模塊式仿真軟件在電子智慧課堂教學(xué)中的實踐

發(fā)布人：czlyzhj 時間：2023-10-11 來源：工程師

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摘要：電子課程經(jīng)常需要學(xué)習(xí)具有完整功能的電路，限于時間和資源，只能采用少量進行實物制作和調(diào)試的項目教學(xué)方式，其余項目采用仿真來學(xué)習(xí)的方法。文中介紹了作者自行開發(fā)的模塊式仿真軟件，詳細討論了這種軟件的特點，得到確有開發(fā)此軟件的現(xiàn)實需求的結(jié)論。以一個典型電路為例，從電路連接到仿真過程詳細討論了模塊式仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用實踐。

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1. 引言

《電子產(chǎn)品裝配與調(diào)試》、《電子技術(shù)》等課程是中高職信息與電子技術(shù)、電子產(chǎn)品裝配等專業(yè)的專業(yè)課，這些課程既有較抽象的理論分析，又有具體的實踐應(yīng)用。對學(xué)生的要求是能夠認識電路；能夠在老師的指導(dǎo)下解析較為復(fù)雜的電路，將它們轉(zhuǎn)化為簡單電路的組合；能夠?qū)嶋H制作和調(diào)試這些電路，理解電路的工作原理。一個電路能實現(xiàn)的功能使用語言很難描述清楚，通常需要看到電路的運行結(jié)果才能有直觀的認識。而電路中一些可調(diào)整元件例如電位器、按鈕開關(guān)、拔動開關(guān)等對于電路的作用難以使用語言描述。應(yīng)用項目教學(xué)法，讓學(xué)生自己動手制作電路、調(diào)試電路具有非常好的教學(xué)效果，但這樣的教學(xué)方法對時間、資源的消耗都很大，不可能大量應(yīng)用，一門課只能做數(shù)量很少的項目，而大量的電路只能通過講解來分析，效果不佳。虛擬電子實驗是用仿真軟件工具對電路進行模擬和仿真，是一種創(chuàng)新性的實驗方法，利用計算機強大的運算能力，模擬實際電路運行的過程及結(jié)果，并能讓使用者參與電路調(diào)試的過程，既可以節(jié)約大量的時間和資源，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.模塊式仿真軟件介紹

模塊式仿真軟件是作者使用Visual Studio平臺及C#語言編寫的仿真軟件，編寫這個仿真軟件的目的是解決一些仿真軟件在中高職教學(xué)中“好看不好用”的問題。商品化的仿真軟件如常用的Multisim、Proteus等功能強大，為使用者提供了無限的可能性，然而，對于中高職學(xué)生來說，電路的基本形式都是固定的，不需要用仿真軟件去探索新的電路形式；軟件提供的儀表很多，但學(xué)生需要用到的儀表是有限的，太多的選擇并無實際意義；軟件所能測量的參數(shù)點幾乎沒有限制，但教學(xué)中實際需要測量的點卻很有限。所以這些軟件有“理論上”的優(yōu)勢，但在實踐中發(fā)現(xiàn)它們能夠用的場合很有限。而且這些軟件的限制，諸如：版權(quán)問題、搭建電路所需的時間、學(xué)會使用這些軟件的學(xué)習(xí)成本、仿真中經(jīng)常出現(xiàn)的收斂性錯誤問題、元器件找不到的問題、無法模擬真實電路調(diào)試時需要的聲源、熱源、光源等等，制約著這些軟件在教學(xué)工作中的實際應(yīng)用。

模塊式仿真軟件是基于這些軟件的痛點而提出的概念。它的設(shè)計思路是：電子電路是以單元電路為形式來組織學(xué)習(xí)的，如三極管放大電路、分壓式仿置放大電路、運放組成的反相比例放大電路、同相比例放大電路等，它們的電路形式都不會隨意變化；而各類常用的集成電路例如穩(wěn)壓、功放等必須按此集成電路數(shù)據(jù)手冊（DataSheet）提供的參考電路來搭建，否則不能正常工作，也就是它們的電路工作形式是穩(wěn)定不變的。這樣，可以把單元電路作為模塊成為電路搭建的基本單元，而不必將電阻、電容、三極管、二極管等電子元件作為電路搭建的基本單元。以此為指導(dǎo)思想開發(fā)出來的仿真軟件具有如下一些特點：

（1）電路連接極簡單。一個完整電路一般由3~10個功能模塊組成，軟件設(shè)計時制作相應(yīng)的快捷圖標(biāo)，單擊圖標(biāo)調(diào)出圖塊，稍加拖動即可完成布局形成一張完整、清晰的電路圖。單擊“連線”按鈕，在圖塊上標(biāo)示出來的連接點附近單擊即可完成連線。完成一張圖的時間不超過1分鐘，不論教師上課還是學(xué)生自主練習(xí)，都不會在這個環(huán)節(jié)花費時間。

（2）仿真要素清晰。仿真軟件在開發(fā)初期由優(yōu)秀教師團隊進行教學(xué)設(shè)計，確定電路圖中需要測試的點，并在相應(yīng)的點放置電壓表、電流表、波形面板等測量工具。這看似限制了教師的自主發(fā)揮，不能像商品化仿真軟件中那樣可以任意點觀察波形、數(shù)據(jù)，但實際上即便使用真正的硬件電路板進行教學(xué)，也只有幾個點是需要測試的，可以觀察任意點的波形、電壓、電流等并沒有實際意義。

（3）各功能模塊可以單獨教學(xué)。例如受控電子開關(guān)電路單元電路，軟件提供了高電平和低電平兩種工具，分別用高電平和低電平連接功能模塊時，可觀察到電子開關(guān)分別打開和閉合；共陽型接法的LED指示條功能電路，軟件提供了接地工具，用接地工具與相應(yīng)的引腳相連，可以看到對應(yīng)的LED條點亮。總之，仿真軟件既可以完成電路的全部連接以查看該電路的完整功能，也可以對其中的功能模塊單獨測試，加深對這些功能模塊工作原理的理解。

（4）仿真軟件提供了手形圖案、打火機圖案、揚聲器動圖、電筒光束圖案、遮光罩圖案、反光板圖案、磁鐵圖案等非電氣元件仿真元素，分別用于觸摸、加熱、發(fā)聲、光照、阻止光照、反射光線、改變磁場等用途。這些是商品化仿真軟件中不具備的，但在實際電路制作中卻需要對電路進行觸摸、加熱、光照等操作，才能看出電路工作的效果。

（5）仿真軟件提供了指針式萬用表、電位器調(diào)節(jié)界面、拔動開關(guān)、按鈕開關(guān)、LED、10段LED顯示條等圖形化的界面，與實物保持一致，有一些就是用實物拍照作背景圖，為學(xué)生建構(gòu)真實的學(xué)習(xí)工作環(huán)境。

以一系列經(jīng)過驗證的電路為依據(jù)開發(fā)出數(shù)十個系列軟件，軟件自主可控，可跟據(jù)時代發(fā)展、教學(xué)要求不斷更新。由此可知，基于功能模塊的仿真軟件在課程教學(xué)中有著重要的用途。

3.觸摸及聲控報警項目教學(xué)應(yīng)用

觸摸及聲控報警電路的實物如圖1所示，它可以分為觸摸檢測及延時電路模塊、話筒放大電路模塊、觸發(fā)延時電路模塊、或門電路模塊、受控報警電路模塊及為此供電的XL1509開關(guān)電源電路模塊等部分，如圖2所示。

圖1 觸摸及報警電路實物圖

圖2 觸摸及報警電路功能模塊劃分

3.1 電路的搭建

打開“觸摸及聲控報警”仿真軟件，在窗口中有一排工具欄按鈕，分別是“電源”、“穩(wěn)壓電路”、“觸摸檢測電路”、“話筒及放大電路”、“觸發(fā)及延時電路”、“或門電路”、“受控報警電路”、“連線”、“低電平、“高電平、“聲源”、“手”、“關(guān)于”等按鈕。單擊按鈕，相應(yīng)圖塊出現(xiàn)在窗口，單擊連線按鈕，將光標(biāo)移到各圖塊指示的電氣接點附近，當(dāng)光標(biāo)變?yōu)槭中螘r，按下鼠標(biāo)左鍵，即可自動連線，拖動各圖塊使畫面布置均勻，連線整齊。單擊Run開關(guān)，進入運行狀態(tài)。完整的電路及運行狀態(tài)如圖3所示，這個圖作了一些編緝，在每個圖塊上方寫上了該圖塊的名字，同時將兩個電位器調(diào)節(jié)面板的外形縮小了一些并移到圖塊空白位置，以保證不遮擋電路圖。實際仿真運行時，可以單擊以打開/關(guān)閉電位器調(diào)節(jié)面板，不會影響看圖。

圖3 觸摸及聲控報警電路仿真圖

3.2 電路的仿真過程

單擊觸摸及延時電路中的觸摸板圖案，調(diào)出觸摸板外形圖，單擊工具欄“手”按鈕，調(diào)出手形圖案，鼠標(biāo)按住移向觸摸板，當(dāng)其移到觸摸板上后，電路中由555制作而成的單穩(wěn)電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，同時開始單穩(wěn)態(tài)計時。輸出高電平經(jīng)反相器反相后送入或門電路，或門電路由二極管和三極管組成，它有兩個輸入端，其中任何一個為低電平都會使得輸出為低電平?；蜷T電路的輸出端接到受控報警電路的輸入端，該電路由PNP開關(guān)電路及音樂集成電路組成，當(dāng)其輸入端為低電平時，PNP三極管做成的電子開關(guān)導(dǎo)通，音樂集成電路得電并發(fā)出報警聲。移去手形圖案，報警聲仍會持續(xù)一段時間，這個時間可以由觸摸延時電路中的電位器來調(diào)節(jié)。單擊電位器圖案調(diào)出電位器面板，用鼠標(biāo)拖動旋轉(zhuǎn)以改變阻值，同時延遲時間的計算值也會圖中直觀地顯示出來。

這個電路的另一個功能是聲控報警，當(dāng)話筒檢測到足夠響的聲音時即觸發(fā)報警并具有延時功能。單擊工具欄上的“揚聲器”圖案，調(diào)出音源圖案。單擊話筒放大電路中的話筒元件，調(diào)出話筒的實物圖，移動音源案塊靠近話筒，當(dāng)兩者足夠接近時，話筒放大電路的輸出端由始終是低電平變?yōu)檩敵龈叩碗娖矫}沖，接入觸發(fā)及延時電中，經(jīng)反相器后點亮第1個LED，再次反相后經(jīng)二極管向10μF電容充電，同時經(jīng)過三級反相處理后輸出。二極管正向電阻很小，充電很快，電容充電后為高電平，反相后點亮第2個LED，再經(jīng)2次反相輸出低電平，接至或門電路使其輸出低電平，受控報警電路開啟發(fā)出報警聲。移去音源圖案，話筒放大電路中的三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出為低電平，觸發(fā)及延時電路的第1個LED立即熄滅，10μF電容因二極管的隔離只能通過100K電阻及串接的1M電位器放電，會保持一段時間高電平，在此其間報警電路仍然報警。當(dāng)電容放電至低于1/2Vcc后第2個LED熄滅，電路輸出高電平，報警電路停止工作。這段時間可由1M電位器調(diào)整，單擊電位器調(diào)出電位器調(diào)整面板，用鼠標(biāo)調(diào)節(jié)旋鈕改變阻值，延時時間值會在圖中顯示出來。

如果是在加裝了觸摸屏的系統(tǒng)中運行軟件，圖塊拖動、連線、電位器調(diào)節(jié)等均可由手指觸摸方式來進行，更接近于實際操作。軟件中各輸出點的LED均有亮、滅兩種狀態(tài)，當(dāng)受控報警電路開始報警時，揚聲器位置會出現(xiàn)動態(tài)變化的揚聲器圖案，而計算機也會播放錄制好的音樂集成電路發(fā)出的報警聲，整個仿真過程非常逼真，是目前其他仿真軟件無法做到的。

3.3 教學(xué)設(shè)計

使用本電路可以學(xué)習(xí)單穩(wěn)態(tài)電路的知識、RC充放電知識、人體感應(yīng)電知識、電子開關(guān)、或門電路、XL1509開關(guān)穩(wěn)壓電源、話筒放大電路等諸多知識，是典型的綜合性學(xué)習(xí)項目。教學(xué)時，教師先在仿真軟件中組裝完整的電路，運行以觀察電路的工作過程，讓學(xué)生對整個電路的工作狀態(tài)有完整的了解，然后讓學(xué)生自行研究各個單元電路的功能。以或門電路為例，研究中可利用軟件提供的低電平、高電平圖塊分別連接或門電路輸入，通過觀察圖中的LED的狀態(tài)找出或門的規(guī)律，進而分析其工作原理。同樣的方法也可以研究開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作電壓極限、受控報警電路在何種控制信號下工作、觸摸電路延時間與電位器的關(guān)系、觸發(fā)及延時電路延時時間與電位器的關(guān)系等。這是一種典型的以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)方式，突破傳統(tǒng)課堂局限，重構(gòu)教學(xué)結(jié)構(gòu)。讓學(xué)生研究些什么，研究到什么程度由教師根據(jù)教學(xué)對象、教學(xué)目標(biāo)來設(shè)定，并指導(dǎo)學(xué)生逐步完成。借助于仿真軟件，既能讓學(xué)習(xí)者融入情景，成為學(xué)習(xí)的主體，學(xué)得輕松，而且不需要教師進行復(fù)雜的設(shè)計，不會加重教師的負擔(dān)，實現(xiàn)有效的信息化教學(xué)。

4.結(jié)語

模塊式仿真軟件可以直觀地演示電路的完整工作過程，無需安裝實物電路，也便于開展遠程教學(xué)；模塊式仿真軟件可以供給學(xué)生自主學(xué)習(xí)使用，學(xué)生可以操作電位器、拔碼開關(guān)、選擇開關(guān)等各類可調(diào)整器件，模擬實際電路測試中的熱源位置變化、光源位置變化、反光板位置變化等來探索各單元電路的工作原理。

模塊式仿真軟件適合于綜合性的項目教學(xué)使用，而學(xué)習(xí)基本模塊電路如各類運放電路、基本放大電路、負反饋放大電路、多級放大電路時，使用基于元件的仿真軟件可以獲得較好效果。當(dāng)然，如果有足夠的需求與資源的支持，模塊式仿真軟件也可以開發(fā)出各個基本模塊電路的仿真功能。

5.教學(xué)場景

1.軟硬結(jié)合虛擬實訓(xùn)——操作音量指示電路

仿真軟件與電子仿真模擬器（http://www.butianyuan.cn/zhuanlan/323260.html）連接，軟件將定義儀器面板上的電位器、開關(guān)與電路圖的對應(yīng)關(guān)系，并且儀器上相應(yīng)的OLED顯示屏上指示出來。使用者根據(jù)OLED的指示操作各類可操作對象，效果反映在仿真軟件上。

以下是仿真界面，它可操作的對象如下中紅色線框起來的3個開關(guān)、100K電位器、部分的電源開關(guān)和電源電壓調(diào)節(jié)電位器等部分。當(dāng)僅用軟件操作時，可以點擊開關(guān)圖片切換狀態(tài)，點擊電位器調(diào)出調(diào)節(jié)界面并調(diào)節(jié)它；當(dāng)軟件與硬件相連時，它們分別被映像到電子仿真模所器的4個開關(guān)（電路中的3個+電源開關(guān)）和2個電位器上，可以根據(jù)這些實物開關(guān)、電位器下方的OLED顯示屏的指示來調(diào)整它們。