略论电路虚拟实验系统构建

王　蓉

[摘要]电路虚拟实验系统不受时间及空间的限制，学生可以自主地完成实验，以便于巩固理论学习成果，提高理论联系实际的能力。

[关键词]电路多媒体技术虚拟实验直流电路正弦交流电路

中图分类号：TN4文献标识码：A文章编号：1671-7597(2009)0620027-01

电路实验教学一直是课堂教学的重要组成部分，是学生巩固电路理论知识的主要手段。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。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，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，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。

一、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。

二、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。

(一)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。

(二)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。它是构成系统的实体，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。它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。它也是系统属性，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问是如何相互关联的，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。

(三)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。

(四)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。

三、应用举例：虎拟实验仿真的步骤

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。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

四、结语

虚拟实验的实现是一项非常复杂的工作，目前仅仅涉及简单数学模型的构建，还有许多理论和技术问题有待进一步的探讨，因此，在现有条件下，虚拟实验是不可能完全代替实物实验的。实物实验过程中的元件参数分散性、误差、噪声等现象是客观存在的。这对于培养学生的真切感受和创造性思维是至关重要的，必须给予足够的重视。