基于仿真技術(shù)的模擬電路教學(xué)演示系統(tǒng)

幸敏，楊秀謙，龍祖連

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧，530023）

0 前言

模擬電子技術(shù)是電子信息專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，因其涉及概念多、理論抽象、電路復(fù)雜多變等原因，學(xué)生普遍感覺學(xué)習(xí)困難[1-2]。為提高模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)成效，當(dāng)前高職高專教學(xué)中，盡量減少電路理論推導(dǎo)，更多借助專業(yè)的電路仿真軟件（如Proteus），通過仿真演示電路的節(jié)點(diǎn)電壓值和支路電流值的方式來講解電路，以降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。但專業(yè)的電路仿真軟件，功能多、功能強(qiáng)，但其并非專為教學(xué)開發(fā)，用于教學(xué)演示時(shí)有如下不足：（1）運(yùn)行仿真前，需要編輯電路，對(duì)關(guān)注的節(jié)點(diǎn)并上電壓表，對(duì)關(guān)注的支路串入電流表，仿真時(shí)才能顯示節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流。當(dāng)關(guān)注多個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓或支路電流時(shí)，并上電壓表或串入電流表就較多，導(dǎo)致電路復(fù)雜化，同時(shí)教學(xué)效率也降低；（2）不支持仿真中編輯電路，若想對(duì)比不同電路拓樸或不同輸入電壓激勵(lì)下的變化，都需先停止仿真，然后重新編輯電路，再運(yùn)行仿真，才能觀察到結(jié)果，這也導(dǎo)致教學(xué)效率降低。

針對(duì)專業(yè)電路仿真軟件在教學(xué)應(yīng)用中的不足，由電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)兩個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)組成一個(gè)項(xiàng)目小組，開發(fā)了一個(gè)全新的模擬電路教學(xué)演示系統(tǒng)。演示系統(tǒng)基于仿真技術(shù)，通過非線性元件的線性等效、建電路方程組、解電路方程組，獲知全部電路節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流，為教學(xué)演示提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。教學(xué)演示上，它具備兩個(gè)創(chuàng)新∶（1）具備所指即所示功能——無需接入電壓表和電流表，仿真狀態(tài)下，只需移動(dòng)鼠標(biāo)至所關(guān)注的連接線，便自動(dòng)顯示連接線的電壓和電流值；（2）具備動(dòng)態(tài)編輯功能——仿真運(yùn)行中點(diǎn)擊某些類型元件，能改變被點(diǎn)擊元件的方向、狀態(tài)或參數(shù)（如二極管的正負(fù)極互換、開關(guān)的通斷狀態(tài)互換、數(shù)字輸入電壓的高低電平互換，或模擬輸入電壓的遞增或遞減），然后自動(dòng)重新仿真電路，使用戶可快速觀察到電路拓樸改變或不同輸入電壓下的節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流的變化。演示系統(tǒng)的兩個(gè)創(chuàng)新，提高了電路仿真演示的效率，提高了教學(xué)成效。演示系統(tǒng)基于C#開發(fā)，編譯生成可執(zhí)行文件后，體量?jī)H有數(shù)M，無需安裝，獨(dú)立運(yùn)行（不依賴第三方軟件），具備完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模擬電路教學(xué)演示系統(tǒng)包括元件圖形數(shù)據(jù)模塊、線性化變換模塊、電路繪圖模塊、電路仿真模塊、所指即所示模塊和動(dòng)態(tài)編輯模塊，其中元件圖形數(shù)據(jù)模塊與電路繪圖模塊連接，其存儲(chǔ)有各元件的圖形數(shù)據(jù)，為電路繪圖模塊提供元件的圖形參數(shù)；電路繪圖模塊給用戶提供繪制電路原理圖的界面和交互接口，并負(fù)責(zé)電路原理圖繪制；線性化變換模塊與電路繪圖模塊連接，其存儲(chǔ)有二極管、三極管等非線性元件的線性化等效模型，用于建立線性電路方程組前對(duì)非線性元件進(jìn)行線性變換；電路仿真模塊與電路繪圖模塊連接，用于電路直流仿真，以獲知電路全部節(jié)點(diǎn)的電壓值和全部支路的電流值；所指即所示模塊與電路繪圖模塊連接，用于仿真時(shí)響應(yīng)鼠標(biāo)移動(dòng)動(dòng)作，顯示鼠標(biāo)所近的節(jié)點(diǎn)的電壓值，和所近的支路的電流值；動(dòng)態(tài)編輯模塊與電路繪圖模塊連接，用于仿真時(shí)響應(yīng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊動(dòng)作，更改被點(diǎn)擊元件的方向、狀態(tài)或參數(shù)值。

演示系統(tǒng)的工作流程如下：

（a1）電路繪圖，通過電路繪圖模塊接收用戶命令，從元件圖形數(shù)據(jù)模塊調(diào)用元件圖形參數(shù)，然后繪制電路原理圖；

（a2）電路仿真，通過電路仿真模塊，運(yùn)行直流仿真，獲知電路全部節(jié)點(diǎn)的電壓值和全部支路的電流值；

（a3）電流方向指示，調(diào)用電路繪圖模塊，畫電路連接線的電流示意箭頭，以顯示連接線的電流方向；

（a4）鼠標(biāo)動(dòng)作捕捉，若捕捉到鼠標(biāo)移動(dòng)接近某連接線，轉(zhuǎn)至步驟（a5），若捕捉到鼠標(biāo)點(diǎn)擊動(dòng)作，轉(zhuǎn)至步驟（a6）；

（a5）電壓電流顯示，通過所見即所示模塊，顯示鼠標(biāo)所近的節(jié)點(diǎn)的電壓值，和所近連接線的電流值，然后轉(zhuǎn)至步驟（a4）；

（a6）電路編輯，調(diào)用動(dòng)態(tài)編輯模塊，更改被點(diǎn)擊元件的方向、狀態(tài)或參數(shù)值，然后轉(zhuǎn)至步驟（a2），重新運(yùn)行電路仿真。

步驟（a6）中：二極管、發(fā)光二極管、穩(wěn)壓二極管和電池被點(diǎn)擊時(shí)，元件正極與負(fù)極互換；開關(guān)或按鍵被點(diǎn)擊時(shí)，其通斷狀態(tài)互換；光敏電阻被點(diǎn)擊，其阻值在0.1K和100K間互換，0.1K對(duì)應(yīng)受強(qiáng)光照時(shí)的阻值，100K對(duì)應(yīng)暗黑無光照時(shí)的阻值；數(shù)字輸入電壓符號(hào)被點(diǎn)擊時(shí)，其輸入電平翻轉(zhuǎn)；模擬輸入電壓符號(hào)被點(diǎn)擊時(shí)，若點(diǎn)擊在符號(hào)左端，輸入電壓減0.1V，若點(diǎn)擊在符號(hào)右端，輸入電壓增0.1V；可調(diào)電阻被點(diǎn)擊時(shí)，若點(diǎn)擊在符號(hào)左端（或上端），可調(diào)電阻移動(dòng)端向左（或向上）移2%，若點(diǎn)擊在符號(hào)右端（或下端），可調(diào)電阻移動(dòng)端向右（或向下）移2%。

上述步驟（a2）電路仿真，包括如下步驟：

（b1）線性變換，通過線性化變換模塊，將二極管、三極管等非線性元件，變換為線性元件；

（b2）電路節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)電路拓樸，統(tǒng)計(jì)電路節(jié)點(diǎn)數(shù)量；

（b3）節(jié)點(diǎn)編號(hào)分配，按序分配節(jié)點(diǎn)編號(hào)，記錄每一元件引腳和每一連接線所屬節(jié)點(diǎn)編號(hào)；

（b4）建電路方程組，以節(jié)點(diǎn)電壓為變量，組建線性電路方程組；

（b5）解電路方程組，采用迭代法，解線性電路方程組，獲電路方程組的數(shù)值解，獲知電路節(jié)點(diǎn)電壓值；

（b6）計(jì)算元件電流，利用上步驟所獲知的電路節(jié)點(diǎn)電壓值，計(jì)算出各元件的電流；

（b7）計(jì)算連接線電流，利用上步驟所獲知的元件的電流值，計(jì)算各連接線的電流值。

2 教學(xué)實(shí)例

以光控路燈電路的教學(xué)演示為例，說明系統(tǒng)工作過程。

2.1 電路繪圖

啟動(dòng)系統(tǒng)，從無源器件下選框中選擇電阻、可調(diào)電阻、光敏電阻和繼電器，從有源器件下選框中選擇二極管、三極管和運(yùn)放，從電源與信號(hào)下選框中選擇電源和地，拖動(dòng)各元件至合適位置，編輯各元件參數(shù)，把光敏電阻R1設(shè)置為受強(qiáng)光照狀態(tài)（設(shè)定其電阻值為0.1K），最后添加連接線形成的電路原理圖如圖1所示。

圖1 電路原理圖

2.2 仿真演示

點(diǎn)擊左邊的仿真按鈕，運(yùn)行直流仿真。系統(tǒng)完成直流仿真后，獲知全部節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流，然后重繪電路，在有電流的連接線，增加電流方向箭頭，以示意電流的存在和流動(dòng)方向。移動(dòng)鼠標(biāo)至所關(guān)注的連接線，顯示連接線的電壓值和電流值（若電流值為零不顯示）。如圖2所示，移動(dòng)鼠標(biāo)至運(yùn)放U1的輸出端與電阻R3間的連接線時(shí)，顯示“0V”，表明此時(shí)運(yùn)放U1輸出低電平，連接線無電流。

圖2 白天狀態(tài)仿真示意圖

為了演示晚上無光照時(shí)的變化，在仿真狀態(tài)下，點(diǎn)擊光敏電阻R1，光敏電阻R1狀態(tài)改變，由受強(qiáng)光照狀態(tài)轉(zhuǎn)為暗黑無光照狀態(tài)（設(shè)定阻值為100K），系統(tǒng)重啟仿真，重繪電路，結(jié)果如圖6所示。圖3中，鼠標(biāo)移動(dòng)至運(yùn)放輸出端與電阻R3間的連接線時(shí)，顯示“5V 4.13mA”，表明此時(shí)運(yùn)放輸出高電平，連接線電流為4.13mA。

圖3 晚上狀態(tài)仿真示意圖

為了演示二極管D1接反的后果，在仿真狀態(tài)下，點(diǎn)擊二極管D1，D1正負(fù)極互換，系統(tǒng)重啟仿真，重繪電路，結(jié)果如圖7所示。圖4中，鼠標(biāo)移動(dòng)至三極管Q1發(fā)射極與地間的連接線，顯示“0V 411mA”，顯示三極管Q發(fā)射極電流已激增。

圖4 二極管接錯(cuò)仿真示意圖