虛擬仿真電子技術范文
時間：2023-03-26 17:55:32
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篇1
關鍵詞：虛擬仿真技術；電子技術信息化教學；Multisim仿真軟件
大多數(shù)高校的工科專業(yè)都開設有電子技術課程，該課程是一門理論性和實踐性都非常強的課程，需要學生扎實掌握電路原理和分析方法，具備模擬和數(shù)字電路的分析設計能力。面對日新月異的新技術和新知識，轉變教育思想和教育觀念，用新的理念改革教學內容和教學方法，特別是在新工科背景下推進實踐教學改革[1]，從而培養(yǎng)工程實用型人才，一項重要的舉措就是增加實踐教學環(huán)節(jié)的學時，鍛煉學生的實踐能力。但是，一方面，受到教學條件和課程設置的限制，無法保證學生能夠隨時進入實驗室；另一方面，傳統(tǒng)實驗不夠靈活，固化的實驗項目限制了學生的創(chuàng)造性。因此，很多學校引入了虛擬仿真技術，如電力電子實驗仿真平臺[2]。還有學校將虛擬仿真技術與教學平臺相結合，建立了虛擬仿真實驗中心，如林業(yè)技術裝備虛擬仿真實驗中心[3]、電子信息技術虛擬仿真實驗平臺[4]。本文對如何充分利用信息化教學手段，結合虛擬電子仿真技術進行研究，以期達到提高學生實踐能力的目標。
一、電子技術信息化教學概述
電子技術一般分為模擬部分和數(shù)字部分，其中模擬部分理論性較強，數(shù)字部分實踐性較強。對于計算機專業(yè)的學生，理論教學多為52學時。很顯然，如果學生想牢固掌握知識內容，僅靠課上教學是不夠的，學生還需要課下預習、復習和動手實操。為了更好地指導學生進行課下的學習，筆者建設了電子技術網(wǎng)絡課程，方便學生自學和復習。筆者針對教學中的重點和難點，錄制微課，上傳至網(wǎng)絡平臺，并與學生在線交流。架設實驗教學管理服務器，方便學生提交實驗報告和結果。在實驗教學管理系統(tǒng)中提交的實驗結果需要學生在課下完成，引入虛擬仿真技術，學生即可靈活地利用課余時間完成實驗預習和實驗練習任務。
二、Multisim仿真軟件
Multisim是一款非常優(yōu)秀的仿真軟件，利用該軟件能夠進行板級的模擬和數(shù)字電路仿真。該軟件比SPICE簡單，容易上手，并且該軟件功能強大，提供了主流電子器件商生產的超過17000種電子元件。最重要的是，在學生預習和復習階段，引入Multisim仿真軟件不僅能節(jié)省大量的電氣元器件、實驗器材，還為實驗提供了安全保障[5]。
三、虛擬仿真技術在電子技術信息化實踐教學中的具體應用
在教學中引入虛擬仿真軟件，一方面能夠讓學生拓寬知識面，鍛煉其自主學習能力；另一方面滿足了學生課程學習的需求。通過網(wǎng)絡平臺布置預習和練習任務，學生在實驗管理服務器上提交結果，達到提高實踐動手能力的目的。如圖1所示，為虛擬仿真技術在信息化實踐教學中的應用場景。下面，筆者以Multisim為例，通過兩個實驗說明虛擬仿真技術在信息化實踐教學中發(fā)揮的作用。例如，在進行模擬部分的集成運算放大器實驗時，封閉的實驗箱僅能鍛煉連線等操作，參數(shù)調整不方便直觀。學生在實驗過程中不理解原理，一節(jié)實驗課變成了實驗儀器練習使用課。筆者首先將放大器實驗給學生，讓其利用Multisim設計如圖2所示的仿真電路進行預習，這只需花費很少的時間。通過更換信號源V1，可實現(xiàn)多種直流信號、交流信號的反向放大。調整電阻R3和R1的值，改變反向比例參數(shù)的值，學生可以直觀地驗證反向比例系數(shù)。在輸出端，學生可以通過示波器、萬用表等多種虛擬分析儀器，對結果進行分析和顯示。又如，數(shù)字電路的實驗安排在模擬電路實驗之后，傳統(tǒng)實驗方法是使用不同實驗箱分別完成模擬和數(shù)字實驗，學生還沒有完全熟悉一項實驗設備就要更換另一種。利用虛擬仿真軟件則可以非常容易地實現(xiàn)數(shù)字電路結構的仿真，有很好的連貫性。如圖3所示，為使用Mul－tisim實現(xiàn)六十進制計數(shù)器電路，該級聯(lián)計數(shù)器實驗需要較多的連線操作，學生不熟悉實驗設備和原理很容易造成課上時間的浪費。如果通過設計如圖2所示的虛擬仿真電路，學生就可以充分理解電路原理，學生再進行實物實驗時，就可以加快連線速度，取得較好的實驗效果，大幅提高學生的實驗效率和質量。
篇2
關鍵詞 虛擬仿真 電工電子 教學 實踐
中圖分類號：G420文獻標識碼：A
The Application of Virtual Simulation Technology in
"Electrical and Electronic Technology" Teaching
YU Ruihong, LIU Shucong, WANG Quansheng
(Institute of Disaster Prevention, Sanhe, Hebei 065201)
AbstractSome reform and innovation were done on the traditional teaching model, combining with electrical and electronics teaching and curriculum design practice. Virtual simulation software Multisim10 were applied to the "electric and electronic technology" teaching, and the application of software Multisim10 in classroom teaching and curriculum practice were introduced, through the basic common-emitter amplifier and other examples. The teaching practice showed that simulation technology can compensate for the lack of traditional experiments, optimize circuit design, and improve the level of student to design and develop circiuts.
Key wordsvirtual simulation; electrical and electronic; teaching; practice
0 引言
電工電子技術是一門實踐性很強的專業(yè)基礎課，實驗教學在這門課程中占有舉足輕重的地位，它著重培養(yǎng)學生的實驗操作技能和嚴謹踏實的科學作風，是提高學生分析問題、解決問題以及理論聯(lián)系實際能力的重要環(huán)節(jié)。目前，傳統(tǒng)的電工電子實驗是學生在實驗室根據(jù)給定的電路圖和元器件搭建實驗電路，用儀器測量數(shù)據(jù)，得出結論。傳統(tǒng)實驗教學在學生增加實物電子元器件知識、培養(yǎng)正確使用儀器儀表的方法及掌握基本的工程測量技術等方面有著無可替代的優(yōu)勢。但是，傳統(tǒng)實驗也存在實驗器件老化，調試不方便，讀數(shù)誤差大，綜合性和設計性實驗比例偏少等缺點，不利于促進學生綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
隨著計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)在已出現(xiàn)利用計算機仿真技術來完全或部分模擬實驗設備的情況，運用電路設計仿真軟件設計電路，是提高電子線路設計水平和能力的有效方法。利用虛擬仿真技術，教師在用電子教案教授理論知識的同時，可用仿真軟件教學，使理論和實踐相結合，讓學生親自感受到實際動手操作的樂趣，有效地提高了學生的學習興趣和效率。
1 仿真技術在教學中的應用
仿真教學是現(xiàn)代教學中的一種全新的教學模式，它既是一種重要的教學方法、教學手段，又是一種新的教學理念。它在教學中顯示出來不受時間、空間、經費、組織形式制約的優(yōu)點和作用是傳統(tǒng)教學無法比擬的。Multisi10仿真軟件具有友好的用戶界面，操作方便，具有數(shù)字、模擬及數(shù)字/模擬混合電路的仿真能力。它提供的測試儀器和某些仿真元器件的外形與實物非常接近，操作方法也基本相同，是一款非常好用的電子電路仿真軟件。將Multisim軟件應用于電子技術的教學中，有利于改善教學方法和提高教學效果，有利于學生理解抽象的知識，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生綜合設計能力。下面結合具體的實例說明Multisim軟件在課堂教學中的應用。
1.1 共射放大電路分析
圖1基本共射放大電路
圖2射極電壓圖3共射放大電路三極電壓
在三極管的基本電路分析這一節(jié)中，有不少知識點學生感到難于理解，在做實驗時所測得的數(shù)據(jù)也不一定與理論符合，而我們通過仿真可以很好地掌握各個知識點。首先，依照所設計的電路圖搭建電路，如圖1所示，接入電壓表，編輯完元件(元件參數(shù)及標簽，快捷鍵等)后進行電路仿真；然后雙擊萬用表（XMM1）圖標，就可以觀察三極管e端對地的直流電壓，如圖2所示。
（1）靜態(tài)分析。在前面搭建好的電路之上，調節(jié)滑動變阻器的阻值，使萬用表的數(shù)據(jù)為2.2V。執(zhí)行菜單欄中simulate/analyses/DC Operating Point，這樣便可得到三極管的三個極的靜態(tài)電壓，即基極，射極，集電極的直流電壓，如圖3所示。
（2）動態(tài)分析。在圖1中在輸入端加入幅值為 10mV的正弦電壓信號，輸出端分別接1.5k負載和空載。單擊儀表工具欄中的第四個按鈕（即：示波器Oscilloscope），并將其接入電路中。單擊工具欄中運行按鈕，便進行數(shù)據(jù)的仿真。然后雙擊示波器圖標，得放大電路在接1.5k負載和空載時的輸出電壓波形，如圖4和圖5所示。
根據(jù)以上仿真結果，學生們可得出如下結論：①靜態(tài)時基極和射極間電壓UBEQ為0.6V~0.8V；②輸出電壓比輸入電壓幅值大，電路具有電壓放大作用；③輸出電壓與輸入電壓在相位上相差 1800，共射極電路具有反相作用；④放大電路的放大倍數(shù)與負載有關，負載越大，放大倍數(shù)越大。
學生通過觀察仿真結果、思考、總結歸納得這些結果，因此印象深刻，理解較透徹。
1.2 低通二階濾波電路分析
圖6 低通二階濾波電路
圖7低通二階濾波電路特性
2 仿真技術在課程實踐中的應用
有源濾波器在信號處理中有廣泛的應用，尤其是去除傳輸過程中無用或者有害信號的頻率分量。以前通過理論計算分析有源濾波器的幅頻特性，現(xiàn)在利用Multisim仿真軟件可得到各種濾波器的幅頻特性曲線圖，與理論分析對比，學生能夠更加形象地掌握各種濾波電路的功能和特性。搭建如圖6所示的低通二階濾波電路，進行仿真之后得到圖7所示的頻率特性，可以比較直觀地看出此濾波電路就是低通濾波電路。通過仿真實驗，學生可以自由改變系統(tǒng)的結構、參數(shù)，通過觀察各個節(jié)點的波形來了解模型中每一部分對結果的影響，直到找到滿意的理論模型和相應的參數(shù)，將呆板的實驗變?yōu)檠芯啃缘膶W習。
將虛擬仿真技術應用于電工電子技術理論課教學，借助電子線路仿真功能，隨時改變電路結構和參數(shù)，動態(tài)演示電路的特性變化，將原來非常抽象復雜的理論知識變得直觀形象，增強了學生的感性認識，加深了對所學知識的印象，降低了學習難度，提高了課堂效率和教學效果。
在課程綜合設計和實踐中，受實驗經費、實驗場地、實驗耗材等條件的限制，綜合性、設計性實驗比例偏少，不利于促進學生自主創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。Multisim軟件如同一個大的電工電子實驗室，不受器件種類、數(shù)量和實驗設備的限制，教師可以指導學生做一些綜合性、設計性實驗，比如數(shù)字電路中的數(shù)字鐘，多功能搶答器，頻率計，信號發(fā)生器等綜合性的實驗，這些都能夠很好地提高學生的能力，促進學生自主創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。下面以數(shù)字鐘為例簡單說明數(shù)字鐘的設計原理。
2.1 設計要求
要求設計一個具有“時”、“分”、“秒”的十進制數(shù)字顯示(小時從00~23)的計時器，具有手動校時、校分的功能，用74系列中小規(guī)模集成器件去實現(xiàn)。
2.2 數(shù)字計時器的基本設計原理
數(shù)字計時器一般都由振蕩器、分頻器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。其中，振蕩器和分頻器組成標準秒信號發(fā)生器，由不同進制的計數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計時系統(tǒng)。秒信號送入計數(shù)器進行計數(shù)，把累計的結果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。“時”顯示由二十四進制計數(shù)器、譯碼器和顯示器構成；“分”和“秒”顯示分別由六十進制計數(shù)器、譯碼器和顯示器構成。數(shù)字鐘原理框圖如圖8所示，主要設計部分分析如下：
（1）振蕩器:通常選用石英晶體來構成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時的精度就越高。
（2）分頻器:功能主要有兩個：一是產生標準秒脈沖信號；二是可提供功能擴展電路所需要的信號。選用中規(guī)模計數(shù)器74LS90D,每片為1/10分頻器,選擇合適的片數(shù)級連即可獲得1Hz標準秒脈沖信號。如果振蕩頻率為100kHz，就得需要5片74LS90D進行級連。
（3）計數(shù)器：根據(jù)圖8所示，顯示“時”、“分”、“秒”需要6片中規(guī)模計數(shù)器。其中，“分”、“秒”位計時各為六十進制計數(shù)器，“時”位計時為二十四進制計數(shù)器。六十進制計數(shù)器和二十四進制計數(shù)器都選用74LS90D集成塊，采用反饋清零法。
（4）校時電路：當剛接通電源或計時出現(xiàn)誤差時，都需要對時間進行校正。將各模塊連接成完整的電路，就能方便地設計出數(shù)字鐘電路，使得學生們能夠學以致用，激發(fā)了他們的學習興趣，另外通過不斷的改變控制邏輯電路部分，可以使電子鐘表的功能不斷地得到完善，使得學生們的創(chuàng)新能力得到了鍛煉和提高。
圖8數(shù)字鐘設計原理圖
3 結束語
Multisim軟件如同一個大的電工電子實驗室，可以彌補實驗設施的不足,為實驗提供了極大的便利，極大地提高了實踐教學環(huán)節(jié)的質量；Multisim軟件還可以輔助理論教學，教師可以在講解完理論后直接進行實驗和演示，使得物理過程更為形象直觀；此外，Multisim軟件用戶界面直觀，操作方便，學生在課后可自己設計電路，加理解電路功能及儀器儀表的使用，還可激發(fā)學生的學習興趣，有效地調動學生的主觀能動性，學生可以自主開發(fā)和設計一些電路，激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。
利用Multisim軟件提供的虛擬電子工作平臺，可以方便地完成各項實驗和教學工作。 但是仿真軟件的操作不能代替實際電路，要充分發(fā)揮傳統(tǒng)實驗和虛擬實驗各自的優(yōu)勢，在保留傳統(tǒng)硬件實驗的前提下，將以計算機仿真技術為主的仿真實驗融合到傳統(tǒng)的實驗教學中來，構建一個新型的實踐教學體系，以提高學生動手能力、分析問題解決問題的能力，提高學生自主創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，全面提升學生的綜合素質。
參考文獻
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篇3
【關鍵詞】虛擬仿真;數(shù)字電路;課程改革;教學方法
【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097(2010)07―0147―04
一 前言
數(shù)字電子技術是計算機及通信類專業(yè)的重要的專業(yè)基礎課,其中關鍵的環(huán)節(jié)就是培養(yǎng)學生的實踐能力和解決問題的能力,因此,生動形象的課堂教學和全面的實驗體系對教學效果和知識的應用能力有著非常重要的作用。然而,由于實驗儀器的的老舊,數(shù)量有限,使得實驗的開出率以及實驗內容的擴展都受到限制。為順應現(xiàn)代教育的發(fā)展,實施的現(xiàn)代化遠程開放教育,將計算機虛擬仿真技術應用于數(shù)字電路教學中。其中理論教學結合多種教學方法和現(xiàn)代化的教育技術,將基礎知識和理論形象地表現(xiàn)出來,有助于學生理解。課堂教學和實驗教學都利用計算機虛擬仿真軟件將所學理論聯(lián)系實際,并加以應用,在此研究基礎上提出了基于虛擬仿真技術的所有電子技術課程教學的新模式。
二 計算機虛擬仿真技術
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術,簡稱VR,涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等多個領域。它由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環(huán)境――虛擬環(huán)境,可以逼真地模擬現(xiàn)實世界(甚至是不存在的)的事物和環(huán)境,人投入到這種環(huán)境中,立即有“親臨其境”的感覺,并可親自操作,與虛擬環(huán)境進行交互[1]。
計算機虛擬仿真技術,是在多媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術與網(wǎng)絡通信技術等信息科技迅猛發(fā)展的基礎上,利用計算機技術將仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術相結合,是一種更高級的仿真技術。虛擬仿真技術以構建全系統(tǒng)統(tǒng)一的完整的虛擬環(huán)境為典型特征,并通過虛擬環(huán)境集成與控制為數(shù)眾多的實體。實體可以是模擬器,也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng),更多的是計算機。實體在虛擬仿真軟件所提供構建的環(huán)境中相互作用,以表現(xiàn)客觀世界的真實特征。虛擬仿真技術的這種集成化、虛擬化與網(wǎng)絡化的特征,可以滿足現(xiàn)代教育的發(fā)展需求[1]。
三 課程教學的若干問題及改革研究
對于理論教學環(huán)節(jié),首先是教學內容陳舊。當前大中專院校所用的教材內容都是十幾年前的,即便是近幾年出版的教材,也只是內容的深淺不同,體系結構基本相同。比如教材中主要說明的74LS系列的芯片在目前實際應用中已經被淘汰,真正是學的沒用,用的沒學。現(xiàn)在的學生在學習中,非常關注所學知識的實用性,如果不能學以致用,就影響到學習興趣和學習積極性。因而在課程教學中要及時更新教學內容,講解傳統(tǒng)芯片的同時多介紹一些現(xiàn)在普遍使用的芯片,當然也要根據(jù)學生學習程度,最大可能激發(fā)學生的興趣[3]。
其次是教學方法。常用的教學方法無非就是這幾種:講授法、討論法、談話法、閱讀指導法。根據(jù)課程的特點和教學要求,不能一成不變的套用傳統(tǒng)的教學方法。這些方法對有些課程很有效,但是對計算機課程不一定全部適合,因此需要探索適合本課程需求的新的教學方法。筆者在教學中通常有如下幾種方法:講授法,這是傳統(tǒng)的教學方法,教師口述基本事實、原理和推理過程。部分定理,原理及產品采用講授法。例舉法,就是以典型例題說明某個定理或元件的應用,這是本課程用的最多的一種方法。在數(shù)字電路課程中有很多芯片的實際應用,有些是針對某部分內容的很典型的例子,這些例子對于學生理解和掌握此部分知識非常有用。任務驅動法,就是教師布置一些運用某個知識點的題目,要求學生在課堂上有限的時間里做出來,并檢查完成情況。這樣學生對該節(jié)課所學知識從理論到應用有了一個全方位的認識,而且對每個知識點掌握得都比較透徹,這是近年來比較流行的一種教學方法,也是計算機專業(yè)課程特有的一種教學方法,對提升教學效果有顯著作用。
再次是教學手段,不是單純的使用多媒體課件,而是結合計算機專業(yè)特點引入現(xiàn)代化教育技術和手段,很多典型例題用計算機仿真軟件在課堂驗證,讓學生直觀形象地了解電路的工作情況,從而掌握電路或芯片的應用。
對于實驗教學環(huán)節(jié),首先是實驗設備簡陋。很多高校數(shù)字電路實驗設備包括我校仍然使用老式實驗箱,即由固定數(shù)字電路芯片搭建的實驗,學生只能按實驗教材設計的實驗按步驟做固定的實驗,實驗內容都是以芯片講解為主,目的是對芯片功能進行驗證。因此學生把實驗課當完成任務,實驗環(huán)節(jié)沒有促進教學,相反影響了教學效果。很多新的芯片不能認識和實踐,使得實驗教學方法與實際應用的要求嚴重脫節(jié)。其次在實驗教學過程中,由于實驗設備老化,個別元件被損壞或接觸不良,導致學生實驗中,出現(xiàn)一些問題,電路連接完全正確,但是就是得不到正確結果,結果費了很多時間去排除故障,這樣做實驗當然激發(fā)不了學生的興趣,相反還會阻礙他們進一步探索。再次,由于實驗條件的限制,實驗項目只能停留在驗證性實驗層次,學生的設計能力和綜合應用能力都得不到提高,利用電子電路的計算機虛擬仿真軟件multisilm10就可以解決這個問題,利用這個軟件可以自行設計集成電路,綜合應用各種芯片,完成所有的數(shù)字電路實驗[4]。在教學實施中,根據(jù)學生情況分驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗三個層次完成實驗教學目標。
四 計算機虛擬仿真技術在課程教學中的應用
1 課堂教學中的應用
在課堂講到門電路的工作原理或集成電路的應用時,可以現(xiàn)場用計算機仿真軟件演示電路的工作過程,使學生更好地理解門電路的工作原理和芯片的工作情況。從而掌握電路的應用。這樣,教學過程是由原理到應用,由簡單到復雜,由抽象到現(xiàn)實,循序漸進地完成理論知識的學習。數(shù)字電路的基本單元是門電路,那么理解其工作原理非常重要,但是此部分對于大部分同學來說都是難點,如何突破這個難點呢?利用軟件建立仿真電路,真實地展現(xiàn)輸出電壓隨輸入電壓的變化情況,就會獲得很好的效果。下面是利用仿真軟件說明TTL與非門工作原理的課堂實例:
(1) Vi=0V,輸入接低電平。那么Q1導通,Vb1=0.8V,Ib5
(2) Vi=3.6V,輸入高電平。那么Q1的發(fā)射極電流從發(fā)射極(0.852mA)流入,從集電極流出,Q1的發(fā)射極和集電極倒置狀態(tài)。Vb1=2.443V,Vb5=0.843V,Vbc1+Vbe2=2.443-0.843=1.6V,導致Q2、Q5導通。由于Vc2=0.886V,Q4、Q5截止。輸出Vo=0.018V。其電路仿真如圖2:
2 實驗教學中的應用
大學生需要有獨立的設計能力和對電子器件的綜合應用能力,這就決定了本課程的實驗體系應該是三個層次,在簡單的驗證性實驗的基礎上必須開設有創(chuàng)造性的設計性實驗和綜合性實驗。然而實驗室有限的數(shù)字電路實驗箱只能做幾個簡單的驗證性實驗,無法滿足設計性實驗和綜合性實驗的設備要求。但是,利用電子電路的計算機仿真軟件就可以擴展實驗室,提供所需要的一切電子元件和芯片,搭建任意難度,任意復雜的電路,并驗證其正確性。同時利用仿真軟件的可配置性,配合適當?shù)碾娐房勺龀龆喾N不同的應用。在實驗課程中,提前給出了三種實驗的一些題目和內容,要求驗證性實驗必須都完成,設計性實驗可選做一至兩個,綜合性實驗選做一個。下面簡要說明學生利用仿真軟件選做的數(shù)字電子鐘邏輯電路的設計實例。
要求用中、小規(guī)模集成電路設計一臺能顯示日、時、分秒的數(shù)字電子鐘,選用器材主要有:安裝有仿真軟件的計算機若干臺,集成電路(CD4060、74LS74、74LS161、74LS248),晶振、電阻、電容若干,數(shù)碼顯示管,三極管、開關若干。
提示設計方案,包括數(shù)字電子鐘的電路框圖和四個主要模塊的實現(xiàn)細節(jié),學生依據(jù)電路框圖和提示信息設計邏輯電路圖,并將其在虛擬實驗環(huán)境中用仿真電路實現(xiàn)。下面給出數(shù)字電子鐘的電路框圖。
篇幅所限,參考電路就不給出,但是通過這個實例可以看出虛擬仿真技術在課程實驗中的重要作用。不但節(jié)省很多設備購置費用,不受地點和環(huán)境的限制,而且和真實實驗具有相同的效果。既然如此,為什么不廣泛應用呢?
五 總結
論文對數(shù)字電子技術課程教學提出很多問題,在實際的教學實踐中對這些問題進行了探索,將計算機虛擬仿真技術引入教學中,采用現(xiàn)代化教育手段進行課程改革。課堂教學提出了很多適合本課程并行之有效的教學方法,重要電路工作情況的計算機仿真演示,部分例題的計算機仿真驗證,增強其直觀性和真實性,加強學生的理解。實驗教學也利用計算機仿真軟件,采用虛擬實驗和真實實驗相結合的方式,擴充建立了虛擬實驗室,擴展了實驗內容,在無需花費很大代價的情況下,滿足了設計性實驗和綜合性實驗的條件,從而完成三個層次實驗體系的建設。在本文的研究基礎上,可將虛擬仿真技術推廣應用到所有電子技術課程教學中,引發(fā)電子技術課程改革的新局面。
參考文獻
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篇4
【關鍵詞】電工與電子技術 實驗教學 Multisim仿真軟件
一、傳統(tǒng)電工與電子技術實驗的局限性
電工與電子技術課程內容跨度大且抽象，理論性和實踐性均很強，必須通過實驗教學才能將理論和實踐很好地結合起來，在實驗中鞏固和理解理論知識，更重要的是培養(yǎng)學生對電路的分析設計能力和解決問題的能力。所以電工與電子技術實驗是整個教學過程中十分重要的環(huán)節(jié)。
但是傳統(tǒng)的實驗教學往往存在著一些局限性：傳統(tǒng)實驗設備易磨損老化且淘汰率較高，定期維護與更新需耗費大量的時間、人力和財力；學生素質和動手能力參差不齊，連接電路時極易出錯造成元器件及設備損壞；有限的設備和教學學時不能滿足學生實驗學習的需要；實驗以驗證型為主，方法陳舊單一，效果不夠理想。
二、仿真軟件介紹
隨著電子電路分析與設計方法的不斷改進，虛擬仿真技術作為一門新興的計算機技術迅速崛起，出現(xiàn)了一批電子設計自動化軟件EDA（Electronic Design Automation），尤其以美國NI公司的Multisim為代表，是目前最方便、最直觀的仿真軟件。Multisim擁有品種齊全的元件庫、豐富的測試儀器儀表、完備的分析手段和強大的仿真能力。軟件中直觀的人機界面像一個電子實驗工作平臺，繪圖所需的元器件和仿真所需的儀器儀表均可直接拖放到工作區(qū)，輕點鼠標即可完成導線的連接，軟件儀器的控制面板和操作方式與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。
應用Multisim仿真軟件進行虛擬仿真實驗，方便、快捷、逼真，既可以解決上述傳統(tǒng)實驗中諸多不利因素，又可以作為傳統(tǒng)實驗的有益補充，激發(fā)學生對實驗的興趣，加深對理論的認識和理解，進一步提高學生的綜合設計水平和創(chuàng)新能力。
三、Multisim軟件在電工與電子技術實驗中的應用
1 Multisim仿真實驗實施方案
首先學生應熟悉仿真軟件的使用方法和電路圖的繪制方法；再根據(jù)實驗內容和要求在虛擬元件庫和儀器庫中選擇虛擬元器件和測試儀器，并設置相關的參數(shù)；進而繪制出實驗電路圖，運行仿真軟件進行虛擬電路的測試；最后學生還要分析輸出的測試數(shù)據(jù)與理論計算結果是否相符或是否滿足設計要求。在整個虛擬仿真實驗過程中，既能夠鍛煉學生的讀圖和繪圖能力、增強對電路的感知，又能充分調動學生的積極性并培養(yǎng)創(chuàng)新能力。
2 應用實例
為某一燃油鍋爐設計一個簡單的組合邏輯報警電路：在燃油噴嘴處于開啟狀態(tài)時，若鍋爐水溫或煙道水溫過高則發(fā)出報警信號。設計中用A、B、C三個輸入變量分別表示燃油噴嘴、鍋爐水溫和煙道水溫的邏輯狀態(tài)，用輸出變量狀態(tài)表示是否發(fā)出警報信號。應用Multisim10.0仿真軟件可以簡化設計過程，即在軟件特有的虛擬邏輯轉換器（對話框如圖1所示）中列出輸入、輸出變量對應的狀態(tài)值（即邏輯狀態(tài)表），虛擬邏輯轉換器便可自動列寫出對應的邏輯表達式，并按需要的門電路自動繪制出組合邏輯電路圖（如圖2所示）。學生可以將此結果與理論設計結果相比較，并用實驗設備實際操作驗證，最終得出實驗結論。
圖1 邏輯轉換器對話框
圖2 參考組合邏輯電路圖
四、結語
將Multisim仿真軟件應用于電工與電子技術實驗，是實驗教學有效的輔助手段，成為學生理論學習和實驗教學的良好銜接。電工與電子技術仿真實驗并不會代替?zhèn)鹘y(tǒng)設備實驗，而是作為其有益補充。學生先對實驗進行仿真，再用設備實際操作，可以少走彎路，節(jié)省時間，減少元器件的損耗，同時還可以打破地域和時間的束縛，充分調動學生自主學習的積極性，從而提高學生的電路分析水平和綜合應用水平，培養(yǎng)動手實踐能力和設計創(chuàng)新能力，把電工與電子技術的實驗教學推上一個新的高度。
【參考文獻】
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篇5
【關鍵詞】Multisim；電工電子技術；教學
電工電子技術是工科院校非電類專業(yè)的基礎課程之一，其內容涵蓋電工技術基礎、模擬電子技術基礎和數(shù)字電子技術基礎等三部分內容。該課程教學內容主要是由理論和實驗兩部分組成，是一門理論和實踐高度契合的課程。但是在電工電子技術教學中，由于實驗設備種類較多，而且也不易攜帶，所以在教室授課的教師往往將授課重心放在理論講解和電路的分析計算上，課堂教學與實際電路的應用及操作結合不充分，使得教學內容呈現(xiàn)方式缺乏直觀性，非常抽象難懂，因而學生的學習積極性不高，導致該課程的授課效果較差。
隨著計算機技術的發(fā)展，多媒體教學已廣泛應用于高校課堂；另外，電子設計自動化EDA軟件Multisim不僅對電路具有良好的仿真分析能力，而且還能夠貼近實踐操作，完全能滿足電工電子技術理論教學中實例展示的需求。因此，通過多媒體技術，將Multisim軟件引入電工電子技術教學中，不僅為授課教師提供了一個便捷的電路分析展示平臺，而且也讓學生在抽象的理論教學中觀察到電路運行的真實過程，增加了學生的感性認識，這將大大激發(fā)學生的學習興趣，促進電工電子技術教學的向著更深層次的方向發(fā)展。
一、Multisim軟件簡介
Multisim是加拿大Interactive Image Technoligics公司推出的專門用于電子線路仿真與設計的EDA工具軟件。作為Windows下運行的個人桌面電子設計工具， Multisim是一個完整的集成化設計環(huán)境，其特點及功能如下：
① 人性化的圖形界面：Multisim軟件的整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到工作窗口內，用鼠標點擊相應的端口即可將其用導線連接。軟件中虛擬儀器的控制面板和操作方法都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上展示的一樣。
② 豐富的元器件庫：Multisim元器件庫包括基本元件、半導體器件、運算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種電子元件，而且用戶可以自行創(chuàng)建或修改所需元件模型。
③ 多樣化的測試儀器：Multisim具有數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉換儀等多種虛擬儀表，所有儀器均可多臺同時使用。
④ 完備的分析手段：Multisim具有直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、噪聲分析、失真分析、等多種分析工具，基本能滿足一般電路的設計分析需要。
⑤ 強大的仿真能力：Multisim可以對模擬和數(shù)字電路進行單獨仿真或者混合仿真。
Multisim仿真與虛擬儀器技術可以彌補理論教學中因實驗設備不足而造成的理論教學與實際操作相脫節(jié)的這一問題。學生可以很方便地把學到的理論知識用Multisim仿真的方法真實的再現(xiàn)，加深學習印象。
二、Multisim在電路計算中的應用
在電工電子技術理論授課中，教師在講解電路的基本定律（定理）的時候，不僅要對定律進行闡述，而且也要對其進行推導證明，然后還要舉例驗證定律的正確性。雖然教師對知識點的闡述已經非常明晰了，但是在學生內心總覺得還缺少點什么，其原因在于學生沒有觀察到實際電路，對教師所傳授知識的正確性存在一絲懷疑――這樣分析計算對么？為了解決這一問題，讓學生在理論知識的學習中觀察到電路的工作過程，本人在電工電子技術的理論授課中，采用Multisim軟件來進行舉例展示，下面以基爾霍夫定律來展示教學過程。
① 對基爾霍夫電壓定律進行闡述，并講解其使用方法；
② 使用教材所給例子，檢驗該定律的正確性及相應的計算方法
③ 使用Multisim軟件繪制的教材所提供電路圖；
④ 在電路需要計算電壓的位置放置虛擬萬用表，并對萬用表的功能進行選擇；
⑤ 確認所有操作步驟無誤后，進行仿真，并記錄各個萬用表測得的數(shù)據(jù)；
⑥ 將測量的數(shù)據(jù)與理論計算的數(shù)據(jù)相比較，驗證理論的正確性，其結果如圖1所示。
圖1 基爾霍夫電壓定律驗證實驗電路圖
通過實驗發(fā)現(xiàn)，無論是對上述電路中的哪一條回路進行仿真計算，其電壓之和為總為零，這與基爾霍夫電壓定律完全一致。該仿真過程的優(yōu)勢在于不用復雜計算，便可以得知所需的電路參數(shù)，省工省時，形象直觀。
三、Multisim在電路設計中的應用
在電工電子技術的授課目的之一是讓學生學會分析及設計電路。但是對于沒有任何設計經驗的學生來說，如何驗證自己設計電路的正確性呢？如果遇到復雜的電路如何快速讀懂電路的作用呢？Multisim仿真軟件可以輔助解決此類問題。此處以最為常見的線性電源電路設計為例來講解如何應用Multisim來進行電路設計及分析的，其具體步驟如下：
① 分析電路設計需求，劃分電路各部分的功能。該電路分為降壓、整流、穩(wěn)壓和濾波等四部分；
② 在Multisim軟件中，按照功能劃分，選取各部分電路所需元件，并按照合理的位置進行布局；
③ 連接各元件，檢查并分析電路的可行性；
④ 根據(jù)電路所需測量信號的類型，在電路的關鍵部位放置所需的虛擬儀器，此處只需要虛擬示波器即可；
⑤ 進行仿真測試，并通過虛擬儀器輸出的信號驗證設計的正確性，并及時更改關鍵元件的參數(shù)，使得電路更為合理，其完整電路如圖2所示。
圖2 線性電源電路圖
通過圖2中的兩個示波器可以分別觀察電路輸出信號在各階段的波形，如圖3所示。
圖3 示波器輸出的各階段整流信號
通過觀察示波器輸出的信號波形，不僅可以看到線性電源電路的輸出波形，而且還可以根據(jù)設計要求，更改相應元件的參數(shù)，使得電路滿足設計要求。通過Multisim仿真的設計方法不僅降低了電路設計的難度，而且也驗證了所設計電路的可實現(xiàn)性；另外，教師還可以引導學生進行探索學習，課外讓學生利用軟件完成作業(yè)。這樣有利于培養(yǎng)學生的學習興趣，并且可以形成良好的學習氛圍。
結論電工電子技術教學改革是一個持續(xù)不斷的探索和改進的過程。通過將Multisim電路虛擬仿真平臺引入課堂教學，不但能夠幫助師生驗證理論，使抽象問題直觀化、生動化，還能夠給予學生更多觀察電路、設計電路的機會，同時也為實際電路的操作提供了演練機會。這對于激發(fā)學生的學習熱情，提高學生的動手能力都有很大的促進作用，能夠有效地提升課程的整體教學效果，達到良好的教學目標。Multisim的引入是電工電子技術課程教學改革的有效手段之一。
參考文獻：
篇6
關鍵詞： Multisim 虛擬實驗 真實實驗
1.引言
Multisim應用于電路分析課堂教學，使抽象的概念變得具體，使枯燥的內容變得生動，加深了學生對理論知識的理解掌握。從課堂教學效果來看，既能活躍課堂氣氛，又能調動學生的學習積極性，激發(fā)學生的學習興趣。學生可以利用仿真軟件進行電路仿真、電路設計，利用虛擬儀器測量驗證，拓寬知識面。仿真技術引入課堂，使理論與實踐得到統(tǒng)一。通過Multisim虛擬仿真軟件，學生可利用電腦進行電路仿真及仿真分析，檢驗電路設計方案在功能方面的正確性和可行性，以達到熟悉電路、掌握工作原理和進行實驗創(chuàng)新的目的，為高效率地實驗打好基礎。應當注意的是仿真實驗教學是一種現(xiàn)代化的教學手段，不能代替實際操作，否則會削弱學生對真實儀器的感覺，影響實驗技能的掌握。所以，仿真實驗必須與傳統(tǒng)實驗教學相結合才能發(fā)揮其應有的作用。
2.電子技術課程虛擬和實際實驗教學的對比
傳統(tǒng)的電子技術實驗方法是：學生在實驗室根據(jù)給定的電路圖和元器件搭建實驗電路，甚至部分實驗使用了現(xiàn)成的電路板，用儀器測量數(shù)據(jù)得出結論。在實際實驗之前，學生要根據(jù)實驗目的設計實驗步驟，在實驗過程中則要一邊動手做實驗一邊仔細觀察實驗現(xiàn)象（包括借助于實驗儀器來觀察）、記錄實驗數(shù)據(jù)，并通過分析實驗現(xiàn)象進行推理并最終得出實驗結論。相對于真實實驗，虛擬實驗是基于虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)的，在虛擬實驗系統(tǒng)中，實驗設備和實驗儀器虛擬化，實驗現(xiàn)象和實驗過程虛擬化，學生在虛擬實驗中通過操作鼠標、鍵盤及與計算機相連接的各種多媒體數(shù)據(jù)輸入設備進行點擊或拖放等動作，從而實現(xiàn)對虛擬設備的操作，完成對虛擬實驗的體驗。學生從虛擬實驗中得到的是一種虛擬的體驗，這是一種抽象的體驗。在電子技術實驗教學中，虛擬實驗采用MultiSim1.0軟件設計與仿真，即在計算機上設計搭建電子電路，并修改電路及其元件參數(shù)，用虛擬儀器測試電路性能并分析原因，完成電子電路的設計定型。仿真通過后，在實驗室采用硬件電路實現(xiàn)，并將虛擬實驗的結果與硬件實驗的結果進行對照分析，通過實際電子電路的設計過程，培養(yǎng)學生的綜合分析能力和開發(fā)創(chuàng)新能力。通過MultiSim1.0仿真，不僅可以減少實驗耗材的消耗，避免實驗設備或儀器的損壞，還可以解決實驗室高檔儀器和元器件不足的問題，具有較強的靈活性。如果學生沒有一定的知識和經驗，特別是親身體驗作為基礎，那么這種虛擬和抽象就不符合學生的認知發(fā)展規(guī)律，對學生學習經驗的獲取和意義的建構不僅不具有積極的作用，反而因過于抽象或虛擬而起阻礙作用。
3.虛擬和實際實驗的互補作用
虛擬實驗是根據(jù)教學模型建立的是理想化，虛擬實驗包括虛擬元件和虛擬儀器兩部分。在虛擬實驗中會有一些因素影響其實驗數(shù)據(jù)和結論，只有虛實結合才能正確分析實驗結論，而虛擬實驗雖能簡化實驗過程，提高實驗的效率和安全性，但不能鍛煉學生的動手能力。
（1）目前的虛擬實驗系統(tǒng)是實驗只能按照固定的、正確的操作流程或方法進行，否則實驗不能得到正確的結果，這個結果是機械的，是由程序本身決定的，而不是真實情況的反映。因為程序開發(fā)人員是嚴格按照實驗步驟和實驗現(xiàn)象進行設計和開發(fā)的，可以說一個實驗只有一個結果，實驗中，不允許學生操作錯誤或者對實驗進行一些改變，這樣不利于培養(yǎng)學生從操作失誤中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，限制了學生的發(fā)散思維和創(chuàng)造性思維的發(fā)展。
（2）虛擬元件的阻抗通常是默認的，但有些值也可以設置，實際元件每個阻抗可能都不相同，如設置阻抗參數(shù)就和操作人員的實際經驗有密切的關系，經驗越豐富，設置的參數(shù)就越接近實際情況，用默認值可能就會有與實際實驗不同的數(shù)據(jù)和結論。
（3）在真實條件下做實驗也會因儀器的精度、操作的方法、量程的選擇、實現(xiàn)的方法有不同的結果，這本身就是不可避免的誤差產生的因素。虛擬實驗的理想化和真實實驗的具體情況本身就有一定的差異，在必然和理想條件下的實驗數(shù)據(jù)和結果存在誤差。
（4）虛擬元件中不可能存在真實實驗中的一些情況。如導線會存在的分布電容、電感、電阻，對虛擬實驗的結果會有一定的影響。
（5）虛擬實驗在一些演示性和驗證性類型的實驗中發(fā)揮了較好的作用，但是在實際操作性強的實驗中，則降低了學生的動手操作能力。比如，電子技術很多實驗中，需要實驗者根據(jù)不同的實驗條件使用不同的導線連接實驗線路。在虛擬實驗中，只要點擊相應的按鈕就可以把導線連接到儀器上，學生根本體會不出不同方法所用的導線及導線連接方法有何不同，不能鍛煉實際動手能力。
要使虛擬實驗和實際實驗的數(shù)據(jù)和結論接近，關鍵在于虛擬實驗系統(tǒng)在建立虛擬儀器和元件庫時，要考慮實際的環(huán)境和結論后，設置一些指標和參數(shù)，同時也要使真實實驗的條件向理想情況趨近，如保證理想的室內溫度，考慮參數(shù)的分散性等，這樣才能使虛擬實驗的數(shù)據(jù)和結果仿真到實際實驗的數(shù)據(jù)和結果。電子技術虛擬實驗，增強了實驗課的教學效果。虛擬實驗不受時間及空間的限制，學生可以自主地完成實驗，具有良好的發(fā)展前景。但虛擬實驗的實現(xiàn)是一項復雜的工作，還有許多理論和技術問題有待進一步探討，因此，在現(xiàn)有條件下，虛擬實驗是不可能完全代替實物實驗的。在實物實驗過程中，元件參數(shù)分散性、誤差、噪聲等現(xiàn)象是客觀存在的，對于培養(yǎng)學生的和創(chuàng)造性思維是至關重要的，也要引起足夠的重視。只有先理論后實踐，先做真實實驗后做虛擬實驗，或先做虛擬實驗后做真實實驗，才能使二者有效結合，相互依存，使電子技術實驗更完善。
參考文獻：
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篇7
摘 要：摘要： Multisim11是一個適用于電子電路、單片機及VHDL等多學科的仿真與設計的EDA工具軟件。文章介紹了Multisims11仿真軟件的主要功能及特點，并結合該軟件對單調諧高頻小信號放大電路的主要質量指標進行了測試與仿真分析，結果直觀、精確，很好地驗證了理論，表明該軟件有強大的仿真和分析功能，在實現(xiàn)高頻電路分析和設計方面不僅高效、可靠，而且具有逼近真實電路的效果。
關鍵詞：關鍵詞：Multisim11；高頻電子技術；仿真
中圖分類號： 文獻標識碼：A 文章編號：
1.引言
“高頻電子技術”是電子和通信專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，高頻電路實驗在通信系統(tǒng)和設備中占有重要的地位,通過實驗達到加深理解所學的理論知識,培養(yǎng)理論聯(lián)系實際、分析與處理實際問題的能力。但是由于高頻實驗對儀器精度要求高,易受外界的干擾,分布電容等原因,高頻實驗中存在的一個最大的問題就是實驗原理較難,實驗電路復雜，實驗效果容易收到外界信號干擾。虛擬電子實驗系統(tǒng)是以虛擬儀器和虛擬實驗為基礎,借助于圖形/圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術在計算機上模擬相關的軟硬件實驗環(huán)境、實驗對象和實驗過程,應用虛擬現(xiàn)實技術來仿真現(xiàn)實中的實驗的計算機應用系統(tǒng),具有仿真性、實時交互性、共享性、協(xié)同性、可重用性等特點。文章將結合高頻的典型實驗電路為例探討基于Multisim11的高頻電子技術仿真分析及研究.計算機工程與設計, 2004, 4: 65-67.
篇8
關鍵詞：Multisim； 數(shù)字時鐘； 實驗教學； 電路仿真
中圖分類號：TN71034; TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)10018402
加強實驗教學、提高動手能力與創(chuàng)新能力是高等教育的教學重點。伴隨著電子技術的快速發(fā)展，元器件、設備儀器不斷更新，現(xiàn)有的實驗室條件無法滿足各種電路設計、調試要求，尤其綜合性、創(chuàng)新性實驗需要多種儀器共同完成其功能，暴露出實驗室儀器設備費用高、損耗大、更新慢的缺點，一般高校無法滿足此類實驗要求。電路仿真軟件Multisim擁有龐大的元器件庫，具有強大的虛擬儀器功能，有一般實驗室少有的頻譜分析儀、網(wǎng)絡分析儀等虛擬儀器。在電子技術基礎實驗中引入Multisim，再配合傳統(tǒng)的實驗設備進行實驗，減輕了購買、更新實驗設備的資金壓力?？梢哉f，利用虛擬儀器技術進行實驗教學已經勢在必行。有些院校已經使用Multisim展開教學［19］。
1 數(shù)字時鐘實驗
數(shù)字時鐘實驗是電子技術基礎實驗中的綜合性實驗之一。數(shù)字時鐘是一種典型的數(shù)字電路，包括了組合邏輯電路和時序邏輯電路，通過設計數(shù)字時鐘，學生會進一步了解數(shù)字時鐘的原理和集成電路的使用方法，加深掌握邏輯電路的原理和使用方法。
1.1 數(shù)字時鐘的組成
數(shù)字時鐘是一個對標準頻率（1 Hz）進行計數(shù)的計數(shù)電路。在計數(shù)時，如果起始時間和當前時間不一致，還需要加一個校時電路。同時，校時電路還可以在調試數(shù)字時鐘時發(fā)揮重要作用。數(shù)字時鐘構成如圖1所示。
圖1 數(shù)字時鐘框圖1.2 模60和模24計數(shù)器的實現(xiàn)
“秒”和“分”計數(shù)器都是模60計數(shù)器，由個位的10進制計數(shù)器和十位的6進制計數(shù)器組成。74LS90是10進制計數(shù)器，利用2片74LS90，通過異步清零功能，并配合與門74LS08使用，實現(xiàn)模60計數(shù)器或模24計數(shù)器的功能。
1.3 譯碼電路
譯碼電路可以選用4線7段譯碼器/驅動器74LS248，采用共陰極LED數(shù)碼顯示器。
1.4 校時電路
當數(shù)字時鐘接通電源或計時出現(xiàn)誤差時，需要校準。常用的校準方法為“快速校準法”，即校準的時候使分、時計數(shù)器對1 Hz的秒脈沖信號進行計數(shù)［10］。
2 仿真、測試
實驗環(huán)境：Multisim10.1，Windows XP。經實際測試，60進制和24進制計數(shù)器都能夠運行正常，能夠實現(xiàn)60進制和24進制的邏輯功能，校時電路也能夠對時、分計數(shù)器進行校正。實現(xiàn)了數(shù)字時鐘的功能。
仿真電路如圖2所示。
圖2 數(shù)字時鐘整體電路3 結 語
使用Multisim仿真數(shù)字時鐘時，如果按照現(xiàn)實中的時、分來計時的話，不便于觀察時鐘運行周期。比如，花費一天的時間才能觀察24小時的顯示周期是否正確。而提高輸入脈沖的頻率，可以“縮短”時間，實驗者可以花費較少的時間觀察時鐘運行周期的變化。運行環(huán)境是CPU AMD Athlon 2.01 GHz,仿真脈沖最高頻率達到240 MHz，再高的頻率就影響LED的顯示，無法清晰觀察時鐘的變化。數(shù)字時鐘的實驗還能做一些功能擴展，如整點報時、定時控制，可以留做大學生創(chuàng)新性實驗的一部分。通過制作數(shù)字時鐘，即加深了理論知識的學習，還鍛煉了動手能力和創(chuàng)新能力。先利用Multisim仿真，再用實際器件搭建電路，實現(xiàn)邏輯功能，一方面節(jié)省了器件費用、減少了儀器損耗，另一方面，提高了工作效率。因此，利用Multisim強大的功能對電子電路進行仿真測試，參數(shù)精確可靠，可以提高電路的設計和分析效率。
參 考 文 獻
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篇9
關鍵詞:電子技術；CDIO；虛擬仿真；教學改革
1引言
電子技術是上海工程技術大學非電類專業(yè)學生的一門公共基礎實踐課程。電子技術實驗課程不僅可以鞏固學生課堂所學的部分基礎知識，而且有利于培養(yǎng)學生工程實踐和創(chuàng)新能力。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）模式，即“構思—設計—實施—運作”模式，其在電子實習教學中得到廣泛應用[1-6]。上海工程技術大學工程實訓中心也通過開展CDIO模式的電子實習實踐，不僅強調學生對電子技術、電工技術等課程基礎知識的復習和掌握，也注重在基本技能訓練過程中培養(yǎng)學生團隊協(xié)作和創(chuàng)新精神[2]。它通過項目的構思設計和實施運作，將學生的整個課程體系有機地結合起來，從而達到知識的系統(tǒng)學習和工程實踐能力的全面提升。
2電子實習教學改革前存在的問題
學生在課前預習率不高，導致自學能力提升不足實習學生在實習上課前都會分到電子實習教材，大多數(shù)學生沒有對教材進行課前預習。在電子實習期間，教師在實訓教室對實習教學進行講解，學生基本上被動聽課。在實習過程中，學生完全聽從教師的安排，不少學生缺乏主動性和積極性。如果學生課前進行課前預習，會帶著些疑問進行聽課和動手實驗，這樣課堂收獲會更大，并在此過程中培養(yǎng)自學能力。教學內容陳舊，教材和實習內容很多年沒有發(fā)生變化，不能很好地適應社會需求電子實習項目內容只包括直流穩(wěn)壓電源的焊接和調試，該實習內容應該屬于20世紀90年代的直流穩(wěn)壓電源的做法，屬于市電不控整流AC/DC變換，功率因數(shù)很低，該架構在實際應用中已經很少采用。實習的內容陳舊，不能有效涵蓋電子技術、電工技術等教材的知識點。如核心的負反饋電路、運算放大器等其他重要的知識點，沒有涵蓋實驗項目。教學過程中理論和創(chuàng)新方面互動環(huán)節(jié)偏少目前在實習過程中，學生和實習教師互動環(huán)節(jié)很多，但涉及理論和創(chuàng)新方面的很少。在實習過程中，不少學生對電路原理不是很理解，關心的重點就是要如何把實驗結果給做出來，對電路工作原理是什么，如何對其進行改進，他們很少關心，造成實踐教學效果有欠缺。學生考核內容不科學，不能很好地反映學生對知識點的掌握、運用和創(chuàng)新能力目前學生實習成績包括考勤、實驗完成情況和實習報告三大塊，不能客觀體現(xiàn)學生對知識點的理解能力和創(chuàng)新能力。由于實驗是分組進行，學生人數(shù)較多，實習教師工作量大，不可能正確評價每個學生在實習中的表現(xiàn)，可能會存在濫竽充數(shù)的問題，出現(xiàn)不努力的學生通過一份好的實驗報告，就有可能獲得好的成績等不合理現(xiàn)象。
3教學改革與實踐教學模式介紹
根據(jù)之前電子實習環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題，立足學校實際情況，通過引入虛擬仿真環(huán)節(jié)，對以CDIO工程教育理念為指導的電子實習教學環(huán)節(jié)進行教學模式的補充與完善，加強學生主動性，增加知識點運用及創(chuàng)新互動環(huán)節(jié)，培養(yǎng)適應新時期社會需要的創(chuàng)新型人才。具體的教學改革措施與實踐情況如下。1）建立以服務學生、引導學生創(chuàng)新為目標的教學模式，通過在實習前讓學生使用MATLAB、Saber、PSIM等計算機虛擬仿真工具進行仿真模擬，提前模擬做技術工作所需要的工作步驟，加強學生對基礎知識的理解，并在此基礎上引導學生獨立思考，培養(yǎng)他們進行自主學習的能力，適應社會需要。首先要求實習教師樹立服務引導學生的教育理念，改變填鴨教學模式，在實習前依據(jù)CDIO工程教育理論，注重對學生電子實習課前的預習任務進行安排，增加課前仿真預習環(huán)節(jié)作業(yè)。指導教師教授學生使用合適的仿真軟件，學生通過使用MATLAB、Saber、PSIM等虛擬仿真工具進行電子原理圖仿真模擬。這樣一來，學生通過計算機虛擬仿真環(huán)節(jié)，對實驗中需要手動搭建的原理圖已經有了很好的認知。教師在實驗過程中可以幫助學生有針對性地提出問題，幫助他們掌握電子實習原理圖的工作原理。2）電子實習過程中采用學習、仿真、實驗、創(chuàng)新實踐教學模式，幫助學生有效理解和運用知識，進而產生知識創(chuàng)新的能力。將電子實驗教學模式進行改革與創(chuàng)新，實施過程分解為學習、仿真、實驗和創(chuàng)新四個主要階段。學習主要包括課本知識的學習與理解以及介紹仿真的作用，在這個階段包括教師課堂講授和學生課前課后學習等。實習教師需要給學生講述電子技術的應用范圍及發(fā)展趨勢，并帶領學生參觀之前學生進行電子實習的優(yōu)秀仿真及作品，激發(fā)學生對電子知識的興趣。仿真主要是在搭建仿真電路及仿真調試的過程中幫助學生更好地理解和消化知識點。這個階段要求學生分組進行仿真練習，實習教師主要引導學生逐步掌握電路模塊的調試和診斷能力，在學生仿真過程中引導和啟發(fā)他們在元器件損壞、線路連接不良等條件下，對可能會出現(xiàn)的問題進行仿真分析和分組討論，增加互動環(huán)節(jié)，幫助學生對常見電路故障進行分析，在實驗時遇到問題和困難都可以很快解決。該階段有助于培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。實驗主要是通過實際操作環(huán)節(jié)完成上機實驗，并獲取正確的實驗結果。在這個階段，實習教師要引導學生結合仿真和實驗結果進行比較，對于仿真和實驗結果可能會出現(xiàn)的偏差進行分析，這樣有助于增強學生工程實踐的概念。創(chuàng)新主要培養(yǎng)學生創(chuàng)新知識的能力。實習教師通過提出一系列創(chuàng)新項目，對學生進行項目引導，學生自由組隊、分工合作，共同完成創(chuàng)新項目的原理圖設計、仿真驗證及優(yōu)化、電路焊接和性能調試，達到或超過項目目標。這個階段注重發(fā)揮學生的創(chuàng)造性，學生根據(jù)項目的任務要求，自擬方案、自主設計、獨立調試，實習教師只是啟發(fā)和引導他們，同時在小組碰到難題時提供必要的幫助與支持。3）利用虛擬仿真拓展實驗不具備的項目內容，引導學生對關鍵知識點進行仿真，強化學生知識點的掌握和理解能力，并在電子實習教學課程完成后增加創(chuàng)新設計環(huán)節(jié)。在電子技術、電工技術等課程中核心知識點很多，對于在電子實習中沒有涉及的知識點，引導學生對其進行仿真，并同時提供一些已經完成的仿真程序，可以讓學生更直觀地了解電路工作原理，拓寬、加深對知識點的理解，避免出現(xiàn)以往死記硬背、考完試就忘記的現(xiàn)象。對于沒有納入電子技術實驗又非常重要的知識點，如運算放大電路比例積分負反饋、一階暫態(tài)電路瞬態(tài)分析等內容，也要求學生進行虛擬在線仿真，加強對知識點的理解。并在此基礎上讓學生進行難度較大的仿真，增強他們掌握運用知識點的本領，進一步提升創(chuàng)新能力。4）建立大學生創(chuàng)新工作室，為學生繼續(xù)開展項目研究提供硬件保障和技術支持。在完成電子仿真及實驗后，不少優(yōu)秀學生的創(chuàng)造力被激發(fā)，他們表達了類似的愿望，希望對電子實習內容進行進一步的項目拓寬及技術探索。為此，工程實訓中心建立大學生創(chuàng)新工作室，聘請有經驗的教師作為學生導師，為學生在課外項目方案確定、仿真評估、實驗驗證過程中提供必要的技術指導和幫助。同時，工程實訓中心全力支持大學生創(chuàng)新項目的實施。5）針對優(yōu)秀的學生，鼓勵他們參與教師科研項目，進一步提升技術能力。對于在電子實習中表現(xiàn)優(yōu)秀的學生，工程實訓中心教師根據(jù)每個學生的特長，讓他們分工合作，共同承擔一部分教師的科研任務，主要包括資料查閱、原理圖繪制、電子元器件封裝制作、仿真模型搭建、電路調試、數(shù)據(jù)測量等內容。這樣可以更好地開闊學生的視野，較好地培養(yǎng)學生的團隊意識，拓寬學生的知識面，激發(fā)他們的潛力和創(chuàng)造力。
4教學效果
通過學生仿真和實驗報告、調查問卷、師生座談和大學生創(chuàng)新項目等形式，了解到進行電子技術實習教學改革嘗試之后，廣大學生普遍感覺受益匪淺，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。個人自學能力明顯提高，對知識點的理解更加透徹之前在課堂上學到的理論知識，到了電子實習階段，不少學生已經忘記很多。為了完成電子實習仿真作業(yè)，團隊成員前期必須翻看之前課本教材，查閱仿真技術資料，搭建仿真模型及進行仿真分析，通過虛擬仿真可以幫助他們有效理解、掌握相關知識點，掌握技術研究仿真模擬算法，提高運用電子知識的能力。采用仿真技術有效提高電子實習效率前期仿真學生花費的時間雖然較長，但主要是占用他們的課前課后時間，學生在自己搭建仿真電路并進行仿真調試的過程中，已經對電路工作原理有了比較清晰的認識，后期手動焊接電路調試階段的時間大大縮短，提高了電子實習效率。增強學生創(chuàng)新能力不少學生在實習報告心得體會一欄寫到實習的最大體會，就是學習了如何掌握電子知識的正確的學習方法。仿真對電子實習幫助很大，通過增加虛擬仿真等環(huán)節(jié)，使得學生可以更好地理解目前實驗室不具備的實驗項目，使得他們采用虛擬仿真等手段對感興趣的項目進行仿真分析，這也激發(fā)了他們的創(chuàng)新能力。不少學生在實驗報告后續(xù)項目中列出不少新穎的提案，也有不少學生建議把仿真提前應用于之前的電子技術和電工技術的教學中去。培養(yǎng)學生團隊合作精神及溝通能力電子技術實習過程中由于任務繁重，學生需要進行分組實驗。在實習過程中如何搭建仿真模型，如何進行參數(shù)調整及模擬異常情況，以及后續(xù)的動手實操環(huán)節(jié)等，都需要組內學生共通討論、分工合作，一榮俱榮，一損俱損。每個學生要發(fā)揮自己的作用，做好自己的工作內容，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，都會影響到小組成績。為了保證實習的正常進行，需要學生發(fā)揮主動性，除了完成自己的工作，對于組內其他學生在工作中出現(xiàn)的問題都要及時提供幫助，在這個過程中也無形地培養(yǎng)了學生的合作精神和溝通能力。
5結語
通過引入虛擬仿真環(huán)節(jié)，應用在以CDIO工程教育理念為基礎的電子實習教學中，對電子實習教學模式和考核方法進行改革，增加課前預習仿真作業(yè)，重視仿真對實習過程的理論指導作用，通過仿真加強學生對基礎知識的理解和靈活運用，并在此基礎上拓寬學生的仿真范圍，進而引導學生培養(yǎng)創(chuàng)新能力，有效提高了電子實習教學的質量，增強了教學效果。
參考文獻
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篇10
關鍵詞：電力電子；實驗；NI ELVIS
作者簡介：劉晉（1974-），男，河北涿州人，華北電力大學電氣與電子工程學院，講師；牛印鎖（1973-），男，河北定州人，華北電力大學電氣與電子工程學院，高級工程師。（北京?102206）
基金項目：本文系華北電力大學2010年教改項目的研究成果。
中圖分類號：G642.423?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）21-0084-02
電力電子技術廣泛應用于電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電和用電等領域；同時，在太陽能光伏發(fā)電和風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電領域，電動汽車技術、電氣節(jié)能和電力傳動等領域也有廣泛的應用。電力電子技術的廣泛應用對電力電子技術教學和研究都提出了新的要求和內容。
目前，“電力電子技術”已經成為各個高校電氣工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎課。由于電力電子技術的實踐性強，其實驗環(huán)節(jié)的教學方法和手段對于電力電子教學效果具有重要影響。
本文針對電力電子實驗教學的特點，應用NI ELVIS平臺進行了電力電子電路實驗設計的教學研究，對于該平臺的特點和應用進行了介紹，并用實例展示了NI ELVIS平臺在電路設計實驗教學中的應用。希望能夠幫助從事電力電子實驗教學的教師開拓教學思路、豐富教學手段、提高教學效果，為該課程的實驗教學提供有益的參考和借鑒。
NI ELVIS（教學實驗虛擬儀器套件）是一個基于LabVIEW的系統(tǒng)設計與原型創(chuàng)建的工具套件，用于高等院校的工程與科學實驗室。使用NI ELVIS，學生們可以在學習以下一些領域中的工程理論知識的同時將它們付諸于實踐：電子電路、信號處理、通信、控制系統(tǒng)、機械測量與機械電子等。
一、平臺介紹
美國國家儀器公司（NI）的教學實驗室虛擬儀器套件 (ELVIS)可用于電路的動手設計及原型設計及實現(xiàn)，平臺集成了12款最常用儀器，包括示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、波特分析儀等，緊湊的結構是實驗室及課堂教學的理想實驗平臺。
ELVIS可通過USB接口與PC連接，實現(xiàn)快速易用的測量采集及顯示，它將 NI ELVIS與Multisim的原理圖與SPICE仿真環(huán)境結合在一起。學生可以將在教科書中學習的電力電子電路應用到Multisim中，從而通過學習電路建模仿真，理解電路的工作原理和控制方法。同時，學生在 Multisim環(huán)境中可以使用 ELVIS儀器，在ELVIS實驗平臺上用實際元器件搭建實際電路，通過Multisim軟件，可以將設計電路的仿真結果與實際電路的測量結果進行比較。
在NI ELVIS平臺上進行電力電子電路設計實驗的基本過程如下：
（1）在Multisim 軟件中根據(jù)電路性能要求搭建所設計的電路模型。模型中選取的元器件要和實際將要采用的元器件型號一致（可以從Multisim的元件庫中進行選擇）。模型搭建好后，通過仿真得到各個元件的電壓和電流波形，以檢驗所設計電路的正確性和可行性。
（2）在驗證了所設計的電路滿足設計要求之后，在Multisim軟件中打開NI ELVIS虛擬3D平臺，仿真中所設計電路的元器件將以虛擬元器件的形式出現(xiàn)在虛擬平臺上。學生可以將虛擬元器件在虛擬平臺上進行布置和布線，模擬在實際面包板上進行電路實現(xiàn)。模擬布置和布線完成后，可以在虛擬平臺上進行再次仿真，并將仿真結果和Multisim軟件中電路模型的仿真結果進行對比。虛擬平臺上實現(xiàn)的虛擬電路的布置和連線就是未來在實際ELVIS平臺上搭建的電路原型。
（3）進行實際元器件的選購（實驗室可以提供一些元器件供學生選擇）。根據(jù)虛擬電路的結構、元件布置和連線，在實際ELVIS平臺上搭建所設計的電路原型，并對電路進行測量，將實際電路測量結果和仿真結果進行對比。給出設計電路的性能評價，并對其進行修改。
（4）應用Multisim軟件，將修改后的最終電路生成PCB設計圖，并進行元件布置和連線調整，最終生成PCB印刷電路板圖，可以完成真正的電路設計和制作。
通過這種模式的實驗教學，使得學生通過ELVIS平臺將電力電子電路理論和電力電子電路設計與實現(xiàn)的實踐過程很好地結合起來，既縮短了電路設計的時間，又大大提高了學生的學習興趣，是一種比較好的實驗教學手段。
二、實驗案例
下面以整流和PWM逆變電路實驗設計與實現(xiàn)為例，介紹基于NI ELVIS平臺的電力電子電路設計實驗教學的特點。
圖1為單相橋式整流電路的仿真原理圖，通過仿真驗證設計電路的可行性。圖2為虛擬ELVIS面包板示意圖，學生可以在電腦上完成元器件的布置和連線。圖3為將仿真電路放置到虛擬ELVIS面包板上準備進行元器件的布置和連線。圖4為在虛擬平臺上搭建的電路。圖5為模擬電路在虛擬3D ELVIS平臺上的示意圖。圖6為實際ELVIS平臺上的實際電路。
三、總結
本文通過實驗案例展示了NI ELVIS平臺在電力電子實驗教學中的應用，希望能為其他院校該課程的教學和教學改革提供一定啟發(fā)和有益的參考。
參考文獻：
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