仿真技术在电子类课程教学中的实践和研究*

罗 倩 刘桂礼 刘国忠 赵双琦 王晓飞

北京信息科技大学 北京 100192

仿真技术在电子类课程教学中的实践和研究*

罗 倩 刘桂礼 刘国忠 赵双琦 王晓飞

北京信息科技大学 北京 100192

介绍了将仿真技术引入电子类课程教学的意义，教学实践内容，并对这种教学效果进行了总结。实践表明，应用仿真技术进行电子类课程教学，能够培养学生的综合分析和设计能力，对提高电子技术课程教学效果和效率及对学生创新精神和能力的培养都起到了较好的促进作用。

仿真；教学；电子技术；仿真教学软件

随着集成电路与计算机的迅速发展，利用计算机仿真工具进行电子系统设计已经成为现代电子系统设计的重要特征，以电路和系统仿真为基础的电子设计自动化(EDA)技术已渗透到电子系统和专用集成电路设计的各个环节，日益显示出其强大的功能和不可替代的重要作用。

一、教学中应用仿真技术的意义

仿真技术为使用者提供了一个测试仪器先进、器件品种齐全、全功能、全频带的分析平台，显示直观，实现了包括模拟电路、数字电路、接口电路以及通信系统等电子系统在结构上和电路特性上的模拟以及参数的优化，可以直接模拟各种恶劣工作环境及各种极限条件而不会损坏器件或电路，较真实地仿真分析电路系统的工作，精度高、功能强、输入效率高，将设计错误极大限度地消灭在制作样机之前。利用仿真技术，不仅缩短了产品的设计周期，同时也降低了产品成本。

仿真技术应用于教学，对提高高等院校学生的综合素质和设计、创新能力提供了极大的帮助，也为电子技术系列课程的教学提供了先进的教学手段和方法，因而仿真技术的应用是在电子类课程教学中十分重要的内容。目前，我国许多高等院校都开始投资于本科生仿真技术教学环境的建设，目的是培养具有工程素质、能够应对21世纪世界技术市场竞争和挑战的电子工程技术人才。

二、仿真技术应用于教学的情况

在教学中，许多仿真分析软件已经得到广泛的应用，学生可以掌握电路设计、分析和调试的方法和印刷线路板设计的方法，但是尚不能很好地利用仿真技术工具进行电路的调试、修改、优化和实现面向成本、面向产品合格率等方面设计和分析，难以适应生产实际的需求，综合分析和设计能力欠缺，只局限在理论设计阶段；同时，虽然具备基本的设计能力，但对系统的调试方法、安装与焊接工艺、故障分析等实用技能仍比较欠缺，致使所学知识与社会实际需求脱节。

此外，很多情况下电路需要结合多种设计输入(如用Verilog、VHDL等实现的设计输入)进行系统的综合仿真，并通过Spice等工具制定用户特定的仿真需求，而目前课程中缺乏这些内容。

在目前教学中，高频电路的设计和仿真部分较欠缺，缺乏印刷线路板级仿真的内容，而当今，电子产品正向工作高速度、元件高密度、存储大容量方向发展，这对印刷电路板设计技术提出了新的挑战，在教学中需要增加印刷线路板级的分析和仿真内容，利用仿真技术完成对电路的时序分析、波形分析、信号完整性分析、电磁噪声分析等，提高学生的印刷线路板设计能力。

同时，仿真工具与其他软件的接口方面仍有欠缺，不能充分利用其他设计软件已有的设计成果。

为了培养适应信息时代新形势发展的有用人才，迫切需要对电子类课程教学进行改革，以培养学生的电子设计综合能力，加强理论与实践的结合，使学生从工程角度思考问题，使所设计的电子系统产品在综合质量和可靠性等方面都得到保证，更好地适应用人单位生产技术实际需求和高新科技发展潮流。

三、教学实施内容和目标

第一，在电子类课程教学内容中，研究利用仿真技术加强电路系统设计尤其是常用单元电路的设计内容，加大对电路的调试、修改、优化和面向成本设计、综合分析和设计能力的培养，包括电路的功率要求、抗干扰要求、隔离要求、处理速度、处理精度、可靠性、成本、生产合格率要求等实际设计能力的培养，使学生在常规电子设计思想、智能电子系统相关的电路和器件选择方法和现代电子设计技术方面打下坚实的基础，通过掌握仿真技术，提高现代电子系统的设计能力。同时，兼顾设计技能的培养，并通过让学生查阅相关手册和文献，培养学生利用文献和资料的能力。此外，在电子系统的应用中，研究如何注重知识和方法的综合应用能力的培养。

第二，在学生利用仿真技术进行电子系统设计的过程中，研究培养学生掌握多种设计输入能力的方法，从而实现高层次系统综合，研究Verilog、VHDL等相关设计输入软件的使用及其与EDA软件的结合方法，增加用户特定仿真分析方法的教学内容，研究Spice等仿真分析语言的使用，以及其他相关软件分析结果(如Labview)与仿真技术的相互结合。

第三，研究培养学生高频电路设计能力的方法，研究印刷线路板级分析和仿真技术及相关仿真软件(如Cadence等)的使用及其与现有EDA软件结合的方法，培养学生完成时序分析、波形分析、信号完整性分析、电磁噪声分析的能力，培养学生解决PCB设计的可制造性问题、可测试性问题、信号完整性问题、电磁兼容性问题的能力，具备多层板设计、高速板设计、混合信号板设计的基本技能。

第四，研究和设计适应训练学生能力的实验内容，给学生留出足够的空间去设计，启发学生多向思维和设计思路，培养学生的工程实践能力、自我学习能力和接受不断涌现的新技术和新方法的能力，培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，培养学生的工程意识，充分发挥学生的主观能动性，激发学生的创造灵感和创新欲望，更好地提高学生电子系统设计综合能力和技能水平。

通过教学实践，培养学生综合运用所学知识的能力，具有较强的电子系统综合设计能力和技能，使学生能够从工程角度思考问题，综合运用电路、电子技术、单片机等知识，根据电子系统设计指标的要求，设计出满足性能技术指标要求的具有较高可靠性、稳定性、安全性、抗干扰性的实际电路，电路具有所用元器件少、电路简单、体积小、成本低、功耗低、便于生产、测试和维护等特点，使学生成为创新能力较强的高素质应用型人才，更好地适应电子系统设计和生产实践的需求，更好地贴近社会用人单位的需求。

四、教学效果

1.培养学生打下扎实的理论功底

从电路的仿真可以看出，借助仿真进行教学，现象直观，结果精确，图像清晰，是电子技术教学很好的辅助手段，可以完成电子技术课程的相关教学，把仿真技术引入教学环节，不仅可以使学生深入掌握理论知识，而且还可以使学生开阔眼界，学到电路设计的新方法、新技术，培养学生的综合分析能力和排除故障能力，提高学生的综合素质。

2.挖掘软件的潜力，在仿真中展示各种对比关系

采用仿真软件作为教学辅助手段，用仿真电路进行验证，并分析电路的各种参数，如放大倍数、稳定性、频带宽度、非线性失真的改善以及电路中不同形式对放大电路输入和输出电阻的影响等，学生能够比较清晰地掌握电路的知识，巩固教学内容。

3.培养和训练学生电路调试的综合能力

利用仿真软件提供的对电路元件设置各种人为故障，如虚短、虚断和漏电等功能，可以培养学生查找故障和调试电路的能力。在教学中，可以根据实际情况，对被仿真电路的元件人为设置故障，引导学生根据所学理论和知识判断故障点和排除故障，这样可以有针对性地提高学生调试电路、排除故障和创新的能力，训练学生通过使用仿真仪表检查、测试电路、查找障碍，并进一步调试电路的能力，教师在教学中还可以利用这一方法对大型电路设置故障，让学生仅通过现有的测量仪器去判断和分析，定位和消除故障。

4.培养学生进行各种设计输入综合的能力

很多情况下电路需要结合多种设计输入(如用Verilog、VHDL等实现的设计输入)进行系统的综合仿真，并通过Spice编写用户特定的仿真需求，而目前课程中缺乏这些内容，在教学中培养学生熟悉硬件描述语言，能用硬件描述语言描述相应的硬件，并利用仿真软件混合仿真，给出仿真结果。

5.使学生建立优化设计的概念

在教学中使用仿真技术能够帮助学生优化设计中的子系统、关键子电路以及组件。通过仿真软件，给学生建立优化设计的概念。我们在通常的理论教学中，很少有机会介绍实际的设计如何优化，学生在这方面的知识就很欠缺，当面对实际工作岗位，解决问题时很棘手。而仿真软件提供了优化设计的功能，可以对设计中各组成部分在不同的参数变化范围和组合中观察对设计输出的影响，然后选取最佳的设计参数，这样就帮助学生建立了优化设计的概念，并逐步形成习惯，设计出参数和性能都优化的产品。

6.培养学生面向电路可靠性、元器件选型、产品合格率和产品成本的设计意识

合格率的问题，在学生学习中一般没有什么概念，也不知道如何去分析和处理。在教学内容上研究如何加强电路系统设计尤其是常用单元电路的设计内容，并研究如何加大对电路的调试、修改、优化和面向成本设计、综合分析和设计能力的培养，包括电路的功率要求、抗干扰要求、隔离要求、处理速度、处理精度、可靠性、成本、生产合格率要求等实际设计能力的培养。

7.进行印刷线路板级仿真的教学

随着高频电路设计的日趋广泛，由于元器件在高频工作下的分布参数效应，在电路板设计过程中，介绍印刷线路板级分析和仿真的内容，并使学生了解印制板级分析和仿真的EDA软件的使用及其与现有EDA软件结合的方法。

8.进行各仿真软件之间的接口

在电路设计过程中，增加多种设计输入的教学内容，以实现高层次系统综合，介绍Verilog、VHDL等相关设计输入软件的使用及其与仿真软件的结合方法。此外，增加用户特定仿真分析方法的教学内容，研究Spice等仿真分析语言的使用和与仿真软件的结合。

五、结束语

仿真软件运用到电子技术教学中，在教学内容中培养学生掌握高层次电路系统设计工具，拓宽了学生的思维空间，有效地激发了学生的学习兴趣，提高了学生的自学能力和解决问题能力，使学生在印刷线路板级仿真、面向合格率、成本和优化设计、面向系统设计和调试等方面都得到了培养和训练，全方位提高学生的设计水平，使学生能够综合运用所学知识的能力，具有电子系统设计能力和技能。我们在仿真软件教学上取得了有益的尝试，为了培养适应信息时代新形势发展的有用人才，培养学生的电子设计综合能力，使学生具有较强的电子系统设计能力做出了贡献。

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[3]王全宇，董昱.EDA技术创设电子技术课堂教学实验环境的研究[J].仪器仪表用户，2008，15(6)：104～107

Practice and study on simulation technology in electronic teaching

Luo Qian, Liu Guili, Liu Guozhong, Zhao Shuangqi, Wang Xiaofei
Beijing information science & technology university, Beijing, 100192, China

In this paper, the meaning and content of simulation technology in electronic teaching are described. And the effects of such teaching method are summarized. Practice shows that with the application of simulation technology in teaching, students can be trained with comprehensive analysis and design capabilities. It has good effects for improving teaching efficiency and promoting students’spirits of innovation.

simulation; teaching; electronic technology; simulation teaching software

book=52,ebook=163

2010-02-03

罗倩，硕士，讲师。

*本文获北京信息科技大学教学改革项目“仿真技术在电子信息工程专业电子技术系列课程教学中的应用”、北京市属高等学校人才强教深化计划资助基金项目（PXM2010_014224_095542）和教育部高等学校本科教学质量与教学改革工程项目（TS10074)资助。