EDA技術(shù)在“電路”課程教學(xué)中的應(yīng)用

孫 玲，張 威，2，彭 飛

(南通大學(xué)1.江蘇省專用集成電路設(shè)計重點實驗室，2.杏林學(xué)院，江蘇南通 226019)

“電路”課程的教學(xué)改革、教學(xué)方法以及輔助教學(xué)手段，一直是從事本課程或相關(guān)專業(yè)教學(xué)的教師討論的熱點話題［1-3］。筆者結(jié)合本校獨立學(xué)院培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標定位，探索了新的“電路”課程教學(xué)模式。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

我?，F(xiàn)在“電路”課程教學(xué)包括了理論課和實驗課兩大部分。理論課教學(xué)方面，在常規(guī)教師的授課方式基礎(chǔ)上，引入了多媒體和EDA技術(shù)［4］。實驗課教學(xué)方面主要包括:元件的伏安特性測量、驗證疊加定理、電源等效變換、戴維南定理、正弦穩(wěn)態(tài)交流電路和三相交流電路等實驗。

為了充分發(fā)揮實踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)有的作用，我們將EDA技術(shù)融入到“電路”課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中。這樣可以彌補實驗時間受限及實驗內(nèi)容有限的不足。學(xué)生在計算機上重復(fù)用電路實驗箱進行的實驗，可以幫助他們回憶實驗過程，充分認識虛擬實驗與物理實驗的聯(lián)系。兩輪的教學(xué)實踐取得了良好的教學(xué)效果。

2 EDA仿真實訓(xùn)教學(xué)實踐

2.1 EDA仿真實訓(xùn)教學(xué)的可行性

EWB、Multisim、PSpice、HSpice和 SmartSpice等EDA工具都可以被用于“電路”課程的仿真實訓(xùn)教學(xué)，其中有些軟件提供了免費的評估版或?qū)W習(xí)版。高校實踐教學(xué)投入的增加和EDA教學(xué)實驗平臺的建設(shè)等也為本課程教學(xué)提供了條件。我們在“電路”課程EDA仿真實訓(xùn)教學(xué)方面使用了Cadence OrCAD軟件。

2.2 EDA仿真實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容

我校杏林學(xué)院集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)的“電路”課程體系教學(xué)安排如表1所示。

表1 “電路”課程體系教學(xué)安排

已開設(shè)的“電路原理實踐”課程借助PSpice軟件工具指導(dǎo)學(xué)生進行電路實驗。48個教學(xué)學(xué)時中，15個學(xué)時以教師邊講解邊操作為主，學(xué)生邊聽講邊模仿;30個學(xué)時以學(xué)生練習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔;還有3個學(xué)時為課程考核。

在教學(xué)內(nèi)容上，將電路理論課程中的電阻電路分析、動態(tài)電路分析和正弦穩(wěn)態(tài)電路分析與PSpice軟件的直流分析、瞬態(tài)分析和交流分析融合起來。

實驗內(nèi)容包括利用PSpice軟件的直流分析驗證電阻元件的伏安特性以及電路的基爾霍夫定律、疊加定理、戴維南定理和最大功率傳輸條件等;利用PSpice軟件的瞬態(tài)分析了解儲能元件的特性，驗證動態(tài)電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)等;利用PSpice軟件的交流分析了解電路的頻率特性，驗證RLC電路的串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振等。

具體實驗包括:① PSpice入門;② 簡單電阻電路的直流分析;③含受控源電路的直流分析;④電阻電路的掃描分析;⑤瞬態(tài)分析基礎(chǔ);⑥一階電路的瞬態(tài)分析;⑦高階電路的瞬態(tài)分析;⑧交流分析基礎(chǔ);⑨RLC串、并聯(lián)電路的交流分析;⑩PSpice高級仿真功能。

2.3 EDA仿真實訓(xùn)教學(xué)實施情況

將EDA仿真實訓(xùn)教學(xué)作為電路實踐環(huán)節(jié)的一部分，學(xué)生在實驗課上掌握用EDA工具進行電路仿真的方法，課后可以進行自主學(xué)習(xí)。“電路原理實踐”課程在我校杏林學(xué)院集09班和集10班實施以來，得到了學(xué)生好評。

在“電路”課程體系中增加EDA技術(shù)仿真實訓(xùn)環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生從第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程開始到最后完成學(xué)業(yè)，做到EDA技術(shù)學(xué)習(xí)的不間斷，這有助于幫助學(xué)生在大學(xué)學(xué)習(xí)期間熟練掌握甚至精通至少一種EDA軟件工具，提高就業(yè)競爭力。

3 EDA仿真實訓(xùn)教學(xué)示例

一個借助PSpice仿真工具來驗證最大功率傳輸定理的典型示例如圖1所示。為了求解圖1(a)所示電路中電阻R2為何值時可獲得最大功率，理論課上，我們根據(jù)功率定義并借助數(shù)學(xué)公式用求導(dǎo)的方法得到了最大功率發(fā)生的條件及其最大值［5］。EDA實訓(xùn)課上指導(dǎo)學(xué)生通過軟件工具的直流掃描功能觀察到這個最大功率值及其發(fā)生的條件。圖1(b)給出了流過電阻的電流曲線，學(xué)生可以觀察到R2增大回路電流減小，幫助他們復(fù)習(xí)了回路電流計算方法;圖1(c)為電阻兩端的電壓曲線，學(xué)生可以觀察到R2增大其兩端的電壓也增大，幫助他們復(fù)習(xí)了電阻分壓公式;圖1(d)是根據(jù)軟件仿真結(jié)果和軟件自帶的工具，計算得到的功率曲線。這不僅幫助學(xué)生復(fù)習(xí)功率計算方法，還讓他們觀察到最大功率發(fā)生的條件，加深了對最大功率傳輸定理的理解和記憶。

圖1 驗證最大功率傳輸?shù)姆抡鎸嵗?/p>

4 結(jié)語

強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效措施之一。在“電路”課程中增加基于EDA技術(shù)的仿真實訓(xùn)環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了課程本身的工程性和實踐性，強化了學(xué)生的實踐創(chuàng)新意識和實際動手能力，加深了學(xué)生對基本理論知識的理解，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下牢固的基礎(chǔ)，適應(yīng)了我校獨立學(xué)院“厚基礎(chǔ)，強應(yīng)用”的人才培養(yǎng)目標。

［1］ 袁占生，鄭文杰，潘金艷.“電路分析基礎(chǔ)”精品課程試題庫設(shè)計［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33(1):11-12，26

［2］ 廖旎煥，胡智宏.“電路”課程教學(xué)方法探索［J］.北京:中國電力教育，2010，25:81-82

［3］ 程隆貴.談電路課程的教學(xué)改革［J］.武漢:武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，6(3):17-19

［4］ 肖冬萍，李新.仿真實驗在“電路原理”理論教學(xué)中的應(yīng)用［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31(2):97-98，104

［5］ 邱關(guān)源.電路(第五版)［M］.北京:高等教育出版社，2006