鄧 云, 韋忠善, 朱海燕

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)與電子信息工程系，南寧 530226)

模擬電子技術(shù)動態(tài)練習(xí)題的仿真研究與應(yīng)用

鄧 云, 韋忠善, 朱海燕

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)與電子信息工程系，南寧 530226)

分析開發(fā)模擬電子技術(shù)動態(tài)練習(xí)題的困難，研究并開發(fā)新的模擬電子技術(shù)練習(xí)平臺。新平臺內(nèi)置電路建模與仿真模塊，應(yīng)用改進(jìn)節(jié)點(diǎn)電壓法建電路方程組，通過迭代法解電路方程，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)練習(xí)題的參考答案的自動運(yùn)算，極大簡化了動態(tài)練習(xí)題的開發(fā)。實(shí)踐應(yīng)用表明，新平臺廣受好評，有較好推廣應(yīng)用前景。

模擬電子技術(shù)； 動態(tài)練習(xí)題； 仿真

0 引 言

模擬電子技術(shù)是電類專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程[1-2]，也是學(xué)生接觸的第一門電子技術(shù)類課程，其具有知識涉及面廣、概念抽象和電路多變的特點(diǎn)，因而學(xué)生普遍覺得學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)存在較大困難[3-5]。

要學(xué)好模擬電子技術(shù)，需要?dú)v經(jīng)足夠的練習(xí)。當(dāng)前，提供給學(xué)生的練習(xí)題，主要是教材所附的習(xí)題，及其配套的練習(xí)系統(tǒng)，或教師編寫的習(xí)題集。這些習(xí)題無論是紙質(zhì)形式還是電子形式，都是靜態(tài)練習(xí)題——練習(xí)題的內(nèi)容和參考答案固定。靜態(tài)練習(xí)題易使學(xué)生養(yǎng)成背答案，而非真正理解練習(xí)題的不良習(xí)慣[5-6]。

發(fā)明專利“一種電力考試系統(tǒng)中計算題參數(shù)可變的方法”“一種模擬電子技術(shù)練習(xí)系統(tǒng)的練習(xí)題開發(fā)和用戶使用方法”和論文“參數(shù)隨機(jī)變化的模擬電子技術(shù)練習(xí)系統(tǒng)的開發(fā)”提出動態(tài)練習(xí)題概念——練習(xí)題的參數(shù)和參考答案動態(tài)變化[6-8]。利用程序使練習(xí)題的參數(shù)動態(tài)變化比較容易，困難的是如何獲取動態(tài)變化的參考答案。“一種電力考試系統(tǒng)中計算題參數(shù)可變的方法”通過給每練習(xí)題固化對應(yīng)數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)，其題庫封閉，不支持用戶增加、編輯練習(xí)題；“一種模擬電子技術(shù)練習(xí)系統(tǒng)的練習(xí)題開發(fā)和用戶使用方法”和“參數(shù)隨機(jī)變化的模擬電子技術(shù)練習(xí)系統(tǒng)的開發(fā)”通過編譯、運(yùn)行每練習(xí)題的仿真代碼來獲得參考答案，其題庫開放，支持用戶增加、編輯練習(xí)題，但需要用戶掌握仿真代碼的編寫，但普通用戶掌握仿真代碼的編寫并不容易，所以，其題庫實(shí)質(zhì)上還是封閉的。題庫封閉，不支持用戶對題庫進(jìn)行二次開發(fā)的特性，阻礙了系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，因系統(tǒng)開發(fā)者很難設(shè)計出足夠多，且能普適各類學(xué)校的練習(xí)題。

為此，應(yīng)用模擬電路建模與仿真技術(shù)，開發(fā)了全新的模擬電子技術(shù)練習(xí)平臺。新練習(xí)平臺內(nèi)置電路建模與仿真模塊，通過其自動建電路方程組、解電路方程組，獲取電路全部節(jié)點(diǎn)電位和全部支路電流值，然后從中提取參考答案，免除了動態(tài)練習(xí)題開發(fā)過程的編寫數(shù)學(xué)模型或編寫仿真代碼環(huán)節(jié)，使普通用戶開發(fā)練習(xí)題變得容易，使新練習(xí)平臺成為開放性平臺；新練習(xí)平臺內(nèi)置電路繪圖模塊，支持電路圖的重構(gòu)，因此，對同一練習(xí)題，新練習(xí)平臺不僅支持其電路參數(shù)動態(tài)變化，也支持其電路圖動態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)了一題多圖，此特性對學(xué)生的電路分析能力要求更高，也更能培養(yǎng)學(xué)生的電路分析能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，各模塊功能如下：練習(xí)題開發(fā)時，電路編輯與顯示模塊用于繪制練習(xí)題的電路圖(也用于練習(xí)時重繪電路圖)；動態(tài)參數(shù)編輯模塊，用于編輯元件的參數(shù)變化方式或隨機(jī)變化范圍；題目編輯與顯示模塊，用于編輯練習(xí)題的題目(也用于練習(xí)時顯示題目)；練習(xí)題合成與存儲模塊，將電路拓樸、題目和動態(tài)參數(shù)代碼合成為完整的練習(xí)題，然后按一定格式存儲。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

練習(xí)時，練習(xí)題選擇與讀取模塊，提供練習(xí)題選擇界面，并讀出所選擇練習(xí)題的全部信息；題目提取模塊，用于提取出練習(xí)題的題目；電路拓樸數(shù)據(jù)提取模塊，用于提取出練習(xí)題的電路拓樸數(shù)據(jù)；動態(tài)參數(shù)代碼提取模塊，用于提取出練習(xí)題的動態(tài)參數(shù)代碼；動態(tài)參數(shù)發(fā)生模塊，編譯、運(yùn)行動態(tài)參數(shù)代碼，產(chǎn)生動態(tài)參數(shù)。電路編輯與顯示模塊依據(jù)所獲的電路拓樸信息和動態(tài)參數(shù)，重繪電路圖，題目編輯與顯示模塊則負(fù)責(zé)重現(xiàn)練習(xí)題的題目。

練習(xí)時，元件變換模塊，對二極管、三極管、運(yùn)放等元件進(jìn)行等效變換；建電路方程組模塊，負(fù)責(zé)電路拓樸統(tǒng)計，分配節(jié)點(diǎn)編號，建立節(jié)點(diǎn)直流電位為變量的方程組、支路電流為變量的方程組；解電路方程組模塊，通過迭代法，解電位變量方程組，獲節(jié)點(diǎn)電位向量，進(jìn)而計算出支路電流向量。

當(dāng)練習(xí)者輸入答案，并點(diǎn)擊“提交按鍵”后，練習(xí)答案提取模塊，提取出練習(xí)者所輸入的答案；參考答案提取模塊，從節(jié)點(diǎn)電位向量和支路電流向量中提取出參考答案；答案比對模塊，對練習(xí)者所輸入的練習(xí)答案，與系統(tǒng)自行運(yùn)算出的參考答案進(jìn)行比對，然后提示比對結(jié)果。

2 動態(tài)練習(xí)題開發(fā)

電路分析題型是模擬電子技術(shù)練習(xí)題的主要題型，其動態(tài)練習(xí)題開發(fā)包括繪制電路圖、編輯題目和編輯動態(tài)參數(shù)代碼3個環(huán)節(jié)。平臺自帶電路編輯與顯示模塊、題目編輯與顯示模塊，分別用以繪制電路圖和編輯題目。平臺定義簡單易用指令、函數(shù)和運(yùn)算規(guī)劃，用以描述電路元件的參數(shù)變化方式(或有極元件的極性方向)。通過平臺定義的指令、函數(shù)和運(yùn)算規(guī)劃，編寫動態(tài)參數(shù)代碼，使練習(xí)題由靜變動。

以一電壓比較器練習(xí)題為例，介紹動態(tài)練習(xí)題的開發(fā)，重點(diǎn)介紹題目編輯和動態(tài)參數(shù)代碼編輯。練習(xí)題開發(fā)界面如圖2所示，左邊為電路繪圖區(qū)，右邊為題目編輯區(qū)和動態(tài)參數(shù)代碼編輯區(qū)。在電路繪圖區(qū)，可由零開始，通過相應(yīng)菜單，增添元件、移動元件、編輯元件，然后增加電氣連接線，繪制題目的電路圖，也可以打開、修改原有題目的電路圖，獲得新的電路圖。

在題目編輯區(qū)，可以輸入題目，本例題目如下：左邊電路圖，設(shè)運(yùn)放為理想運(yùn)放，發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓為2 V，則：①A點(diǎn)電壓為(VA)V。②B點(diǎn)電壓為(VB)V。③發(fā)光二極管D1電流為(ID1)mA。

其中，3個括號內(nèi)嵌入的“VA”“VB”“ID1”為參考答案變量，隨同題目存儲。在練習(xí)階段，先依序提取括號內(nèi)參考答案變量，再重現(xiàn)題目給練習(xí)者。練習(xí)者在對應(yīng)括號內(nèi)輸入答案，點(diǎn)擊“提交答案”后，程序依序提取括號內(nèi)的內(nèi)容作為練習(xí)答案。同時，程序通過電路建模、仿真，獲得全部節(jié)點(diǎn)電壓和全部支路電流數(shù)據(jù)，另依序編譯“VA”“VB”“ID1”，再依序返回節(jié)點(diǎn)A電壓、節(jié)點(diǎn)B電壓和D1電流值作為參考答案，用來與練習(xí)答案比對。

圖2 練習(xí)題開發(fā)界面

對每一電路，可以選擇部分元件參數(shù)進(jìn)行動態(tài)變化，然后在動態(tài)參數(shù)代碼編輯區(qū)輸入相應(yīng)代碼，每一代碼行對應(yīng)一元件的參數(shù)變化規(guī)律。本例動態(tài)參數(shù)代碼如下：R1=rand(1-9),R2=10-R1,R3=rand(1,2,4),Ui1=rand(1-5)+rand(1-9)/10,U2=rand(5,8,10),U3=-U2,D1!。其中，rand( )為自定義的多態(tài)函數(shù)，如rand(1～9)，為返回1～9之間的隨機(jī)整數(shù)，又如rand(1,2,4)，為從1、2和4中隨機(jī)返回一個數(shù)。前3行，分別設(shè)定了R1、R2和R3的電阻值動態(tài)變化規(guī)律(單位保持不變)，第4行設(shè)定輸入電壓Ui1的動態(tài)變化規(guī)律，第5行設(shè)定電源U2的動態(tài)變化規(guī)律，第6行“U3=-U2”設(shè)定電源U3與U2大小相等，但極性相反，“D1！”設(shè)定D1。

擺放方向——隨機(jī)決定保持原方向或反方向。

練習(xí)時，程序讀出練習(xí)題的全部信息，動態(tài)參數(shù)代碼提取模塊從中提取出動態(tài)參數(shù)代碼，由動態(tài)參數(shù)發(fā)生模塊編譯、運(yùn)行，產(chǎn)生相應(yīng)隨機(jī)參數(shù)，電路編輯與顯示模塊依據(jù)產(chǎn)生的隨機(jī)參數(shù)，重繪電路。

3 模擬電路直流工作點(diǎn)仿真

模擬電子技術(shù)動態(tài)練習(xí)題的電路參數(shù)和參考答案動態(tài)變化，為了獲得參考答案，需要對電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)仿真，以獲得全部節(jié)點(diǎn)電位值和全部支路電流值，再從中提取出參考答案。直流工作點(diǎn)仿真主要包括元件等效變換、建電路方程組、解電路方程組環(huán)節(jié)。

3.1 元件等效變換

由于模擬電路含有二極管、三極管等非線性元器件，電路方程為非線性方程，導(dǎo)致建方程和解方程都比較困難。解決思路是用元器件的直流伴隨模型，將非線性元件進(jìn)行線性化，然后建線性電路方程組，再通過迭代運(yùn)算解電路方程組，最后獲得電路方程組的數(shù)值解[9-15]。

3.1.1 二極管直流伴隨模型

二極管的特性方程為:

(1)

其中，UT=kT/q為熱電壓。

(2)

式中:

(3)

(4)

圖3 二極管直流伴隨模型

3.1.2 三極管直流伴隨模型

NPN型三極管EM1模型如圖4所示。其中:

(5)

(6)

(7)

圖4 NPN三極管模型

(8)

(9)

式中:

(10)

(11)

(12)

(13)

由式(8)和(9)得:

(14)

綜合上各式，三極管的直流伴隨模型如圖5所示。

圖5 NPN三極管直流伴隨模型

3.2 電路直流工作點(diǎn)仿真流程

電路直流工作點(diǎn)仿真流程如圖6所示。

4 練習(xí)實(shí)例

以上電壓比較器為例，當(dāng)打開練習(xí)題后，程序讀取系統(tǒng)當(dāng)前時鐘作為隨機(jī)數(shù)種子，編譯、運(yùn)行動態(tài)參數(shù)代碼，產(chǎn)生一組隨機(jī)參數(shù)，重繪電路，最后顯示電路和題目如圖7所示。從圖可見，電路圖相關(guān)參數(shù)與練習(xí)題開發(fā)時所設(shè)置參數(shù)不盡相同，特別是二極管D1，其正負(fù)極已調(diào)換位置。若點(diǎn)擊“改變參數(shù)”按鈕，程序又以系統(tǒng)當(dāng)前時鐘作為隨機(jī)數(shù)種子，產(chǎn)生另一組隨機(jī)參數(shù)。當(dāng)練習(xí)者在右邊題目的括號內(nèi)輸入答案，點(diǎn)擊“答案提交”后，程序?qū)⒕毩?xí)者輸入答案與參考答案比較，并給出比較結(jié)果。

若點(diǎn)擊“正確答案”按鈕，程序?qū)⒖即鸢覆迦腩}目的相應(yīng)括號內(nèi)，同時，在電路圖，通過箭頭顯示電流方向，若發(fā)光二極管有電流流過，模擬其發(fā)光狀；若用戶移動鼠標(biāo)至任一電路連接線，程序自動顯示此連接線上的電流值和電位值。

圖6 電路直流工作點(diǎn)仿真流程

圖7 練習(xí)界面

圖8 顯示參考答案界面

5 結(jié) 語

開發(fā)全新的模擬電子技術(shù)練習(xí)平臺,新平臺應(yīng)用模擬電路建模與仿真技術(shù)，自動獲取電路全部節(jié)點(diǎn)電位值和全部支路電流值，然后從中提取參考答案，免除了動態(tài)練習(xí)題開發(fā)過程的編寫數(shù)學(xué)模型或編寫仿真代碼環(huán)節(jié)，極大簡化了動態(tài)練習(xí)題的開發(fā)，使普通用戶開發(fā)練習(xí)題變得容易，從而使平臺易于推廣。

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Simulation Research and Application of Dynamic Exercises of Analog Electronic Technology Course

DENGYun,WEIZhongshan,ZHUHaiyan

(Department of Computer and Electronic Information Engineering, Guangxi Vocational and Technical College, Nanning 530226, China)

The paper analyzes the difficulties in developing dynamic exercises of analog electronic technology course, and researches and develops a new analog electronic technology training platform. The new platform holds a built-in circuit modeling and simulation module, can establish circuit equations by the improved node voltage method, and get solution of circuit equations by iterative method. It realizes the automatic operation of the reference answers of the dynamic exercises, greatly simplifies the development of dynamic exercises. Application results show that the new platform is generally praised, and has good application prospect.

analog electronic technology; dynamic exercises; simulation

2016-10-21

廣西教育廳高?？蒲许?xiàng)目(YB2014486);廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目(161215)

鄧 云(1983-)，男，廣西全州人，碩士，講師，主要從事電子技術(shù)教學(xué)與研究。

Tel.：18176267212，E-mail：58325938@qq.com

韋忠善(1972-)，男，廣西橫縣人，教授，從事電子技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)研究與教學(xué)。

Tel.:13768516507;E-mail:724704157@qq.com

TP 311

A

1006-7167(2017)06-0118-04