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        EDA技術(shù)在《電子線路》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

        2011-10-25 10:18:02周全壽
        關(guān)鍵詞:電子線路課程設(shè)計(jì)波形

        周全壽

        (太原師范學(xué)院 物理系,山西 太原 030012)

        EDA(Electronics Design Automation)技術(shù)是隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路技術(shù)飛速發(fā)展,應(yīng)用而生的一種高級(jí)、快速、有效的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)。EDA技術(shù)包含了IC設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)軟件種類較多,其中由加拿大Interactive Image Technologic公司20世紀(jì)90年代推出的 EWB(Electronics Workbench),以簡單易學(xué)、操作方便、界面直觀、功能強(qiáng)大、器件種類豐富等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用,是國際公認(rèn)的成熟的電路仿真軟件。將EDA技術(shù)引入電子線路實(shí)驗(yàn)課程的課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和綜合創(chuàng)新,可為提高學(xué)生理論知識(shí)的理解和掌握、分析問題、解決問題能力以及思維創(chuàng)新能力提供良好的培養(yǎng)平臺(tái)。

        1 EDA技術(shù)教學(xué)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性

        實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié),在電子線路課程的教學(xué)中,教師要向?qū)W生講授器件的基本原理,分析電路的傳輸特性。如果僅靠教師的板書、板畫、語言描述,學(xué)生接收到的只是概念、難以理解、不易掌握的公式、曲線及數(shù)據(jù)。將EDA技術(shù)引入課堂,在講述理論概念的同時(shí),由EWB現(xiàn)場演示講授內(nèi)容、讓學(xué)生看到模擬實(shí)物,通過虛擬儀器的檢測,觀察到電路中電流,電壓等電量的波形和數(shù)據(jù),分析其各電量之間的關(guān)系,可使學(xué)生在實(shí)踐基礎(chǔ)上,加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。

        EWB提供了豐富的器件庫,儀表庫,電源庫,完全是一個(gè)現(xiàn)代化的多功能虛擬實(shí)驗(yàn)室如圖1所示[1],它完全可以滿足教學(xué)的需要。隨著多媒體技術(shù)發(fā)展和多媒體設(shè)備的普及,將EWB與之結(jié)合,實(shí)現(xiàn)一個(gè)可移動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室來解決上述問題,實(shí)現(xiàn)了EDA技術(shù)引入課堂教學(xué)的可行性。

        2 EWB在電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

        2.1 在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用

        將EWB經(jīng)多媒體手段展示給學(xué)生。在講授功率放大器工作原理時(shí),學(xué)生對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的選取決定功率放大器的類型,以及電路產(chǎn)生的非線性失真(飽和失真、截止失真、交越失真)的原因等內(nèi)容難以理解及掌握[2]。通過EWB將各類功效電路形式、功放管 V-A特性曲線展示出來、靈活選取偏置電路中電阻的不同參數(shù),可立即在屏幕上展示出虛擬儀器所測出的靜態(tài)直流參數(shù)及動(dòng)態(tài)波形,如圖2所示。

        圖1 EWB器件與儀器儀表圖解

        圖2 乙類互補(bǔ)功率放大電路仿真數(shù)據(jù)與波形

        圖2 中虛擬示波器展示了輸出波形產(chǎn)生了交越失真,分析可知是由于功放管的死區(qū)電壓存在所致。只要給功放管合適的導(dǎo)通偏壓,構(gòu)成甲乙類互補(bǔ)功放器,就可以消除交越失真,如圖3所示。

        圖3 甲乙類互補(bǔ)功率放大電路仿真數(shù)據(jù)與波形

        這時(shí)再加上教師的講解、分析與比較,學(xué)生將很快能理解并掌握正確設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)及區(qū)分不同非線性失真及改造電路消除失真的辦法。

        又如,在講授運(yùn)算放大器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用時(shí)[3],可用EWB連接所講電路,選擇輸入信號(hào),用虛擬示波器檢測并展示輸出波形,總結(jié)其傳輸函數(shù),如圖4所示。

        圖4 反向比例運(yùn)算放大器仿真電路及測量數(shù)據(jù)

        由測量結(jié)果可推得:

        這樣既有感性認(rèn)識(shí)又有理論推導(dǎo),豐富的知識(shí)量和表現(xiàn)力,使學(xué)生很容易理解,大大地提高了學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。

        2.2 在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

        傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,由于器材的局限性,開設(shè)出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量偏少、規(guī)模也較小。引入EDA技術(shù),可利用EWB和PC構(gòu)成一個(gè)多功能虛擬實(shí)驗(yàn)室。由于EWB中的測試儀器的操作面板同實(shí)驗(yàn)室真實(shí)儀器的操作面板相差無幾,學(xué)生課后也能進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn),從而掌握儀器的使用方法及電路的測量手段,并能將教學(xué)中預(yù)置的某元件發(fā)生短路、斷路、漏電等故障,而這在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中則較難以實(shí)現(xiàn)(因其可能會(huì)導(dǎo)致元器件或儀器的損壞)。EWB既能設(shè)置以上的各種情景,又不會(huì)因?yàn)椴僮鞑划?dāng)造成元器件或儀器的損壞,充分體現(xiàn)了EWB具有省錢、省力、省時(shí)、高效的優(yōu)點(diǎn)。

        另外,EWB也為學(xué)生進(jìn)行研究設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[4],培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,為學(xué)生課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了良好的實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái),從而培養(yǎng)學(xué)生樂于搜索、勇于創(chuàng)新的精神。如課程設(shè)計(jì)“數(shù)字電子鐘”,如圖5所示。

        圖5 數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)及模擬電路圖

        又如畢業(yè)設(shè)計(jì)“溫度自動(dòng)控制電路”[5],如圖6所示。

        圖6 溫度自動(dòng)控制電路

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