虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践

程思宁，耿 强，姜文波，占永宁

（海口经济学院 信息工程学院，海南 海口 571127）

为改善高校电类实验教学条件、改革实验教学方法、更新实验教学内容、提高实验教学水平，把虚拟仿真技术引入电类实验教学已成为一种趋势［1］。虚拟仿真实验突破了原有课程实验的界限，增加了趣味性、综合性、设计性及创新性实验，加强现代实验方法、实验手段的应用，提出有代表性的、启发性的问题，加深学生对实验的理解，激发创新思维与兴趣［2］。虚拟仿真实验为学生独立自主地进行学习与实践创造良好的条件，更有利于培养学生的实际应用能力和综合素质。

1 虚拟仿真技术

虚拟仿真技术包括虚拟现实和仿真。

虚拟现实（virtual reality）是利用人工智能、网络技术、传感技术等进行的高级人机交互技术。在电类实验教学方面，虚拟现实的应用主要是虚拟仪器（virtual instrument），虚拟的仪器面板，用软件实现仪器的功能（所谓“软件即是仪器”），强调了软件的主体作用。

仿真（simulation）是利用模型进行的实验，利用仿真软件等系统工具的模拟功能对电路环境和电路过程进行模拟，达到与真实实验相一致的目的。

常用的电子类虚拟仿真软件有orCAD、Pspice、Pcad、Altium Designer、Multisim、Proteus、Lab－WIEW、LabWindows／CVI、Matlab、ISE 等。本文不详细介绍如何使用某一仿真软件，而是用实例来说明虚拟仿真技术在电类课程教学中的应用［3］。

2 虚拟仿真技术的优势

在实验教学中采用虚拟仿真技术具有以下优势：

（1）打破时间与空间的限制，只要有计算机就可以随时随地进行实验，而不局限于实验室，使用者可以按照个人爱好、兴趣等自主进行实验；

（2）提高设计的直观性和真实性，可以更形象地获取知识，激发学习热情；

（3）不消耗器材，实验用的元器件和仪器仪表齐全，可以重复操作，降低实验和设计成本；

（4）实验速度快，容易开展设计性和综合性实验，有利于培养使用者的创新意识和创新能力；

（5）可移植，可以通过仿真为实际的硬件电路提供设计方向，缩短设计时间，提高设计效率；

（6）实验非常安全，可以任意进行探索性操作。

3 典型应用

3.1 Multisim10在电路与电子技术课程中的应用

Multisim10是NI（美国国家仪器公司）开发的专业电子仿真软件。该款软件操作简易，初学者非常容易上手。它的元器件丰富、虚拟仪器齐全、功能强大，不仅提供了万用表、示波器等常用仪器仪表，而且提供了虚拟网络分析仪、频谱分析仪等［4－5］复杂仪器。

电路与电子技术课程包括电路分析、模拟电子技术和数字逻辑电路3门课。这3门课是电子信息专业的专业基础课，学生掌握得好坏直接影响到后续课程的学习。在授课过程中，学生也普遍反映课程难学、实验枯燥。仿真软件的使用，可以增强学生的自信心，提高学习热情。

在进行滤波器的实验教学时，一般的实验室并不配备频谱分析仪。常用的方法是在维持输入信号幅度不变的情况下，逐点改变输入信号频率并测量输出电压，用描点的方式来绘制频率特性曲线。这种实验方法误差比较大，不利于学生理解。

图1（a）是用 Multisim10绘制的二阶有源低通滤波器电路。示波器XSC1的通道A、B分别观测输入、输出信号，由图1（b）可以读出输出、输入值。波特图测试仪XBP1用来测量电路的频率响应，图1（c）和图1（d）即为滤波电路的幅频特性和相频特性。由图1（c）可以读出它的通带增益并得到截止频率（通带增益下降3dB所对应的频率）。

图1 二阶有源低通滤波器电路与仿真

图2是一个趣味性实验——多路彩灯控制器。该实验可以自动控制多路彩灯，使彩灯按不同的节拍循环变换各种灯光花型，可用于舞台灯光控制及节假日灯光装饰。电路分为时钟信号产生、节拍控制、花型控制和花型演示等4个模块，学生可以发挥想象力，按自己的设想控制彩灯点亮和熄灭。这种趣味性实验在教学过程中教学效果明显，引起了学生浓厚的学习兴趣和强烈的求知欲望。

学生利用Multisim进行电子电路虚拟仿真实验，连线容易、现象直观，避免了实验中芯片管脚多、接线一团糟、查找问题难的情况，既可扩大思维空间，又可扩展实验内容，对提高学习的主动性、积极性有重要作用。

3.2 Proteus在单片机原理课程中的应用

Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，是目前最好的模拟单片机及其外围器件的工具，可以仿真5l系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外围电路（如 RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD／DA、部分SPI器件、部分I2C器件等）［6－7］。

图2 多路彩灯控制器电路图

单片机课程不同于其他课程，主要在于这是一门硬件电路与软件编程统一协调的课程，即硬件为电路基础，软件控制硬件。要理解以硬件为主的接口方法，必须先搭建硬件电路，再进行软件编程，最后通过仿真的方法，方能更好地领会其含义［8］。

图3是利用Proteus进行的综合设计实验——温度控制直流电机转速。设计使用AT89C51单片机为控制核心，温度传感器DS18B20采集温度信号，LCD1602液晶显示当前温度，L298驱动直流电动机，在Keil软件中编辑、编译、调试程序。在图3中，液晶屏显示出当前的温度，电动机在顺时针加速旋转。

这样的综合性实验，涉及到的知识是很多的，包括单片机知识、传感器知识、直流电动机的知识和编程知识。在传统实验中，很难保证为每一位学生配备实验器材和仪表，对学生知识的应用和实际操作都有一定障碍。利用Proteus可以解决这个问题，提供时间和空间的保障。学生可以独自完成实验，逐一解决实验过程中遇到的问题，对知识的掌握、技能的提高具有实际意义。虚拟仿真实验的效果与真实实验的效果基本一样，在运行中也可以通过器件管脚的电平高低判别是否有错，是实时的动态仿真。

3.3 LabVIEW在信号与系统课程中的应用

LabVIEW是由NI公司推出的功能强大的图形化编程语言G（graphics language）的虚拟仪器开发环境。使用这种语言编程，基本不用编写程序代码，主要是使用程序流程图。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣［9］。

图3 温度控制直流电机转速电路图

信号与系统是电类专业的专业基础课。该课程内容抽象、数学公式比较多，特别是课程中大量的信号分析结果缺乏可视化的直观表现，学生很难将数学中的函数和实际波形联系起来，也很难真正理解所得结果在信号处理中的实际应用，在一定程度上影响了该门课程的教学效果［10］。这门课一直是学生难学、教师难教的课程。图4是用LabVIEW设计的信号与系统课程中时域卷积的虚拟演示实验，通过前面板，可以动态演示相关信号的卷积情况。上面2个显示区是进行卷积的信号，可以在右下角的函数选板子选项板上更改输入信号的类型。我们选择的是2个阶跃信号，随着左下角的滑动杆的移动完成2个信号的时域卷积。左下显示区显示信号平移的过程；右下显示区是阶跃信号与阶跃信号的卷积结果。该虚拟实验可以动态地看到卷积的全过程，把理论知识与实际应用很好地联系起来。

图4 卷积的前面板

4 虚拟实验平台的构建

鉴于虚拟仿真技术在电类课程中有很好的教学效果，笔者结合计算机网络技术构建起虚拟实验平台，尝试一种新型网络交互实验教学模式。

该实验平台（见图5）集电子类实验于一体，适用于电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、单片机应用、信号与系统、信号处理、综合实训等相关课程，建立分层次、模块化、开放式的实验体系。每门课程都利用虚拟仿真技术，设计了基础性实验、设计性实验、综合性实验和研究创新性实验。实验平台将实验课程扩展到实验室之外，突出了实验教学以学生为中心的开放模式。

指导教师能够通过网络对实验教学过程进行管理，能够设置实验项目、管理实验批次、对学生提交的实验报告进行批阅；学生通过互联网远程登录系统，能够自学仪器仪表和虚拟仿真软件的使用，能够预约实验、自主完成实验并上传实验数据，能够在交流讨论区与教师互动，答疑解惑。管理员主要完成管理教师注册、对平台进行日常维护等工作［11］。

图5 虚拟实验平台界面图

5 结束语

将虚拟仿真技术引入电类教学中，弥补了传统实验的不足，不但丰富了实验教学内容，而且使学生变被动学习为主动学习，提高了学生分析问题的能力、设计电路的能力和电子产品的设计效率。可以预见，把虚拟仿真技术应用于电类课程教学，是教学发展的必然趋势，也为实验室的开放提供一种行之有效的解决方案。虚拟仿真技术会不断发展，也会不断推进实验室的发展和实验教学改革。

（References）

［1］杨勇，郭玲，张钢.运用虚拟仪器技术改革电子实验教学［J］.现代电子技术，2004，27（16）：60－61.

［2］苏旭霞，刘素楠，管立新.开展虚拟仿真实验 促进实验教学改革［J］.科技广场，2008（3）：252－254.

［3］岳明道，郭焕银，唐永刚.仿真软件在电类课程教学中的应用［J］.宿州学院学报，2007，22（6）：156－158.

［4］黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［5］郭锁利，刘延飞，李琪，等.基于 Multisim的电子系统设计、仿真与综合应用［M］.北京：人民邮电出版社，2012.

［6］孙凌燕，黄允千.Proteus与Keil软件的整合在单片机实验开发中的应用［J］.实验室研究与探索，2008，27（4）：59－61.

［7］万志平.仿真软件在电类课程教学中的应用［J］.实验技术与管理，2009，26（4）：76－79.

［8］苏变玲，朱志平，袁卫.基于Proteus的单片机仿真教学的研究［J］.实验室研究与探索，2009，28（4）：75－78.

［9］全晓莉，周南权，李双，等.基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验的构建［J］.实验技术与管理，2011，28（10）：82－84.

［10］俎云霄，曾昶畅.基于LabVIEW的“信号与系统”仿真实验系统设计［J］.现代教育技术，2009，19（11）：141－144.

［11］程思宁.网络交互型电子电路虚拟实验平台的构建［J］.硅谷，2012（8）：119－120.