王棟?王蕊?李艷玲?朱曉菲

摘要：電子信息工程專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)困難，因此需要加設(shè)課程對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往依賴(lài)于硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，存在設(shè)備老舊、設(shè)備短缺和人員維護(hù)有限等缺點(diǎn)，在一定程度上影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生，成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的強(qiáng)大支撐。從發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的功能和優(yōu)勢(shì)出發(fā)，提出基于計(jì)算機(jī)仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)措施，用于提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐動(dòng)手能力，達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：電子信息工程；計(jì)算機(jī)仿真軟件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、前言

在電子信息工程專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞腔趯?shí)驗(yàn)板、實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)體實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱嬖谠O(shè)備老舊、設(shè)備短缺和人員維護(hù)有限等問(wèn)題。而計(jì)算機(jī)仿真軟件的使用，可以很好地解決上述問(wèn)題，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)性，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的，同時(shí)還能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)仿真軟件的使用熱情，為以后的科研實(shí)踐打好基礎(chǔ)[1]。

二、計(jì)算機(jī)仿真軟件介紹

計(jì)算機(jī)仿真軟件是一種專(zhuān)門(mén)用于仿真的計(jì)算機(jī)軟件，與仿真硬件同為仿真工具。它的發(fā)展依賴(lài)于仿真應(yīng)用、算法、計(jì)算機(jī)建模等技術(shù)的發(fā)展。常見(jiàn)的電子信息類(lèi)仿真軟件有MATLAB/Simulink、Multisim和HFSS等。

（一）MATLAB/Simulink簡(jiǎn)介

MATLAB（矩陣實(shí)驗(yàn)室，Matrix Laboratory的簡(jiǎn)稱(chēng)）是一款著名的計(jì)算機(jī)仿真軟件，由美國(guó)MathWorks公司發(fā)布。它主要應(yīng)用于工程計(jì)算、信號(hào)處理、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)檢測(cè)、圖像處理等相關(guān)領(lǐng)域。為科研、設(shè)計(jì)以及有效數(shù)值計(jì)算等眾多科學(xué)領(lǐng)域提供一個(gè)解決方案。除了MATLAB本身軟件外，MathWorks公司還有一個(gè)基于模型設(shè)計(jì)的產(chǎn)品Simulink，它可以用于嵌入式系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)模型系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域的仿真。Simulink是MATLAB中的一個(gè)可視化、模塊化的仿真工具，是一個(gè)基于MATLAB軟件的可視化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包[2]。此外，MATLAB可以在多種操作系統(tǒng)上運(yùn)行，適用于Windows、MAC以及Linux操作系統(tǒng)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用。

（二）Multisim簡(jiǎn)介

Multisim是一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司研發(fā)推出，在Windows平臺(tái)上運(yùn)行，適用于板卡級(jí)別的數(shù)字/模擬電路設(shè)計(jì)。它提供了簡(jiǎn)單易用的圖形輸入接口來(lái)滿(mǎn)足使用者對(duì)電子電路設(shè)計(jì)的需求，該軟件把原理圖、仿真和可編程邏輯器件集成在一起，使用者可以方便地對(duì)電子電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，不用太多考慮不同供應(yīng)商產(chǎn)品性能不同導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題[3]。Multisim易學(xué)易用，便于教師、工程技術(shù)人員、學(xué)生學(xué)習(xí)和進(jìn)行綜合性的電子設(shè)計(jì)，有利于培養(yǎng)各種人員的綜合分析能力、開(kāi)發(fā)能力和創(chuàng)新能力，廣泛應(yīng)用于電子相關(guān)領(lǐng)域中。

（三）HFSS簡(jiǎn)介

HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美國(guó)Ansys公司推出的一款著名的3D電磁仿真軟件。它提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔直觀(guān)的用戶(hù)設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有功能強(qiáng)大的電磁性能分析能力的處理器，可以計(jì)算出任意形狀三維無(wú)源材料的全波電磁場(chǎng)和S參數(shù)。其提供了從部件級(jí)到電路級(jí)乃至系統(tǒng)級(jí)快速且精確的仿真設(shè)計(jì)方法，基本上包含了高頻電路設(shè)計(jì)的所有內(nèi)容，目前經(jīng)歷了三十多年的不斷發(fā)展，已經(jīng)是電磁仿真人員不可或缺的仿真工具，在射頻、微波、天線(xiàn)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

三、計(jì)算機(jī)仿真軟件在電子信息工程專(zhuān)業(yè)課程中的應(yīng)用

（一）MATLAB/Simulink仿真軟件使用

在數(shù)字信號(hào)處理中，濾波器被經(jīng)常用到，濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利通過(guò)，而抑制另外一部分頻率的信號(hào)。那么如何設(shè)置濾波器的參數(shù)，就需要使用MATLAB軟件來(lái)對(duì)濾波器進(jìn)行仿真，進(jìn)而分析得到濾波器的參數(shù)，完成對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)。常見(jiàn)的物理可實(shí)現(xiàn)濾波器有巴特沃斯濾波器（Butterworth filter）、切比雪夫?yàn)V波器（Chebyshev filter）和貝塞爾濾波器（Bessel filter）等。以巴特沃斯低通濾波器為例，來(lái)展示MATLAB仿真軟件在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的應(yīng)用。圖1為巴特沃斯低通濾波器的幅頻響應(yīng)仿真結(jié)果，其階數(shù)分別為2、5和10，可以根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)選擇相應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)而完成對(duì)相應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)。

（二）Multisim仿真軟件使用

在電子信息領(lǐng)域中，基本運(yùn)算器有三種，分別是加法器、乘法器和積分器。所以說(shuō)，積分運(yùn)算電路在電子電路中會(huì)被經(jīng)常用到，那么就可以通過(guò)Multisim軟件對(duì)積分運(yùn)算電路進(jìn)行仿真分析，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)參數(shù)完成對(duì)所需積分電路的設(shè)計(jì)[5]。圖2為用Multisim設(shè)計(jì)的積分運(yùn)算電路，運(yùn)算放大器的型號(hào)為L(zhǎng)M324A，是意法半導(dǎo)體公司推出的一款面向模擬器件市場(chǎng)的高性能雙運(yùn)算放大器芯片，采用正負(fù)5V雙電源供電，本文在仿真時(shí)只用到了其中一個(gè)運(yùn)算放大器。電阻R1為10KΩ、R2為1KΩ，反饋電容C1為1μF。

XFG1為信號(hào)發(fā)生器，設(shè)置輸入頻率為200 Hz的方波信號(hào)，占空比為50%，如圖3所示。

XSC1為示波器，A通道連接積分運(yùn)算電路的輸出，B通道連接信號(hào)發(fā)生器的輸出。通過(guò)理論分析可知，當(dāng)輸入為方波信號(hào)時(shí)，積分電路的輸出應(yīng)該為三角波。圖4為仿真結(jié)果，下面的波形為輸入信號(hào)波形，上面的波形為輸出信號(hào)波形，可以看出在輸入為200Hz，占空比為50%的方波情況下，該積分器的輸出波形為三角波信號(hào)，因此該電路可以完成對(duì)輸入信號(hào)的積分運(yùn)算，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。但是，如果輸入信號(hào)發(fā)生變化（如信號(hào)波形、信號(hào)頻率等），輸出結(jié)果有可能達(dá)不到積分運(yùn)算的效果，需要對(duì)電路中電容或電阻的參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，以此達(dá)到預(yù)期目的。

（三）HFSS仿真軟件使用

八木天線(xiàn)又稱(chēng)為引向天線(xiàn)，是一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、波束寬度較寬、定向性較好的天線(xiàn)，由一個(gè)半波有源振子、一個(gè)反射振子和若干個(gè)引向振子組成，被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前各種電子通信系統(tǒng)當(dāng)中。在實(shí)際教學(xué)中，該部分內(nèi)容也是要求學(xué)生重點(diǎn)掌握的內(nèi)容，但是，由于該部分理論十分抽象、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較多，學(xué)生不容易理解，使用HFSS軟件對(duì)該部分內(nèi)容進(jìn)行仿真，可以加深學(xué)生對(duì)天線(xiàn)理論的理解，提高教學(xué)效果。

八木天線(xiàn)的設(shè)計(jì)指標(biāo)較多，包括天線(xiàn)的尺寸、主瓣寬度、增益、旁瓣電平以及工作頻段等指標(biāo)[6]，通過(guò)HFSS軟件對(duì)八木天線(xiàn)進(jìn)行仿真分析之前，需要先確定這些指標(biāo)，然后利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，最后利用HFSS軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的天線(xiàn)進(jìn)行參數(shù)微調(diào)，就可以獲得滿(mǎn)足指標(biāo)要求的仿真結(jié)果，圖5為使用HFSS軟件對(duì)八木天線(xiàn)進(jìn)行仿真界面。

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的天線(xiàn)進(jìn)行仿真分析，就可以獲得其仿真結(jié)果，圖6是八木天線(xiàn)的天線(xiàn)方向性圖函數(shù)仿真結(jié)果，可以直觀(guān)地展示出天線(xiàn)在各個(gè)方向的增益，能夠加深學(xué)生對(duì)天線(xiàn)中各個(gè)參數(shù)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)措施

為提高電子信息工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐綜合應(yīng)用能力，必須加強(qiáng)學(xué)生理論與實(shí)際結(jié)合的培養(yǎng)工作。計(jì)算機(jī)仿真軟件具有可以實(shí)時(shí)更新、軟件充足、不需要額外人員進(jìn)行維護(hù)等特點(diǎn)，可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題。那么就需要借助計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，由此來(lái)提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，具體改進(jìn)措施如下：

第一，在課程開(kāi)始前，首先，教師需要針對(duì)課程內(nèi)容選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)仿真軟件，例如，“模擬電子電路”“數(shù)字電子電路”“電子測(cè)量技術(shù)”等課程可以選用Multisim作為仿真軟件?！靶盘?hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”等課程可以選用MATLAB/Simulink作為仿真軟件?！拔⒉夹g(shù)與天線(xiàn)”“天線(xiàn)與電波傳播”等課程可以選用HFSS作為仿真軟件。其次，教師需要根據(jù)該課程內(nèi)容編排，不斷更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，尤其是對(duì)理論課程內(nèi)容比較抽象、乏味的內(nèi)容，可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。最后，教師需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編寫(xiě)或修訂實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，指導(dǎo)書(shū)可以包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)要求等內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖墙?jīng)過(guò)本次實(shí)驗(yàn)后學(xué)生知識(shí)或操作能力應(yīng)該能夠達(dá)到的水平。實(shí)驗(yàn)原理是本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所依據(jù)的理論根據(jù)，如公式、定理、公理等，能夠指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，又能經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)方法，由于采用的是計(jì)算機(jī)仿真方法來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)方法是在本次實(shí)驗(yàn)中可能用到的仿真庫(kù)、仿真模塊、仿真流程圖等，以達(dá)到可以完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的目的。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是根據(jù)課程的需要，學(xué)生在本次實(shí)驗(yàn)中需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)要求是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作當(dāng)中需要注意的地方。

第二，在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)始前，教師需要提前給學(xué)生相應(yīng)仿真軟件的使用說(shuō)明文檔，或者在理論課中簡(jiǎn)要說(shuō)明仿真軟件的使用方法，以確保學(xué)生基本會(huì)使用該仿真軟件。學(xué)生需要了解仿真軟件的基本使用方法以及完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，主要包括對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法的了解。

第三，在實(shí)驗(yàn)課中，教師要向?qū)W生講述相應(yīng)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)原理，同時(shí)要讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每一個(gè)步驟的功能、作用及達(dá)到什么效果，并強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中需要注意的地方，確保學(xué)生能夠獨(dú)立地完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)操作階段，學(xué)生應(yīng)該獨(dú)立完成，但是，對(duì)于學(xué)生仿真不下去、仿真困難或者仿真容易出錯(cuò)的地方，教師要再進(jìn)行統(tǒng)一講解，讓學(xué)生能夠把實(shí)驗(yàn)進(jìn)行下去。

第四，在實(shí)驗(yàn)課后，教師可以利用計(jì)算機(jī)辦公軟件將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)寫(xiě)情況記錄下來(lái)[7]，及時(shí)掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力，給出對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，根據(jù)計(jì)算機(jī)辦公軟件對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中所遇到的難點(diǎn)問(wèn)題，并有針對(duì)性地修正更新實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)及仿真程序，為后續(xù)教學(xué)的提升提供依據(jù)。

五、結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論課程內(nèi)容的補(bǔ)充，在電子信息專(zhuān)業(yè)課程中，將理論與計(jì)算機(jī)仿真軟件結(jié)合起來(lái)，可以解決在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，讓學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)直觀(guān)地掌握理論課程中相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，同時(shí)也能夠使學(xué)生的計(jì)算機(jī)軟件使用能力得到鍛煉，提升學(xué)生的科研實(shí)踐水平，達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)目的。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：中國(guó)人民解放軍火箭軍工程大學(xué)

責(zé)任編輯：張津平