EDA在电工学教学中的应用

陈 虹

（上海建桥学院，上海201319）

0 引言

电工学课程主要包括电工技术和电子技术两部分，是非电类专业的基础课程之一。其教学效果的好坏，学生接受的程度，将直接影响后续各类相关专业课程的教学情况。目前，在电工学课程教学中，经常会遇到以下问题：一是在课堂教学中，大多教师只注重于理论知识的讲解，缺少与实际应用的衔接；二是理论教学中经常会碰到一些抽象的概念或一些繁琐的公式推导，缺乏直观性，很难形成对电路的特性或参数优化等方面的直观印象；三是该课程虽然一般都会开设相关的实验，但都是在相关理论教学完成一定内容后再安排，导致学生对教学内容的感性认识被延时，甚至某些学生很快遗忘课堂所学内容，无法将实验与理论知识联系起来。这些问题使学生在学习时，理论联系不上实际，对理论知识难以理解，甚至是不能理解，造成对电工电子技术“难学、抽象”的思想障碍，从而对学习失去兴趣。将EDA工具引入电工学教学中，可以使教师在讲解理论知识的同时，利用EDA工具软件进行现场仿真、演示，可以使抽象的理论形象化、复杂的电路实际化、使枯燥的电路分析与设计变得生动、形象、真实，让学生在课堂中就能感受到实验才具有的测试效果，更好的把理论与实验联系起来。

1 Multisim在教学中的应用

1）Multisim简介

Multisim仿真软件是一款专门用于电路分析、设计、仿真的虚拟电子工作平台。其特点为：①操作界面友好，从原理图的输入到电路的仿真测试，操作简单；②虚拟电子设备齐全，包括示波器、函数发生器、万用表、逻辑分析仪等21种虚拟仪器，同时虚拟仪器外观与实物外形基本相似，操作这些虚拟设备如同操作真实设备；③提供了超大的与现实元件对应的元件模型库，使仿真电路具有很强的实用性，同时提供了扩展的用户社区，可以编辑建立自己的元件库；④提供了较为完善的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳定分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析等等一系列电路分析方法。此外，还可对仿真电路中的元件设置各种故障，以便观察故障情况下的电路工作状态［1］。

基于Multisim的上述特点，教师在讲解电工学理论课时引入Multisim仿真软件，可使学生对电路的分析和设计有较为直观的认识，便于提高学生的积极思维，活跃课堂气氛。

2）应用举例

（1）Multisim在模拟电路中的应用

单级共射放大电路是放大电路最基本的形式。在课堂讲授放大电路的原理和分析方法时，一般以该电路为例介绍。在课堂中若利用Multisim对偏置电阻可调的共射放大电路进行现场仿真，可以使学生对放大电路的一些基本概念，如信号放大、静态工作点、饱和失真等概念有一个直观的了解。图1即为偏置可调的共射放大电路的仿真图。

图1 共射放大电路仿真图

先将图1中偏置可调电阻Rw的阻值调整到50%左右，运行电路，可从示波器中观测到输入／输出的波形，如图2所示。从仿真波形图中可以看出：输入信号被放大了100倍左右，并且反相输出。

调整Rw的阻值，使基极偏压增大，导致基极电流、集电极电流增大，静态工作点上移，此时观测示波器的输出波形，可以看到输出波形出现饱和失真。图3为Rw调整到20%时的输入／输出波形。

（2）Multisim在数字电路中的应用

图2 Rw（50%）示波器的输入／输出波形

图3 Rw（20%）示波器的输入／输出波形

移位寄存器是时序逻辑电路的典型应用之一，它被广泛用于各类数字系统和计算机中。课堂中讲解移位寄存器时一般以触发器构成的4位单向移位寄存器为例来介绍工作原理。图4为由边沿D触发器组成的单向右移移位寄存器的仿真电路图。图4中4个触发器的输出Q端分别接4个彩色指示灯X1～X4；左侧第一个触发器的D输入端接第四个触发器的输出端珡Q；4个触发器的脉冲端相连，然后外接100Hz的时钟信号。启动运行，观察输出指示灯的亮灭状态。

图4 边沿D触发器组成的单向移位寄存器

从仿真中可以观测到4个彩灯从X1到X4轮流向右点亮或点灭，具有很明显的右移特性。此外，还可以利用逻辑分析仪观察各输出端波形的时序关系，如图5所示。

图5 输出波形图

通过对单向移位寄存器的仿真演示，学生对移位寄存器的工作原理有了一个非常直观的了解，同时五颜六色的跑马灯让学生联想到了实际生活中经常看到的广告霓虹灯，而导致印象深刻。

2 硬件描述语言在教学中的应用

1）硬件描述语言概述

硬件描述语言（Hardware Discription Language，HDL）以文本形式来描述数字系统硬件结构和行为，是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。利用这种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层（从抽象到具体）逐层描述自己的设计思想，即用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统［2］。目前大规模集成数字逻辑器件或专用集成电路ASIC以及现场可编程门阵列FPGA的电子设计自动化（EDA）开发平台基本都以硬件描述语言为主要设计输入工具。Quartus II就是Altera公司提供的一个多平台的综合性EDA设计环境，支持硬件描述语言的设计输入形式，内嵌自有的综合器和仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程，从而实现各类集成器件、电路或系统的设计、仿真、调试与下载［3］。

2）应用举例

中规模集成器件，如加法器、译码器、计数器等，是电工学课程主要内容之一。教师在讲解时，可以将Quartus II开发平台作为这部分内容介绍时的辅助工具。下面以七段显示译码器为例。

七段显示译码器是数字设备常用显示器之一，主要由译码器和驱动器两部分组成。目前市场上的购买到的显示译码器一般只能用于显示0～9十个有效数码，而借助QuartusII开发平台则可向学生展示七段显示译码器不但可显示0～9十个数码，还可显示部分字母，比如 H、E、L、P、O、U等。

利用硬件描述语言编写”数字／字母显示译码器”，生成译码器模块后，根据不同的实验装置，如LP－2900或DE2等，设计相应的LED动态显示电路，然后进行仿真、编译与下载，即可在实验装置上用七段显示器显示数字或字符。图6即为”数字／字母显示译码器”输出字符的图形样例。

图6 输出字符图形样例

通过上述仿真演示，可以看到，一些抽象的、复杂的中规模集成器件，若利用硬件描述语言实现，可以让学生更清晰、直观的了解器件输入／输出之间的逻辑关系，而不必再去考虑内部复杂的电路结构。

3 结语

应用EDA工具软件进行电子虚拟实验非常的方便，对电工学教学是一种很好的辅助手段。同时学生在学习新知识，新内容的同时，开阔了思路，拓宽了视野，为学生尽快适应飞速发展的电子时代打下良好的基础。随着EDA技术的发展和推广，EDA工具必将在辅助教学中发挥越来越重要的作用。

［1］ 郑步生，吴渭，Multisim2001电路设计及仿真入门与应用［M］，北京：电子工业出版社，2002

［2］ 云创工作室，Verilog HDL程序设计与实践，北京：人民邮电出版社，2009.2

［3］ 崔葛瑾，沈利芳，李伟民.基于FPGA的数字电路系统设计［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2008.7