模拟仿真技术在电子电工实验中的作用

崔志雄

（江苏省惠山中等专业学校，江苏无锡，214153）

0 引言

电工电子技术作为一门手动操作性强的专业学科。传统的口授和课件教学的过程不能够解决学生对于设备不熟悉的问题。在正式的操作过程中可能对仪器设备造成损伤从而引发危险。通过模拟仿真技术的引入，让传统的电工电子实验中出现的资源浪费、安全风险以及设备损坏等情况得到良好的解决办法。

1 模拟仿真技术简介

模拟仿真技术作为一种模拟技术有着诸多传统的教学实验法所没有的优点。模拟仿真技术是将整个电工电子实验的过程利用电脑软件的方式进行模拟，其操作方式简单，仅仅需要一台电脑就能够运行模拟仿真软件；安全系数高，在模拟过程中不接触任何高危险部件；实验结果直观有效，可以通过实际的数值来准确地测量和观测结果。

2 模拟仿真技术的特点

2.1 仿真元件和仪器的真实度高

模拟仿真技术中应用的软件已经十分成熟了，其元件的型号和特点都能够在模拟仿真软件之中准确地进行模拟，在保证仿真实验真实性的方面十分地优秀。通过高仿真度的仪器进行实验，既保证了实验的准确性，也同时避免了因为设计失败而损坏贵重元件的危险出现。

2.2 仿真实验的实验结果更加直观

模拟仿真技术是由电脑软件直接进行模拟的。在模拟的过程中可以选择对每一步的运行方式进行细致化的分解，同时将实验结果以数值的形式显示到模拟界面上。有些先进的模拟软件在模拟试验运行的过程中还能够显示每个部件通电之后内部的运行流程，更加直观的显示了实验的过程和结果。

2.3 操作过程更加简单安全

实验的操作过程简单方便，仅仅是在软件中将实验器材拼装起来，没有手动操作的过程，不会在实验过程中出现触电等危险，也没有安装问题上的难度。模拟仿真技术作为一种理论实验教学过程中的辅助替代品有着安装简便、操作安全的优点。

3 模拟仿真技术的作用

3.1 降低实验中引发风险的概率

电工电子实验过程中，经常需要接触高压部件和强电流。在实验过程中若是操作失误或安装上出现了错误，电子元件很容易出现过热起火、爆炸或者强电击穿等现象。这样的现象是十分危险的，不仅会伤害实验者，还会造成大面积的火灾或是漏电风险。运用模拟仿真试验系统，不仅能够避免火灾或触电等危险，甚至还能够向学生们演示一旦电子元件安装错误或是误差会出现的结果，从而达到安全教育的目的。

例：在传统的实验过程中，一位学生误把一个二极管的方向接反了，导致电流无法顺利通过这个单独的二极管，电阻过高而使温度变高，最终导致电路起火，教师不得不紧急终止了实验课程赶去救火。在运用模拟仿真技术的电脑中，不仅学生可以随意进行模拟也不会有危险出现，而且在教学过程中教师也不用提心吊胆的防止危险发生，从而能够专心地进行课程的教授。通过模拟仿真系统，学生在组装和实验的过程中也可以逐渐熟悉实验的过程，起到为未来的正式实验课程打基础的作用。

3.2 模拟仿真技术能够降低教学成本

模拟仿真技术的试验平台是在计算机等平台上，本身并没有什么额外的支出。相比于传统的教学模式，模拟仿真技术不需要更多的购入昂贵的电子元件，也不需要保证实验器材的长时间运转。在模拟仿真平台上进行的实验，能够通过调整软件时间的流动速度来确认实验的稳定性，不仅节约了时间成本，还节约了学校在高端元件上的支出问题。而且模拟仿真试验不需要专业的实验室，教师可以直接利用多媒体技术将实验利用投影仪放大在屏幕上进行示范演讲，节省了教学时间。

例：在学习二极管的特性的过程之中，教师用模拟仿真软件将二极管接入交流电和直流电中并分别正接和反接，观察二极管各方面包括电流、电压、温度等的变化，由此来验证二极管的单方向导电性以及其作为过载保护器等的潜力。一旦接在电路中的二极管因为负载大于其所能承受的极限便会熔断进而保护电路。教师可以在0损耗的前提下不断地演示这个过程而不需要消耗任何二极管。做到了在必要的教学过程中节省教学成本的目的。

3.3 能够简单模拟危险度高和难度高的实验

利用模拟仿真技术可以模拟一些装置安装难度十分高或者十分危险的高压电路的运行模式。由于模拟软件上的安装过程十分简单，所以能够节省许多的教学时间并能够安全地组装电路。特别是在复杂电路组装的过程中总会有或多或少的问题出现。为了防止电路运行过程中出现损坏或触电危险，可以运用模拟仿真软件的调试模式进行调试和试运行，之后再利用实际的材料进行组装和运行。

例：在设计高压变电系统的时候，需要将发电机中产生的直流电变成交流电，其中需要经过大功率变电设施和稳流器等设备，这些设备即使是在正规的电厂中也是十分危险的，且由于我国电厂目前的某些原因，变电设施的地线有可能没有接好或者是根本就没有地线，在这种情况下进行实验的教学是十分危险的。利用模拟仿真技术模拟这个过程，不仅能够将危险排除，也起到了实际的教学作用。

图1 模拟高压变电系统

3.4 能够弥补实验过程中器材不足的问题

在实验过程之中，校方可能受制于资金问题而无法准备出足够所有学生使用的实验器材。这一点严重影响了实验的顺利进行，而模拟仿真技术可以利用学校的电脑机房进行授课，其授课效果也与传统的器材授课别无二致，也能够有效地解决资材不足的问题。利用几组学生进行实际操作，几组学生进行模拟实验的方法，使每个人在熟悉了电路的同时也经历了手动操作的过程。

3.5 有助于提升学生的创造力

利用模拟仿真技术试验无危险性、成本低廉的特点，能够让学生们充分发挥想象力，将平常用不到的元件或是高危险高价值的元件利用到实验过程之中，在不断地失误中寻找电子元件的可能性。实验的过程中没有了需要负责任的包袱，从而能够放心地进行不断地尝试。在尝试的过程中了解元件的作用以及局限性。

例：在实验过程中，一个学生设计了一个直流稳压电源，其作用是将交流电转换为直流电的同时输出稳定的直流电。在模拟实验中经过了多次的失败，导致了电流击穿、失火、电压不稳、负载过高等问题之后终于设计了模拟的电路。通过利用二极管的单向导电性制作一个整流电路将交流电其中一个方向的电流阻隔掉，使双向交流电变成一个仅有方向的脉冲式直流电；之后运用以电感和电容的储能效果为主体的滤波电路将脉冲电流之间的间隔滤除使其成为一个稳定的直流电；最后利用稳压电路使直流电的电压处于一个稳定值。在实验过程中通过不断地变换不同的元件，一次又一次地失败，最终该生成功地让整个电路在模拟程序中稳定地运作了起来。

3.6 模拟仿真技术应用于电子电工实验的试运行过程

在复杂电路的试运行过程中，可以运用模拟仿真技术对已经完成设计的电路进行试运行。在运行过程中若是出现了问题，通过模拟仿真软件自带的检测系统对电路进行检测，能够在给实验电路造成实质性的损害之前及时找到出现问题的点，并对问题进行处理。模拟仿真技术的这个特点不只能够应用在电工电子实验中，在单片机制作、高压电路的建设过程中也能够利用模拟仿真技术作为错误检查的方式之一，从而避免损失的出现。

反过来思考，也可以利用模拟仿真技术对已经完成的电路进行测试，利用模拟仿真技术的高仿真度来确定完好的电路运行过程中的各种参数，通过与正在运行的电路的各个参数进行比较，从而确定电路是否在正常的运行。

3.7 运用模拟仿真软件的便利性

模拟仿真软件作为一个软件有着十分便捷的优点。其便捷性主要体现于元件的储存方面。模拟仿真软件能够将一个已经编辑好的电路作为一整个元件作为一个“黑匣子”安装在电路之中，简化了组装电路的复杂程度。在对电路进行设计的时候，比如设计一个霓虹灯的电路时，将大量的用二极管做成的延时器加入电路中，做到随意地控制霓虹灯的颜色变化以便于将灯光转变为各种图案。通过将整个电路转化为单个元件的方式来简化电路的设计。

4 电子仿真实验的局限性

虽然模拟仿真实验有着诸多好处，但是仍有其缺点。首先模拟仿真试验并不是实际实验，在实际实验的过程中还涉及到线路布置、跳接、电路调试等一系列问题，这些问题是必需要经过实际的手操才能够了解的。毕竟并不是所有的电路都像软件里一样自动的就变得整齐划一，所以模拟仿真试验仍旧只能作为辅助教学的工具来提高教学效率，并不能够取代传统的手动实验方式。

5 结束语

电工电子实验作为现代电子研究的重要一环，通过模拟仿真技术的导入，使得电工电子实验技术得到了进一步的发展。由于模拟仿真技术能够做到传统的电工电子实验过程中不能做到或者难以实现的一些试验情况，从而打破了传统实验方式的束缚。极大地促进了电工电子实验技术的发展。