论EDA技术在电工电子技术课程教学中的应用

田慕琴,宋建成,陈惠英,渠云田

(太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原030024)

0 引言

随着计算机技术的发展,电子电路仿真技术得到了长足进步。以计算机辅助设计为基础的EDA(Electronics Design Automation)技术已渗透到电子系统和集成电路设计的各个环节。电工电子技术是一门实践性很强的技术基础课,多年来我们一直在探索一种将理论与实践有机结合、打破课堂与实验室界限,将二者融为一体的教学方法。应用EDA技术使这一愿望得以实现。

Multisim2001是EDA的主要软件之一,它使用方便、仿真能力强,可以进行原理图输入、模拟和数字混合仿真,以及SPICE方式分析。Multisim2001的特点是采用直观的图形界面,在计算机屏幕上模拟真实实验室的工作台,用屏幕抓取的方式选用元器件、创建电路及连接测试仪器。软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似,可以实时显示测试结果,并可以交互控制电路的运行与测试过程。该软件具有丰富的电路元器件库和齐全的虚拟仪器,提供多种电路仿真分析方法。作为设计工具,它可以同其他流行的电路分析、设计和制板软件交换数据,它还是一个优秀的电子技术训练工具,利用它提供的虚拟仪器,可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验,仿真电路的实际运行情况,熟悉常用电子仪器测试方法,非常适合于电工电路、模拟及数字电路基础课程的辅助教学,不仅有利于提高学生对理论知识的理解和掌握,而且有利于培养学生的创新能力。

在电工电子技术课程的各个教学环节加以应用EDA技术,不但使学生熟悉了EDA技术,更使我们把电子仿真融入了教学各环节,获得了良好的教学效果,充分体现了EDA技术在教学过程的巨大作用。

1 将EDA技术引入到课堂教学环节中

课堂教学是教学过程的主要环节。在电工电子技术的课堂教学中,学生接触到的大多数是公式、数据、抽象难懂,做题解题,无法理解实际问题与习题间的相互关系。我们采用了Multisim2001软件配合多媒体教室可以在课堂教学中获得很好的效果。Multisim2001软件提供了丰富的元件库、仪器仪表库、电源库,完全满足教学的需要。同时 Multisim2001软件提供了电路分析所需的主要测试仪表,如函数发生器、数字万用表、双踪示波器等,以图标的形式放置在仪器库内,使用很方便。

例如:在讲解如图1所示的晶体管分压式偏置放大电路时,利用Multisim2001软件,从元件库中拉出所需各元件,按照给定数值UCC=12V,RB1=5.1kΨ,RW=100kΨ,RB2=10kΨ,RE=1.2kΨ,RC=5.1kΨ,RL=1 kΨ,RS=0Ψ,β=50(选三极管型号为2N2712)进行参数设置,连接成静态工作点稳定电路。进行静态分析时,用直流仪表测量出静态工作点各参数如图2所示,这时可判断静态工作点的位置是否合适。改变电位器RW的阻值,观察静态工作点的变化。进行动态分析时,加入交流电源信号,用双踪示波器观察输入与输出波形,对照波形讲放大原理,再通过改变RB1、RB2、RC等参数,观察输出波形的变化,明白非线性失真,理解参数对非线性失真的影响。还可以用波特仪测量电压放大倍数的幅频特性如图3所示,对照幅频特性曲线讲通频带等概念,学生就很容易理解了。学生反映采用Multisim2001软件进行计算机辅助教学,有身临其境的感受,使课堂教学与实验室有机结合,相当于把实验室搬进课堂效果非常好。

为了让学生熟悉Multisim2001软件的使用,激发学生对EDA软件学习的兴趣,在教学过程中作业这个环节,我们也使用EDA软件,布置一定数量的习题后,经过解析计算后,用Multisim2001软件来检验,学生立即能体会到EDA的方便、快捷、准确,许多学生很快就能做许多题。通过Multisim2001软件检验,立即得到准确答案,大大增强学生的自信心和学习兴趣。

图1 晶体管分压式偏置放大电路

图2 静态工作点的测试电路

图3 幅频特性曲线

2 将EDA技术引入到实践教学环节中

电工电子技术是一门实践性很强的技术基础课,我们在电工电子技术实验中引入EDA软件,建立了理论与实验之间的桥梁。利用Multisim2001软件可以充分发挥现有实验室设备的作用,扩展实验内容,大幅度增加实验课学时,逐步减少验证性实验,增加设计性、综合型、应用性的实验。利用EDA技术开设仿真实验,可以节省多种测试仪器,节约经费,充分发挥EDA精确分析、直观显示的优点。

在实验室做实验之前要求学生先对实验电路进行EDA仿真,不仅能加深学生对理论知识的理解,增强实际工作能力,而且避免了实验的盲目性,并提高学生对实验课的兴趣。特别是对实际中具有一定危险性的电路如三相短路等进行仿真,使学生不仅加深对电路的感性认识,而且对电路的理论知识、电路的结构、电路参数的测试都产生一种新的认识。做串联谐振电路实验时,由于实验室没有波特图仪,使得该实验只能是通过取点求得谐振曲线,而Multisim2001软件不仅可以观察到光滑的谐振曲线如图4所示,而且能同时观察到参数的变化对谐振曲线的影响,如图5所示。

图4 串联谐振电路幅频特性和相频特性曲线

图5 同一坐标系中不同电阻时的幅频特性和相频特性

3 结论

将EDA技术应用于各个教学环节,采用Multisim2001软件配合多媒体教室进行灵活的便于使用的教学手段,把实验室和课堂融为一体。将EDA技术应用于学生的小设计、小制作、课程设计等环节,验证电路设计的正确性,应用EDA对学生进行模拟测试。可以使学生了解掌握EDA技术的思想和方法;利用EDA技术使抽象的理论形象化、复杂的电路实际化;增强学生对电路的理解和对电路结构的认识;增强学生学习的兴趣与热情,改变传统教学中理论与实际严重脱节的问题;增强学生分析和解决问题的能力,提高学生的综合素质。

通过几年的教学实践,我们体会到 EDA技术作为智能化的仿真软件,它可广泛应用于电工电子技术教学的各个环节,使电工电子技术课程的教与学有了质的提高,我们相信由它还可以开发出为教学服务的各种好的方法和手段,以实现整个电工电子技术课程体系改革的总目标,培养出更多符合现代社会需要的人才。

[1] 渠云田主编.普通高等教育“十一五”国家级规划教材《电工电子技术》第二版.高等教育出版社,2008年4月

[2] 陈惠英、贾秀美.改革电子技术实验教学模式的实践与探索.实验技术与管理,2007年第12期:129-131页