陳 虹

（上海建橋?qū)W院，上海201319）

0 引言

電工學課程主要包括電工技術(shù)和電子技術(shù)兩部分，是非電類專業(yè)的基礎課程之一。其教學效果的好壞，學生接受的程度，將直接影響后續(xù)各類相關(guān)專業(yè)課程的教學情況。目前，在電工學課程教學中，經(jīng)常會遇到以下問題：一是在課堂教學中，大多教師只注重于理論知識的講解，缺少與實際應用的銜接；二是理論教學中經(jīng)常會碰到一些抽象的概念或一些繁瑣的公式推導，缺乏直觀性，很難形成對電路的特性或參數(shù)優(yōu)化等方面的直觀印象；三是該課程雖然一般都會開設相關(guān)的實驗，但都是在相關(guān)理論教學完成一定內(nèi)容后再安排，導致學生對教學內(nèi)容的感性認識被延時，甚至某些學生很快遺忘課堂所學內(nèi)容，無法將實驗與理論知識聯(lián)系起來。這些問題使學生在學習時，理論聯(lián)系不上實際，對理論知識難以理解，甚至是不能理解，造成對電工電子技術(shù)“難學、抽象”的思想障礙，從而對學習失去興趣。將EDA工具引入電工學教學中，可以使教師在講解理論知識的同時，利用EDA工具軟件進行現(xiàn)場仿真、演示，可以使抽象的理論形象化、復雜的電路實際化、使枯燥的電路分析與設計變得生動、形象、真實，讓學生在課堂中就能感受到實驗才具有的測試效果，更好的把理論與實驗聯(lián)系起來。

1 Multisim在教學中的應用

1）Multisim簡介

Multisim仿真軟件是一款專門用于電路分析、設計、仿真的虛擬電子工作平臺。其特點為：①操作界面友好，從原理圖的輸入到電路的仿真測試，操作簡單；②虛擬電子設備齊全，包括示波器、函數(shù)發(fā)生器、萬用表、邏輯分析儀等21種虛擬儀器，同時虛擬儀器外觀與實物外形基本相似，操作這些虛擬設備如同操作真實設備；③提供了超大的與現(xiàn)實元件對應的元件模型庫，使仿真電路具有很強的實用性，同時提供了擴展的用戶社區(qū)，可以編輯建立自己的元件庫；④提供了較為完善的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)和穩(wěn)定分析、時域和頻域分析、器件的線性和非線性分析等等一系列電路分析方法。此外，還可對仿真電路中的元件設置各種故障，以便觀察故障情況下的電路工作狀態(tài)［1］。

基于Multisim的上述特點，教師在講解電工學理論課時引入Multisim仿真軟件，可使學生對電路的分析和設計有較為直觀的認識，便于提高學生的積極思維，活躍課堂氣氛。

2）應用舉例

（1）Multisim在模擬電路中的應用

單級共射放大電路是放大電路最基本的形式。在課堂講授放大電路的原理和分析方法時，一般以該電路為例介紹。在課堂中若利用Multisim對偏置電阻可調(diào)的共射放大電路進行現(xiàn)場仿真，可以使學生對放大電路的一些基本概念，如信號放大、靜態(tài)工作點、飽和失真等概念有一個直觀的了解。圖1即為偏置可調(diào)的共射放大電路的仿真圖。

圖1 共射放大電路仿真圖

先將圖1中偏置可調(diào)電阻Rw的阻值調(diào)整到50%左右，運行電路，可從示波器中觀測到輸入／輸出的波形，如圖2所示。從仿真波形圖中可以看出：輸入信號被放大了100倍左右，并且反相輸出。

調(diào)整Rw的阻值，使基極偏壓增大，導致基極電流、集電極電流增大，靜態(tài)工作點上移，此時觀測示波器的輸出波形，可以看到輸出波形出現(xiàn)飽和失真。圖3為Rw調(diào)整到20%時的輸入／輸出波形。

（2）Multisim在數(shù)字電路中的應用

圖2 Rw（50%）示波器的輸入／輸出波形

圖3 Rw（20%）示波器的輸入／輸出波形

移位寄存器是時序邏輯電路的典型應用之一，它被廣泛用于各類數(shù)字系統(tǒng)和計算機中。課堂中講解移位寄存器時一般以觸發(fā)器構(gòu)成的4位單向移位寄存器為例來介紹工作原理。圖4為由邊沿D觸發(fā)器組成的單向右移移位寄存器的仿真電路圖。圖4中4個觸發(fā)器的輸出Q端分別接4個彩色指示燈X1～X4；左側(cè)第一個觸發(fā)器的D輸入端接第四個觸發(fā)器的輸出端珡Q；4個觸發(fā)器的脈沖端相連，然后外接100Hz的時鐘信號。啟動運行，觀察輸出指示燈的亮滅狀態(tài)。

圖4 邊沿D觸發(fā)器組成的單向移位寄存器

從仿真中可以觀測到4個彩燈從X1到X4輪流向右點亮或點滅，具有很明顯的右移特性。此外，還可以利用邏輯分析儀觀察各輸出端波形的時序關(guān)系，如圖5所示。

圖5 輸出波形圖

通過對單向移位寄存器的仿真演示，學生對移位寄存器的工作原理有了一個非常直觀的了解，同時五顏六色的跑馬燈讓學生聯(lián)想到了實際生活中經(jīng)常看到的廣告霓虹燈，而導致印象深刻。

2 硬件描述語言在教學中的應用

1）硬件描述語言概述

硬件描述語言（Hardware Discription Language，HDL）以文本形式來描述數(shù)字系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和行為，是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言。利用這種語言，數(shù)字電路系統(tǒng)的設計可以從上層到下層（從抽象到具體）逐層描述自己的設計思想，即用一系列分層次的模塊來表示極其復雜的數(shù)字系統(tǒng)［2］。目前大規(guī)模集成數(shù)字邏輯器件或?qū)Ｓ眉呻娐稟SIC以及現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的電子設計自動化（EDA）開發(fā)平臺基本都以硬件描述語言為主要設計輸入工具。Quartus II就是Altera公司提供的一個多平臺的綜合性EDA設計環(huán)境，支持硬件描述語言的設計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器和仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程，從而實現(xiàn)各類集成器件、電路或系統(tǒng)的設計、仿真、調(diào)試與下載［3］。

2）應用舉例

中規(guī)模集成器件，如加法器、譯碼器、計數(shù)器等，是電工學課程主要內(nèi)容之一。教師在講解時，可以將Quartus II開發(fā)平臺作為這部分內(nèi)容介紹時的輔助工具。下面以七段顯示譯碼器為例。

七段顯示譯碼器是數(shù)字設備常用顯示器之一，主要由譯碼器和驅(qū)動器兩部分組成。目前市場上的購買到的顯示譯碼器一般只能用于顯示0～9十個有效數(shù)碼，而借助QuartusII開發(fā)平臺則可向?qū)W生展示七段顯示譯碼器不但可顯示0～9十個數(shù)碼，還可顯示部分字母，比如 H、E、L、P、O、U等。

利用硬件描述語言編寫”數(shù)字／字母顯示譯碼器”，生成譯碼器模塊后，根據(jù)不同的實驗裝置，如LP－2900或DE2等，設計相應的LED動態(tài)顯示電路，然后進行仿真、編譯與下載，即可在實驗裝置上用七段顯示器顯示數(shù)字或字符。圖6即為”數(shù)字／字母顯示譯碼器”輸出字符的圖形樣例。

圖6 輸出字符圖形樣例

通過上述仿真演示，可以看到，一些抽象的、復雜的中規(guī)模集成器件，若利用硬件描述語言實現(xiàn)，可以讓學生更清晰、直觀的了解器件輸入／輸出之間的邏輯關(guān)系，而不必再去考慮內(nèi)部復雜的電路結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

應用EDA工具軟件進行電子虛擬實驗非常的方便，對電工學教學是一種很好的輔助手段。同時學生在學習新知識，新內(nèi)容的同時，開闊了思路，拓寬了視野，為學生盡快適應飛速發(fā)展的電子時代打下良好的基礎。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展和推廣，EDA工具必將在輔助教學中發(fā)揮越來越重要的作用。

［1］ 鄭步生，吳渭，Multisim2001電路設計及仿真入門與應用［M］，北京：電子工業(yè)出版社，2002

［2］ 云創(chuàng)工作室，Verilog HDL程序設計與實踐，北京：人民郵電出版社，2009.2

［3］ 崔葛瑾，沈利芳，李偉民.基于FPGA的數(shù)字電路系統(tǒng)設計［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2008.7