂的电路连接、测试工作；可以很容易地实现对学生的量化评估。
　　
　　二、开发目标
　　
　　本实验系统是根据大学《电路理论》课程配套开发的可在网上开展的虚拟实验，提供与真实实验相近的环境，可满足实验教学环节的需要，尤其适用于远程教学。针对课程的教学内容，参看了教育部相关文件、多种电路分析实验指导书，以及多个高校的实验指导书，文章提取出以下八个典型实验：
　　实验一：元件的伏安特性；
　　实验二：基尔霍夫定律的验证；
　　实验三：戴维南定理的验证；
　　实验四：一阶RC电路的响应；
　　实验五：正弦稳态电路参数的测定；
　　实验六：功率因数的提高；
　　实验七：RLC串联电路的谐振；
　　实验八：三相电路中电压，电流和功率的测量。
　　
　　三、虚拟实验系统简介
　　
　　电路理论虚拟实验系统提供一个虚拟实验平台，其核心是对电路作数值计算的程序，也就是“电路仿真程序”。利用平台，教学的模式实现了“实验”和理论紧密配合。该系统可以用在电路技术基础课程的辅助教学上，诸如：电路理论、电路分析等。在广度和深度上可以满足高校本科、高职乃至中等职业学校电类或非电类不同层次的相类似课程的教学需要。
　　（一）实验平台
　　本系统是用虚拟仪器工具Lab VIEW开发环境下制作完成的，界面非常直观，数据分析、数据显示、及波形显示均简单易懂，适合学生自学完成。
　　虚拟实验操作平台界面，一般分为参数设置、观察数据和波形显示三部分：
　　【参数设置】
　　在面板上的工具栏Window中选择“Show Tools Palette”，在弹出的工具框中选中Edit Text后，即可将鼠标移至参数设置处，根据需要任意设置元件参数，设置完毕后，按运行键运行。
　　【观察数据】
　　运行实验后，在数据显示框中可以观察到所需的各项数据。
　　【波形显示】
　　运行实验后，在面板上的示波器中可以直接观察到波形图，完毕后按界面上的STOP键结束实验。
　　（二）系统特点
　　操作简单，用户界面友好；操作方式、仪表读数、波形显示、实验过程贴近真实实验；与教材配套，适合学生自学。
　　（三）系统运行环境
　　客户端操作系统：Windows2000系列、XP系列，需要安装Lab view的插件。
　　四、电路理论虚拟实验仿真系统的设计与实现
　　在《电路理论》的八个典型实验中，以实验四为例介绍本虚拟实验系统的设计与实现过程：
　　实验四一阶RC电路的响应。
　　【实验目的】
　　测定一阶RC电路的响应和时间常数τ；
　　观察一阶RC电路的全响应波形图。
　　【实验步骤】
　　在界面上设置电源电压值Us，电容的初始电压值Uc（0），电阻值R和电容值C，运行并观察时间常数值τ，填入下表1：
　　
　　根据步骤1画出i（t）和u（t）的波形图（图1），与界面上所示波器所示的波形图（图2）相比较是否一致。
　　根据以上实验要求及步骤，可以在下面实验平台上开展实验，框图程序如图3所示。
　　
　　
　　五、结束语
　　
　　教育的目的在于提高学生的分析能力、判断能力及创新能力，提高学生的综合素质。我们知道用实物设计制作复杂一点的电路，单是搭建时准备零件、制作电路板、焊接就要花费不少功夫；接好电路后，为了使电路处于满意的工作状态，不断地更换零件、调整参数也是十分费时费工的。学生要运用自己学到的知识设计制作新颖的电路是一件很困难的事。现在，虚拟实验室给学生创造一个优良环境，学生可以充分发挥他们的智慧，展现他们的才华。
　　随着远程教育的不断普及，网上虚拟实验室也必将得到越来越广泛的应用。建立多种实用、高效的网上虚拟实验室，利用网上虚拟实验室进行教学，可以解决传统实验教学方式在时间和空间上的限制，大大节约实验成本和经费，并可更好地培养学生的自学及创新能力。
　　
　　参考文献：
　　1、