來國紅，鐘建偉，楊 慶，劉 嵩，朱永丹

(湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

在模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)這門課中，運(yùn)算放大器及其線性應(yīng)用內(nèi)容是教學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容，如何在教學(xué)中使學(xué)生熟練掌握這些內(nèi)容是教學(xué)中必須解決的問題。運(yùn)用EWB 仿真輔助教學(xué)，對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行仿真分析，并將其應(yīng)用到相關(guān)的內(nèi)容教學(xué)中，有助于學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容的理解與掌握［1-2］。

EWB(Electronic Workbench)軟件是InterActive Image Technologies Ltd 在20 世紀(jì)90 年代初推出的電路仿真軟件。目前普遍使用的是EWB5.2，相對(duì)于其它EDA 軟件，它是較小巧的軟件(只有16 M)。但它對(duì)模數(shù)電路的混合仿真功能卻十分強(qiáng)大，幾乎100%地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果，并且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器和電壓表、電流表等儀器儀表［3］。它的界面直觀，易學(xué)易用。

1 基于EWB 的運(yùn)算放大器及其線性應(yīng)用電路仿真教學(xué)

通過仿真可以生動(dòng)具體的將電路及結(jié)論展示給學(xué)生，一方面加深了學(xué)生對(duì)理論的理解，另一方面學(xué)生通過仿真軟件了解了電路的結(jié)構(gòu)和使用方法。

1.1 同相比例放大電路

圖1 基于Ewb 仿真軟件的同相比例放大電路的仿真電路圖

電壓增益AV

根據(jù)虛短和虛斷的概念有:

所以:

(此處設(shè)問，讓學(xué)生計(jì)算出該仿真電路的電壓放大倍數(shù))根據(jù)仿真電路圖得到，計(jì)算出同相比例放大電路的理論電壓放大倍數(shù)為:

圖2 基于Ewb 虛擬示波器顯示同相比例放大電路波形

仿真結(jié)論:

通過仿真，觀察圖2 示波器:藍(lán)色為輸入信號(hào)(上面)，紅色為輸出信號(hào)(下面)，兩波形的幅度讀數(shù)相等，但輸入信號(hào)波形每格對(duì)應(yīng)的是200 mV，輸出波形的每格對(duì)應(yīng)的是2 V，相位相同，因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)波形電壓比為10，該結(jié)論與理論值相符合。

1.2 電壓跟隨器

特性分析:

根據(jù)虛擬短路和根據(jù)虛擬斷路:vo=vn≈vp=vi.

圖3 基于Ewb 仿真軟件的電壓跟隨器仿真電路圖

圖4 基于Ewb 虛擬示波器電壓跟隨器仿真波形

仿真結(jié)論:

通過仿真，觀察圖4 示波器:兩波形的幅度讀數(shù)相等，相位相同，因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)波形電壓比為1，該結(jié)論與理論值相符合。

1.3 反相比例放大電路

圖5 基于Ewb 仿真軟件的反相比例放大電路仿真電路圖

電壓增益AV

提問:“－”是什么意思? (可作為公式直接使用)

根據(jù)仿真電路圖得到，反相比例放大器，理論電壓放大倍數(shù)為－1(此處設(shè)問，讓學(xué)生計(jì)算出該仿真電路的電壓放大倍數(shù))

圖6 基于Ewb 虛擬示波器反相比例放大電路仿真波形

仿真結(jié)論:

通過仿真，觀察圖6 示波器:水平軸上面為輸入信號(hào)波形，水平軸下面為輸出信號(hào)，兩波形的幅度讀數(shù)相等，但輸入信號(hào)波形每格對(duì)應(yīng)的是2 V，輸出波形的每格對(duì)應(yīng)的是2 V，但相位是相反的，因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)電壓比為－1，該結(jié)論與理論值相符合。

1.4 運(yùn)算放大器應(yīng)用實(shí)例解答及其仿真輔助教學(xué)

例圖7 直流毫伏表電路，當(dāng)R2?R3時(shí)，

1)試證明Vs=(R3R1/R2)Im;

2)R1=R2=150 kW，R3=1 kW，輸入信號(hào)電壓

Vs=100 mV 時(shí)，通過毫伏表的最大電流Im(max)=?

圖7 直流毫伏表電路

解:(1)根據(jù)虛斷有 Ii=0 .

所以 I2=Is=Vs/R1.

又根據(jù)虛短有 Vp=Vn=0 .

R2和R3相當(dāng)于并聯(lián)，

所以－I2R2=R3(I2－Im).

所以，當(dāng)R2?R3時(shí)，Vs=(R3R1/R2)Im.

(2)代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可得Im=100 μA .

圖8 基于Ewb 仿真軟件的直流毫伏表電路仿真電路圖

圖9 基于Ewb 虛擬示波器的直流毫伏表電路波形

仿真結(jié)論:

通過仿真，觀察虛擬示波器圖9 可以讀出輸入信號(hào)為100.00 mV，輸出信號(hào)為－100.665 μV，由于示波器不能直接測(cè)電流，因此只有通過將電流轉(zhuǎn)換為電壓來測(cè)量，所以仿真電路中用了一個(gè)電流控制電壓源，控制系數(shù)為1 Ω，因此，將示波器讀出來的電壓－100.665 μV，轉(zhuǎn)換為電流就是－100.665 μA，符號(hào)表示電流的方向從負(fù)載流出，同電路圖中標(biāo)示的方向是一致的，誤差為0.665 μA，這個(gè)誤差非常小，在工程上完全可以忽略。

2 結(jié)束語

綜上所述，通過EWB 對(duì)運(yùn)算放大器及其線性應(yīng)用電路的仿真教學(xué)，可以將比較枯燥的理論講解和仿真實(shí)驗(yàn)巧妙的結(jié)合起來，充分利用仿真技術(shù)對(duì)相應(yīng)的電路進(jìn)行仿真，可以使一些結(jié)論等內(nèi)容得到驗(yàn)證，從而加深學(xué)生對(duì)理論的理解，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、興趣愛好及提高課堂效率;另外生動(dòng)的仿真也加深了學(xué)生對(duì)理論的理解記憶，從而實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際的結(jié)合，并且在還可以充分利用仿真這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生只需要掌握這些仿真軟件使用方法，就可解決學(xué)校辦學(xué)設(shè)備不足，可以克服實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)箱只能做固定的一些實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，學(xué)生可以自主的任意設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而大大豐富拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容與手段，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的能力及提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

［1］鐘文耀.EWB 電路設(shè)計(jì)入門及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000.

［2］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］楊立英.電子電路EDA 技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.