袁豐+黃麗亞

摘 要 本文基于“模擬電路”課程的特點(diǎn)，指出了學(xué)生在學(xué)習(xí)中常常會(huì)遇到的，EDA仿真和理論分析存在矛盾的問(wèn)題。論文從一個(gè)實(shí)例出發(fā)，研究了理論分析和仿真之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)該實(shí)例的解答，說(shuō)明了該問(wèn)題產(chǎn)生的原因和本質(zhì)。進(jìn)一步地，闡述了對(duì)模擬電路學(xué)習(xí)中理論分析和計(jì)算機(jī)仿真之間關(guān)系問(wèn)題的理解，并探討了在課堂教學(xué)中相應(yīng)的處理、講授及教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞 模擬電路 教學(xué)方法 EDA仿真

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.09.017

Study on the Relation between Simulation and Theoretical

Analysis in Analog Electric Circuits

YUAN Feng， HUANG Liya

（College of Electronic Science & Engineering， Nanjing University of

Posts and Telecommunications， Nanjing 210003）

Abstract Based on the characteristics of Analog Electronic Circuits course， this paper points out a problem of inconsistent relationship between EDA simulation and theoretical analysis， which always occurs in the students learning. The cause and nature of the problem is described during the process of analyzing a practical problem， and the understanding of this relationship is explained in the same time. Moreover， corresponding teaching methods are discussed in this paper.

Key words analog electric circuits; teaching method; EDA simulation

0 引言

“模擬電路”課程是普通高校物理學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)好該課程，對(duì)深入學(xué)習(xí)各專業(yè)相關(guān)的后續(xù)課程及電子技術(shù)的新知識(shí)有著十分關(guān)鍵的作用。由于該課程的內(nèi)容多、理論多，又兼有較強(qiáng)的抽象性、邏輯性、工程性和實(shí)踐性，學(xué)生普遍感到很難學(xué)。如果僅僅是按照教學(xué)大綱，按部就班地教授這門課，那效果一定很不好。怎么樣才能把新知識(shí)、新方法有效地傳授給學(xué)生？怎么樣才能讓科學(xué)思維、探索精神在學(xué)生的大腦中扎根？這是值得每個(gè)教授這門課程的教師深入思考、研究嘗試和總結(jié)提高的一個(gè)課題。

對(duì)于任何一門課程的課堂教學(xué)，以學(xué)生為主體，靈活運(yùn)用多種教學(xué)法都不失是一種有效的方法。面向不同專業(yè)背景、不同掌握程度的學(xué)生時(shí)，教師的授課必須因材施教。

類似地，在不同的課程教學(xué)中，靈活運(yùn)用不同的教學(xué)方法——“因課施教”也同樣重要。在這方面，“模擬電路”課程尤其有其特殊性。正如上文所述，該課程既有抽象性、邏輯性，又有工程性和實(shí)踐性，在教學(xué)中，除了要學(xué)習(xí)涉及物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)外，往往還需要借助EDA來(lái)進(jìn)行仿真。①

1理論分析與EDA仿真存在的矛盾

學(xué)生在理論研究和EDA仿真之間往往會(huì)存在以下現(xiàn)象，如：發(fā)現(xiàn)理論研究的結(jié)論和EDA仿真的結(jié)果不一致，產(chǎn)生困惑，甚至覺(jué)得模擬電路“不可知”，最后產(chǎn)生畏懼心理?；蛘吒纱嘁訣DA仿真代替理論研究，學(xué)生不加以思索和分析，化身為“操作工”。

現(xiàn)象的背后，其原因在于從數(shù)學(xué)、物理推算的理論角度去學(xué)習(xí)“模擬電路”這門課的時(shí)候，通常會(huì)在一定的條件下忽略一些次要問(wèn)題，以免陷入過(guò)于復(fù)雜化的困境。而用EDA軟件仿真時(shí)，則更接近實(shí)際情況，造成了理論分析的結(jié)論和仿真軟件仿真的結(jié)果往往不完全一樣。②面對(duì)這種情況，教師應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生明白：

（1）仿真可用于理論探討的驗(yàn)證，是理論學(xué)習(xí)的有力助手，兩者的結(jié)論一定是相符的。（2）仿真不能代替理論的分析，仿真的前提是有理論的指引。

2實(shí)例分析

本文將通過(guò)一個(gè)教學(xué)中的實(shí)例來(lái)說(shuō)明EDA仿真和理論分析之間關(guān)系的問(wèn)題。

2.1 實(shí)例問(wèn)題的提出

在學(xué)習(xí)“集成運(yùn)放的應(yīng)用”這部分知識(shí)時(shí)，會(huì)講到運(yùn)放工作在線性狀態(tài)時(shí)，構(gòu)成信號(hào)運(yùn)算電路。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，通常將運(yùn)放視作增益和輸入阻抗無(wú)窮大，輸出阻抗無(wú)窮小的理想運(yùn)放。對(duì)反相比例運(yùn)算電路，如圖1所示，作如下分析：③

根據(jù)理想運(yùn)放“虛斷”的特性，流過(guò)電阻的電流近似等于流過(guò)電阻的電流，即：

又根據(jù)理想運(yùn)放在線性運(yùn)用下存在“虛短”的特性，同相輸入端電壓近似等于反相輸入端電壓，即：

然而，實(shí)際上（仿真，或者實(shí)驗(yàn)時(shí)），遇到的運(yùn)放往往都不是理想的。也就是說(shuō)，實(shí)際的運(yùn)放，其放大倍數(shù)、輸入/輸出阻抗都是有限值。因此，如果上述反相比例放大電路中的 = 10k€%R， = 100k€%R。運(yùn)放為實(shí)際運(yùn)放，參數(shù)為：Au = 80dB， = 50k€%R， = 100€%R， = 10k€%R。則按（5）式結(jié)論，反相比例放大電路的輸出電壓是為輸入電壓的-10倍關(guān)系。而用仿真軟件（本文采用較簡(jiǎn)便的EWB軟件，用其他電路仿真軟件皆可）仿真時(shí)，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)輸出電壓只有輸入電壓的-9.9869倍。學(xué)生就會(huì)有疑問(wèn)，為什么兩者的結(jié)果不一樣呢？是不是哪個(gè)結(jié)果是錯(cuò)的呢？

圖2 EDA仿真結(jié)果

2.2 實(shí)例問(wèn)題的分析

事實(shí)上，正如前述，這是理論分析和仿真軟件分析的“精度”不同所致，而兩者實(shí)際上是一致的。如圖3所示，虛線框內(nèi)為實(shí)際運(yùn)放的等效電路。

代入具體數(shù)值，得 = 0.0013143，則 = 9.9869。正好就是前述的仿真結(jié)果！

因此，由上述分析可見(jiàn)，理論分析和仿真一定是互相支持的。而理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)獲得一致結(jié)論的關(guān)鍵就在于要有相匹配的前提條件。

3思考和結(jié)論

由以上討論可見(jiàn)，理論分析與仿真是一致的。理論是仿真的前提，為仿真指明道路。授課教師可以引導(dǎo)學(xué)生，根據(jù)“異常現(xiàn)象”、結(jié)合理論分析來(lái)查找原因，修正仿真的設(shè)置。在查找原因的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)深入理解理論和仿真的關(guān)系。反之，仿真則是理論學(xué)習(xí)的有力助手。在課堂的理論分析教學(xué)環(huán)節(jié)中，適當(dāng)穿插軟件仿真的內(nèi)容，作為實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的先驗(yàn)知識(shí)、或是補(bǔ)充強(qiáng)化，和課堂的理論分析同時(shí)展示給學(xué)生，兩相對(duì)比，讓學(xué)生能更好地理解知識(shí)點(diǎn)。

當(dāng)前，多媒體教學(xué)已經(jīng)是高校教學(xué)的通用教學(xué)手段。然而，對(duì)于電類課程，尤其象“模擬電路”課程，在平時(shí)的教學(xué)中，如果能將軟件仿真和理論分析兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，將大大增強(qiáng)教學(xué)的效果，提高學(xué)生分析問(wèn)題、研究問(wèn)題的能力。

注釋

①③王志功，沈永朝.電路與電子線路基礎(chǔ)：電子線路部分（第1版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

② 黃麗亞.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.