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      電子技術(shù)教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      2015-12-16 03:42:32上官晉太
      長治學(xué)院學(xué)報(bào) 2015年5期
      關(guān)鍵詞:鋸齒方波矩形

      上官晉太

      (長治學(xué)院 計(jì)算機(jī)系,山西 長治 046011)

      電子技術(shù)教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      上官晉太

      (長治學(xué)院 計(jì)算機(jī)系,山西 長治 046011)

      合理的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)有利于學(xué)生對理論的理解,也有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。文章利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展仿真實(shí)驗(yàn),具有靈活,方便的特點(diǎn)。通過實(shí)際應(yīng)用效果良好。

      電子技術(shù);虛擬實(shí)驗(yàn);仿真;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

      1 引言

      在電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,由于實(shí)驗(yàn)器件損壞使得部分實(shí)驗(yàn)難易進(jìn)行。利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以在一定程度上解決這個(gè)問題。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)利用了計(jì)算機(jī)的仿真優(yōu)勢,可以在沒有設(shè)備實(shí)物的情況下,在遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室的地方最大程度的幫助學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并且形象地觀察到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[1-3]。虛擬實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)優(yōu)勢是學(xué)生可以用最短的時(shí)間改變實(shí)驗(yàn)參數(shù),動態(tài)的展現(xiàn)參數(shù)變化和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系,有利于幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的本質(zhì),在真正意義上讓學(xué)生主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的過程,避免學(xué)生讓實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書牽著走,被動的接受實(shí)驗(yàn)結(jié)論這樣的結(jié)果存在[4-5]。在虛擬實(shí)驗(yàn)軟件中EWB以其使用簡單,占用資源少,對硬件要求低的優(yōu)勢受到了很多人的關(guān)注。

      2 系統(tǒng)組成

      按教學(xué)大綱的要求,電子技術(shù)課程包括電路理論和模擬電子技術(shù)兩部分內(nèi)容。本著由淺入深、強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)、驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性相結(jié)合的理念,對應(yīng)于課程的理論知識設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括利用EWB構(gòu)建如下幾方面的實(shí)驗(yàn):直流電路的分析,交流電路的分析,電路的暫態(tài)分析,晶體管放大電路分析,負(fù)反饋放大電路的分析和信號產(chǎn)生電路的分析。文章以信號產(chǎn)生電路為例說明用EWB構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)的方法和過程。其中包括正弦振蕩電路、方波-三角波產(chǎn)生電路和矩形波-鋸齒波產(chǎn)生電路。文章分別討論了電路的構(gòu)成方法和輸出波形。

      3 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

      圖1 正弦振蕩電路

      (1)RC正弦振蕩電路。此電路是依靠自身的自激震蕩產(chǎn)生一定幅度、一定頻率的正弦信號的電路。電路構(gòu)成如圖1所示,圖中兩個(gè)反向連接的二極管和20 k電阻并聯(lián)形成非線性的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)再與可變電阻串聯(lián)接入集成運(yùn)放的反相端構(gòu)成同相比例放大電路。非線性電阻網(wǎng)絡(luò)的作用是為了開始加電的時(shí)候使電路處于放大狀態(tài),經(jīng)過循環(huán)放大得到一定的幅度值,然后轉(zhuǎn)入到穩(wěn)幅狀態(tài)。選頻網(wǎng)絡(luò)由RC串并聯(lián)電路組成,其中可變電阻用來對輸出正弦信號頻率進(jìn)行微調(diào),并聯(lián)電容組實(shí)現(xiàn)頻率的粗調(diào)。在輸出端分別用示波器和電壓表來顯示和測量輸出波形。

      圖2 輸出正弦波形

      在圖2中測量出正弦波的周期T為20 ms,計(jì)算可知正弦波的頻率為50 Hz。在圖1中RC選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻為32 kΩ,電容為0.1 μF代入如下公式:

      可得:f0=49.76 Hz,可見計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測量頻率高度吻合。用EWB的暫態(tài)分析功能可得圖3所示結(jié)果,可清楚的觀察到電路的起振過程。

      圖3 電路起振過程

      (2)方波-三角波產(chǎn)生電路,圖4為其電路構(gòu)成。集成運(yùn)算放大器A1接成正反饋,接通電源后,A1的輸出為飽和輸出,波形為方波。集成運(yùn)放A2接成積分電路,對前面輸出的方波進(jìn)行積分,輸出為三角波。圖5是方波和三角波輸出的對比圖。由于正反兩個(gè)方向的積分通路是相同的,所以時(shí)間常數(shù)也相同,這樣在兩個(gè)集成運(yùn)放的輸出端就會分別得到方波和三角波。經(jīng)計(jì)算波形的周期如下:

      圖4 方波-三角波電路

      圖5 輸出方波和三角波波形

      (3)矩形波-鋸齒波產(chǎn)生電路。如果用加入二極管的方法改變充電和放電兩個(gè)方向的積分通路,即改變電容的充電和放電常數(shù),可以在兩個(gè)集成運(yùn)放的輸出端分別得到占空比不同的矩形波和鋸齒波輸出。電路圖如圖6所示,圖7是其輸出波形。可以看到輸出矩形波的占空比小于0.5。由分析可知鋸齒波的上升時(shí)間T1和下降時(shí)間T2分別為:

      因此鋸齒波的周期為:

      4 結(jié)束語

      利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)不僅可以解決電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題,同時(shí)可以把實(shí)驗(yàn)室“搬回”到學(xué)生宿舍,帶在學(xué)生身邊,隨時(shí)隨地可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真。即使在課堂上學(xué)生也可以把理論上學(xué)到的東西用實(shí)驗(yàn)的辦法即時(shí)仿真出來,加強(qiáng)了理論教學(xué)的效果,培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。通過多年的教學(xué)實(shí)踐證明,在電子技術(shù)課程的教學(xué)過程中把實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬實(shí)驗(yàn)手段有機(jī)的結(jié)合起來,充分利用各自的優(yōu)勢可以有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在電子設(shè)計(jì)大賽中也以快速、方便的特點(diǎn)受到同學(xué)們的歡迎。參賽同學(xué)可以利用此技術(shù)免去繁瑣的電路搭建,直接看到輸出結(jié)果,實(shí)時(shí)的改變電路參數(shù)或結(jié)構(gòu)為作品的完成贏得時(shí)間。實(shí)踐證明,無論是在教學(xué)過程中還是工程應(yīng)用中虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都可以起到很好的作用。

      圖6 矩形波-鋸齒波電路

      圖7 輸出矩形波和鋸齒波波形

      [1]徐余寶.基于Multisim的虛擬電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2015,31(1): 73-75.

      [2]陳群英.基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)改革[J].科技與創(chuàng)新,2015,(17):120-121.

      [3]周教生.虛擬電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表,2015,(6):108-110.

      [4]張紅賓,趙二剛,張穎.虛擬仿真在電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2015,18(3):44-47.

      [5]王斌張國強(qiáng).虛擬儀器技術(shù)在電子學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2015,13(3):61-63.

      (責(zé)任編輯 張劍妹)

      TP391.9

      A

      1673-2015(2015)05-0078-03

      山西省高等學(xué)校科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2013160);長治學(xué)院教研項(xiàng)目(JY201414)。

      2015—05—16

      上官晉太(1964—)男,山西陽城人,博士,副教授,主要從事數(shù)字圖像處理教學(xué)與研究。

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