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

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(jiǎn)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(chǎng)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(cè)，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(cè)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(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)

由測(cè)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(cè)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(cè)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