董杰
山東省高校信息安全與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青年政治學(xué)院 濟(jì)南 250014
電子技術(shù)作為大學(xué)電子類專業(yè)的主干課程,也是計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)管理等專業(yè)的基礎(chǔ)課。它是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,長期以來,電子技術(shù)課程教學(xué)主要由理論課教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成,在傳統(tǒng)的理論、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)三段式教學(xué)模式下,通常是教師教得辛苦,學(xué)生學(xué)得痛苦,在學(xué)習(xí)中很多學(xué)生往往感到課程內(nèi)容抽象,概念難以理解。隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用,將仿真軟件引入大學(xué)電子技術(shù)課堂教學(xué)過程中,可以把抽象的概念和理論用具體的圖形和聲音表現(xiàn)出來。在課堂上利用軟件進(jìn)行仿真、演示,可以增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),同時(shí)掌握各種儀器的基本使用和電路參數(shù)的測試方法,使課堂的教與學(xué)形成良好互動(dòng),教學(xué)內(nèi)容更生動(dòng)、直觀。學(xué)生通過這種方式,更好理解電路的基本理論,可以達(dá)到事半功倍的效果。
電子類仿真軟件是隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一種高級(jí)、快速、有效的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具,是以計(jì)算機(jī)的硬件和軟件為基本工作平臺(tái),集數(shù)據(jù)庫、圖形學(xué)、圖論與拓?fù)溥壿?、?jì)算數(shù)學(xué)、優(yōu)化理論等多學(xué)科研制而成的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)通用軟件包。利用它從電路設(shè)計(jì)、性能分析、參數(shù)優(yōu)化到PCB(印刷電路板)和專用集成電路設(shè)計(jì),整個(gè)過程都可以通過計(jì)算機(jī)處理完成,因此日益得到廣大教育工作者以及科技人員尤其是從事電子技術(shù)領(lǐng)域的科技人員的關(guān)愛[1]。
常用的電子類仿真軟件有View logic、OrCAD、PSpice、Pcad、Protel、Multisim等,其中以PSpice、Protel和Multisim為目前國內(nèi)外最為常用的EDA仿真軟件。它們的功能特點(diǎn)各具特色,在應(yīng)用時(shí),應(yīng)針對(duì)不同的目的和條件進(jìn)行合理選擇:PSpice功能強(qiáng)大,適合于對(duì)復(fù)雜電路進(jìn)行全面的分析和優(yōu)化;Protel綜合性能好,使用范圍廣,實(shí)現(xiàn)了電路仿真與PCB設(shè)計(jì)的一體化,非常有意義;Multisim直觀易用,具有較高的性能價(jià)格比,非常適合于電路、電子類課程的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì),具有廣闊的應(yīng)用前景。
Multisim是加拿大IIT公司推出的頗具特色的電子仿真軟件,從6.0版本起有了較大規(guī)模的改動(dòng),主要增加了大量元件模型,可以仿真更復(fù)雜的電路,在很大程度上加強(qiáng)對(duì)高頻電路的仿真能力和精度,電路圖的繪制更加方便,此時(shí)軟件更名為Multisim。Multisim在設(shè)計(jì)文件編輯和印制電路板設(shè)計(jì)方面,與其他通用EDA軟件相比并無優(yōu)勢,其優(yōu)點(diǎn)主要集中在電路仿真上。
Multisim的仿真功能十分強(qiáng)大,無需進(jìn)行手工連線裝配,就可以非常逼真地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果,若是結(jié)果不理想,需更換元件或改變?cè)?shù),只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成。Multisim的分析手段也較全面,其中包括電路的直流工作點(diǎn)分析、交流頻率分析、瞬態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析等電路分析方法??蓪?duì)仿真電路中的元件設(shè)置各種故障,從而觀察在不同故障情況條件下的電路工作狀態(tài)。在進(jìn)行仿真的同時(shí),還可以列出所有元器件的清單,存儲(chǔ)測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和測量數(shù)據(jù)。另外,Multisim的兼容性也較好,它能導(dǎo)出被CAD或Protel所讀取的文件格式。
大學(xué)教育要實(shí)施素質(zhì)教育,把發(fā)展學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力放在首位,實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)知識(shí)型向現(xiàn)代創(chuàng)新型培養(yǎng)目標(biāo)的轉(zhuǎn)變。Multisim為輔助教學(xué)提供了一個(gè)很好的實(shí)用工具,使教師能夠在教學(xué)過程中對(duì)數(shù)字電路隨時(shí)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),用軟件進(jìn)行仿真教學(xué)。
教師可以在多媒體教室中深入淺出地分析各種邏輯電路的特性,講解各種輸入信號(hào)的變化或者電路參數(shù)改變對(duì)電路輸出信號(hào)的影響,操作速度快,學(xué)生能夠形象直觀地觀察到邏輯電路的工作情況,了解到不同形式的邏輯電路的功能。在演示過程中教師可以隨時(shí)改變邏輯器件的參數(shù)、數(shù)值大小或增加邏輯器件的數(shù)量,讓學(xué)生直觀地看到從簡單電路到復(fù)雜電路的變化過程,體會(huì)不同電路性能。教師可以方便地改變不同的測試點(diǎn),使演示實(shí)驗(yàn)變得非常簡便,使用軟件輔助教學(xué)可將一些不易理解而又無法用真實(shí)儀器在課堂上演示的內(nèi)容形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前,做到化繁為簡,變抽象為直觀,讓學(xué)生增加感性認(rèn)識(shí),加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。
Multisim不僅在輔助教學(xué)方面,而且在實(shí)際電子產(chǎn)品的開發(fā)方面應(yīng)用也非常廣泛,好多研發(fā)部門都把電子電路仿真軟件作為開發(fā)、分析電路系統(tǒng)的工具軟件,它的應(yīng)用可以大大縮短研發(fā)周期,節(jié)約經(jīng)費(fèi),提高效率。讓學(xué)生提前掌握仿真軟件的使用,可以增強(qiáng)學(xué)生的自信心,提高他們就業(yè)的競爭力。
學(xué)生剛開始接觸模電的時(shí)候,對(duì)放大電路的交直流分析一直比較困難。很多學(xué)生搞不清楚為什么要對(duì)放大電路同時(shí)進(jìn)行直流和交流分析?分析靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)交流信號(hào)有什么作用?這時(shí)需要讓他們理解,靜態(tài)工作點(diǎn)是交流信號(hào)工作的一個(gè)載體,交流信號(hào)的放大必須在這個(gè)載體上進(jìn)行,離開了靜態(tài)工作點(diǎn),交流信號(hào)沒法正常工作。而且靜態(tài)工作點(diǎn)需要選取合適的位置,位置選取不合適,交流信號(hào)的放大就會(huì)產(chǎn)生失真。傳統(tǒng)的方法是,計(jì)算出靜態(tài)工作點(diǎn)的大小,然后根據(jù)三極管Ic和Uce的變化曲線,畫出輸入和輸出交流信號(hào)的變化曲線[2]。如此分析,數(shù)據(jù)較多,圖形繁瑣,往往讓學(xué)生理不清頭緒,更重要的是沒有直觀地認(rèn)識(shí)交流信號(hào)在靜態(tài)工作點(diǎn)處的變化情況。
以圖1為例,采用仿真的方法分析。圖1為一個(gè)典型的單管共射放大電路,輸入為一個(gè)微小交流信號(hào),經(jīng)過三極管放大,通過電容耦合輸出。通過估算,靜態(tài)工作點(diǎn)處Ub=3 V,Uc=9.7 V,通過仿真得出圖1中結(jié)點(diǎn)3和5處的波形如圖2所示。在圖2上,可以看到經(jīng)過濾除直流信號(hào)后,B通道電路最終輸出的正弦波的波峰值約為607.8 mV,比輸入信號(hào)放大了30倍,A通道為交流信號(hào)疊加在靜態(tài)工作點(diǎn)的信號(hào),兩個(gè)波的波峰值相減為9.27 V,正好約等于靜態(tài)工作點(diǎn)的Uc值。通過圖形看到,必須通過外加的直流電源,讓三極管工作在一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn),交流信號(hào)才能正常放大,放大后信號(hào)通過電容C3隔離直流信號(hào),最終得到放大后的波形。通過仿真的圖2,直流交流分析直觀清楚。
Multisim是一種特別適合于教學(xué)的電路仿真軟件,是用于電子技術(shù)課程教學(xué)的良好工具,教師上課做演示實(shí)驗(yàn)不需要搬動(dòng)笨重的儀器,只需有一個(gè)多媒體教室就可以了。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中使用Multisim,既可擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,又可擴(kuò)充學(xué)生的思維空間,這對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性有重要的作用。學(xué)生通過Multisim來學(xué)習(xí)電子技術(shù),不論是在理論上還是在實(shí)踐上都得到很大的提高,而且又節(jié)省了精力,提高了效率。
[1]王萍.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.
[2]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京:高等教育出版社,2006.
[3]劉金華.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2010.