基于仿真技术的模拟电路教学演示系统

幸敏，杨秀谦，龙祖连

（广西水利电力职业技术学院，广西南宁，530023）

0 前言

模拟电子技术是电子信息专业最重要的专业基础课，因其涉及概念多、理论抽象、电路复杂多变等原因，学生普遍感觉学习困难[1-2]。为提高模拟电子技术课程的教学成效，当前高职高专教学中，尽量减少电路理论推导，更多借助专业的电路仿真软件（如Proteus），通过仿真演示电路的节点电压值和支路电流值的方式来讲解电路，以降低学生的学习难度，提高学生的学习兴趣和积极性。但专业的电路仿真软件，功能多、功能强，但其并非专为教学开发，用于教学演示时有如下不足：（1）运行仿真前，需要编辑电路，对关注的节点并上电压表，对关注的支路串入电流表，仿真时才能显示节点电压和支路电流。当关注多个节点电压或支路电流时，并上电压表或串入电流表就较多，导致电路复杂化，同时教学效率也降低；（2）不支持仿真中编辑电路，若想对比不同电路拓朴或不同输入电压激励下的变化，都需先停止仿真，然后重新编辑电路，再运行仿真，才能观察到结果，这也导致教学效率降低。

针对专业电路仿真软件在教学应用中的不足，由电子技术和计算机两个教学团队组成一个项目小组，开发了一个全新的模拟电路教学演示系统。演示系统基于仿真技术，通过非线性元件的线性等效、建电路方程组、解电路方程组，获知全部电路节点电压和支路电流，为教学演示提供基础数据。教学演示上，它具备两个创新∶（1）具备所指即所示功能——无需接入电压表和电流表，仿真状态下，只需移动鼠标至所关注的连接线，便自动显示连接线的电压和电流值；（2）具备动态编辑功能——仿真运行中点击某些类型元件，能改变被点击元件的方向、状态或参数（如二极管的正负极互换、开关的通断状态互换、数字输入电压的高低电平互换，或模拟输入电压的递增或递减），然后自动重新仿真电路，使用户可快速观察到电路拓朴改变或不同输入电压下的节点电压和支路电流的变化。演示系统的两个创新，提高了电路仿真演示的效率，提高了教学成效。演示系统基于C#开发，编译生成可执行文件后，体量仅有数M，无需安装，独立运行（不依赖第三方软件），具备完全的知识产权。

1 系统设计

模拟电路教学演示系统包括元件图形数据模块、线性化变换模块、电路绘图模块、电路仿真模块、所指即所示模块和动态编辑模块，其中元件图形数据模块与电路绘图模块连接，其存储有各元件的图形数据，为电路绘图模块提供元件的图形参数；电路绘图模块给用户提供绘制电路原理图的界面和交互接口，并负责电路原理图绘制；线性化变换模块与电路绘图模块连接，其存储有二极管、三极管等非线性元件的线性化等效模型，用于建立线性电路方程组前对非线性元件进行线性变换；电路仿真模块与电路绘图模块连接，用于电路直流仿真，以获知电路全部节点的电压值和全部支路的电流值；所指即所示模块与电路绘图模块连接，用于仿真时响应鼠标移动动作，显示鼠标所近的节点的电压值，和所近的支路的电流值；动态编辑模块与电路绘图模块连接，用于仿真时响应鼠标点击动作，更改被点击元件的方向、状态或参数值。

演示系统的工作流程如下：

（a1）电路绘图，通过电路绘图模块接收用户命令，从元件图形数据模块调用元件图形参数，然后绘制电路原理图；

（a2）电路仿真，通过电路仿真模块，运行直流仿真，获知电路全部节点的电压值和全部支路的电流值；

（a3）电流方向指示，调用电路绘图模块，画电路连接线的电流示意箭头，以显示连接线的电流方向；

（a4）鼠标动作捕捉，若捕捉到鼠标移动接近某连接线，转至步骤（a5），若捕捉到鼠标点击动作，转至步骤（a6）；

（a5）电压电流显示，通过所见即所示模块，显示鼠标所近的节点的电压值，和所近连接线的电流值，然后转至步骤（a4）；

（a6）电路编辑，调用动态编辑模块，更改被点击元件的方向、状态或参数值，然后转至步骤（a2），重新运行电路仿真。

步骤（a6）中：二极管、发光二极管、稳压二极管和电池被点击时，元件正极与负极互换；开关或按键被点击时，其通断状态互换；光敏电阻被点击，其阻值在0.1K和100K间互换，0.1K对应受强光照时的阻值，100K对应暗黑无光照时的阻值；数字输入电压符号被点击时，其输入电平翻转；模拟输入电压符号被点击时，若点击在符号左端，输入电压减0.1V，若点击在符号右端，输入电压增0.1V；可调电阻被点击时，若点击在符号左端（或上端），可调电阻移动端向左（或向上）移2%，若点击在符号右端（或下端），可调电阻移动端向右（或向下）移2%。

上述步骤（a2）电路仿真，包括如下步骤：

（b1）线性变换，通过线性化变换模块，将二极管、三极管等非线性元件，变换为线性元件；

（b2）电路节点统计，根据电路拓朴，统计电路节点数量；

（b3）节点编号分配，按序分配节点编号，记录每一元件引脚和每一连接线所属节点编号；

（b4）建电路方程组，以节点电压为变量，组建线性电路方程组；

（b5）解电路方程组，采用迭代法，解线性电路方程组，获电路方程组的数值解，获知电路节点电压值；

（b6）计算元件电流，利用上步骤所获知的电路节点电压值，计算出各元件的电流；

（b7）计算连接线电流，利用上步骤所获知的元件的电流值，计算各连接线的电流值。

2 教学实例

以光控路灯电路的教学演示为例，说明系统工作过程。

2.1 电路绘图

启动系统，从无源器件下选框中选择电阻、可调电阻、光敏电阻和继电器，从有源器件下选框中选择二极管、三极管和运放，从电源与信号下选框中选择电源和地，拖动各元件至合适位置，编辑各元件参数，把光敏电阻R1设置为受强光照状态（设定其电阻值为0.1K），最后添加连接线形成的电路原理图如图1所示。

图1 电路原理图

2.2 仿真演示

点击左边的仿真按钮，运行直流仿真。系统完成直流仿真后，获知全部节点电压和支路电流，然后重绘电路，在有电流的连接线，增加电流方向箭头，以示意电流的存在和流动方向。移动鼠标至所关注的连接线，显示连接线的电压值和电流值（若电流值为零不显示）。如图2所示，移动鼠标至运放U1的输出端与电阻R3间的连接线时，显示“0V”，表明此时运放U1输出低电平，连接线无电流。

图2 白天状态仿真示意图

为了演示晚上无光照时的变化，在仿真状态下，点击光敏电阻R1，光敏电阻R1状态改变，由受强光照状态转为暗黑无光照状态（设定阻值为100K），系统重启仿真，重绘电路，结果如图6所示。图3中，鼠标移动至运放输出端与电阻R3间的连接线时，显示“5V 4.13mA”，表明此时运放输出高电平，连接线电流为4.13mA。

图3 晚上状态仿真示意图

为了演示二极管D1接反的后果，在仿真状态下，点击二极管D1，D1正负极互换，系统重启仿真，重绘电路，结果如图7所示。图4中，鼠标移动至三极管Q1发射极与地间的连接线，显示“0V 411mA”，显示三极管Q发射极电流已激增。

图4 二极管接错仿真示意图