淺談EDA技術(shù)在電類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

宋 放

（江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212004）

引言

現(xiàn)代社會(huì)是電子科技高速發(fā)展的時(shí)代，各種新元件、新方法、新技術(shù)層出不窮，工程師們開(kāi)發(fā)的電子系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜、越來(lái)越龐大、要求也隨之越來(lái)越高，要分析、設(shè)計(jì)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，原始的人工方法已不能滿足要求，為適應(yīng)這種情況，日趨完善的EDA技術(shù)正在逐步取代傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法。目前最新最全面的電子設(shè)計(jì)技術(shù)還是EDA技術(shù)，它的出現(xiàn)為電子設(shè)計(jì)工程師提供了一種全新的設(shè)計(jì)理念和方法，因此，掌握好EDA技術(shù)是適應(yīng)新時(shí)代電子設(shè)計(jì)方面工作的基本技能，當(dāng)下為了能滿足社會(huì)對(duì)高新技術(shù)人才培養(yǎng)的需要，靠傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須把EDA技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生能掌握EDA技術(shù)的發(fā)展，適應(yīng)信息社會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求。

EDA技術(shù)是一門(mén)融合了現(xiàn)代電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)對(duì)電子電路、系統(tǒng)或芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，Multisim軟件的出現(xiàn)讓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入課堂成為可能。教師可以根據(jù)講課需求，通過(guò)操作計(jì)算機(jī)運(yùn)行軟件，模擬各種類(lèi)型實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)需要復(fù)制，使“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”可以重現(xiàn)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)演示與教師講解“同步”進(jìn)行；通過(guò)顯示器屏幕的直觀化展示，使一些抽象的概念形象化，將一些方式、方法以動(dòng)態(tài)方式圖解；也可以由學(xué)生實(shí)際操作，運(yùn)用Multisim軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”。在整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生自始至終都能保持極高的學(xué)習(xí)積極性。這樣的教學(xué)方式活潑生動(dòng)，極大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，鞏固了學(xué)生的理解和記憶，大大提高了課堂教學(xué)效率。

1 電類(lèi)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題

當(dāng)前所采用的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式在實(shí)驗(yàn)設(shè)施、實(shí)驗(yàn)方式、實(shí)驗(yàn)課時(shí)和實(shí)驗(yàn)教師等方面存在著不少困難和問(wèn)題。

第一，現(xiàn)在高校的招生規(guī)模每年不斷擴(kuò)大，存在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備型號(hào)陳舊，經(jīng)費(fèi)缺乏、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地緊張等困難，這些問(wèn)題直接影響到電類(lèi)實(shí)驗(yàn)的正常運(yùn)行，如果得不到及時(shí)的解決就不能滿足學(xué)生人數(shù)的增長(zhǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出的要求。如果要滿足每人一組的要求幾乎更是不可能的。兩人一組或多人一組的實(shí)驗(yàn)效果必然會(huì)大幅下降。

第二，從目前采用實(shí)驗(yàn)方式看，我們采用了一定比例驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)形式。由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)講解某個(gè)儀器儀表的原理，或某個(gè)電路定理；接著詳細(xì)闡述該實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)操作步驟和方法。學(xué)生只需要依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材連接實(shí)驗(yàn)箱或者實(shí)驗(yàn)板，最后對(duì)測(cè)試點(diǎn)加以測(cè)量就可以了。采用實(shí)驗(yàn)方式，學(xué)生基本不回去主動(dòng)思考，所以不利于培養(yǎng)他們獨(dú)立思維和創(chuàng)新的能力。而且由于形式陳舊，也影響了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。

第三，目前每個(gè)電類(lèi)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間只分配了2個(gè)課時(shí)。在這樣的時(shí)間里學(xué)生完成電路連接，參數(shù)測(cè)試和計(jì)算，以及結(jié)論的分析是非常緊張的。學(xué)生必須課前進(jìn)行充分、細(xì)致的準(zhǔn)備，不然很可能出現(xiàn)的情況是當(dāng)實(shí)驗(yàn)電路調(diào)試不成功、時(shí)間又所剩無(wú)幾的時(shí)候，學(xué)生干脆放棄實(shí)驗(yàn)，而去直接抄襲或者編造實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣的實(shí)驗(yàn)效果是非常不理想的。

第四，學(xué)生人數(shù)的增長(zhǎng)，直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)老師的工作量大幅增加，使得擔(dān)負(fù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的老師疲于應(yīng)付，沒(méi)有更多的時(shí)間、精力投入科研和創(chuàng)新工作當(dāng)中。并且重復(fù)性工作太多，也會(huì)直接影響到教學(xué)的質(zhì)量和效果。

2 Multisim軟件的功能及基本特點(diǎn)

Multisim是加拿大IIT公司出品的板級(jí)電路仿真軟件，適用于模擬和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)。該工具包含了電路圖輸入Spice仿真、HDL設(shè)計(jì)輸入和仿真、可編程邏輯綜合及其他設(shè)計(jì)能力。增加了大量的VHDL元件模型，可以仿真更復(fù)雜的數(shù)字元件，在保留了EWB形象直觀等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，大大增強(qiáng)了軟件的仿真測(cè)試和分析功能，大大擴(kuò)充了元件庫(kù)中的元件的數(shù)目，特別是增加了大量與實(shí)際元件對(duì)應(yīng)的元件模型，使得仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果更精確、更可靠、更具有實(shí)用性。

它的主要特點(diǎn)有：

（1）采用直觀的電路圖輸入方式。繪制電路圖需要的元件、電路仿真需要的虛擬儀器都可以直接從圖形界面的工作平臺(tái)上選取。

（2）具有豐富的元件庫(kù)。按照邏輯關(guān)系分為14個(gè)元件箱，而每個(gè)元件箱內(nèi)又包含大量元件模型。用戶還可以自行編輯或者創(chuàng)建新的元件。

（3）充足的虛擬儀器。Multisim不但提供11種常用測(cè)試儀表，并且所有儀器都與實(shí)物相似，所有儀器都可以多臺(tái)同時(shí)調(diào)用

（4）完整的分析方法。Multisim提供了15種常用的電路仿真分析方法。這些分析方法基本能滿足一般電路分析設(shè)計(jì)的要求

（5）操作方便，易學(xué)易用。Multisim與時(shí)間元件對(duì)應(yīng)的元件模型非常豐富，增強(qiáng)了仿真的實(shí)用性。并且給用戶提供了自行創(chuàng)建和修改元件的工具。

3 Multisim軟件用于教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 多用途，節(jié)省資金及空間

傳統(tǒng)的電類(lèi)實(shí)驗(yàn)要用到很多儀器設(shè)備，而且各種實(shí)驗(yàn)所用的儀器也不盡相同，開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)用到儀器更多，過(guò)多的儀器設(shè)備不僅成本高，體積大，所需空間大，而且連接也十分繁瑣。為了很好地解決這個(gè)問(wèn)題可以使用虛擬儀器系統(tǒng)。不僅虛擬儀器工作平臺(tái)的電腦變成多用途，而且實(shí)驗(yàn)室也可以多用途，節(jié)約了設(shè)備成本，還可解決高校實(shí)驗(yàn)室空間不足的問(wèn)題。

3.2 實(shí)驗(yàn)速度快，效率高

Multisim軟件具有快速、高效的特點(diǎn)，用它可以使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)電路只需虛擬調(diào)試成功即可組裝電路，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可以更好的開(kāi)展各種設(shè)計(jì)型性實(shí)驗(yàn)，而且打印機(jī)可直接打印出電路原理圖、實(shí)驗(yàn)結(jié)果據(jù)和測(cè)試曲線，可以很好地對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行各種分析。

3.3 測(cè)量精度高，避免產(chǎn)生各種機(jī)械故障

傳統(tǒng)儀器是物理實(shí)體，儀器長(zhǎng)時(shí)間使用以后，操作面板上的各種開(kāi)關(guān)、旋鈕、按鈕會(huì)出現(xiàn)接觸不良等機(jī)械故障。而虛擬儀器的各種功能是由軟件實(shí)現(xiàn)的，用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)對(duì)其進(jìn)行操作，避免了出現(xiàn)類(lèi)似于傳統(tǒng)儀器的各種機(jī)械故障。另外，一般傳統(tǒng)儀器的指針式儀表測(cè)量誤差較大，而虛擬儀器的測(cè)量精度很高。

4 Multisim軟件在電類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

利用Multisim仿真軟件，可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試，如：?jiǎn)喂芊糯箅娐贰⒎€(wěn)壓電路、多諧振蕩電路等。Multisim仿真軟件在電類(lèi)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用可分為以下幾個(gè)方面：

4.1 電類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)

利用Multisim仿真軟件，可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)相關(guān)電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試，例如：要做虛擬的單管放大電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要在電腦上將用到的“虛擬元件”和測(cè)試用的“虛擬儀器儀表”，“擺放”到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的仿真區(qū)域，再根據(jù)原理圖，用鼠標(biāo)操作連接好電路。然后用開(kāi)啟仿真開(kāi)關(guān)，進(jìn)行虛擬測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中對(duì)電路元器件的各種參數(shù)修改很方便，用鼠標(biāo)左鍵雙擊元件圖標(biāo)，即可彈出元件參數(shù)修改窗口。如晶體管的型號(hào)參數(shù)、電阻的阻值、電容的容值、二極管的型號(hào)等均可根據(jù)所需重新設(shè)置，因此，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。

4.2 實(shí)驗(yàn)演示及考核

使用Multisim仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)不但可以使實(shí)驗(yàn)效率大大提高，而且在實(shí)驗(yàn)課中，可以很直觀、便捷地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和演示各種設(shè)計(jì)電路的工作原理。這樣理論課中學(xué)生難于理解吃透的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的演示來(lái)幫助理解。另外使用仿真軟件可以很方便的對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行考察，如利用仿真軟件的電路故障設(shè)置功能，在電路中設(shè)置一些故障，用以考核學(xué)生對(duì)故障的排除能力。故障排除可以幫助學(xué)生加深對(duì)理電路原理的理解，高效地培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

4.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)

如果將虛擬實(shí)驗(yàn)室聯(lián)網(wǎng)，則可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)。例如脈沖產(chǎn)生、整形電路，老師利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室外的學(xué)生進(jìn)行講解，然后學(xué)生通過(guò)連接學(xué)校的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，運(yùn)行仿真應(yīng)用程序，就可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)用器件庫(kù)畫(huà)出電路原理圖，更換元件，更改信號(hào)參數(shù)，觀察、分析仿真的測(cè)試結(jié)果，將結(jié)果存盤(pán)，在電腦上與理論值進(jìn)行比較，分析各種結(jié)論，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。老師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)收集和批改學(xué)生的報(bào)告，再向?qū)W生發(fā)送實(shí)驗(yàn)成績(jī)。這有助于解決遠(yuǎn)程教學(xué)中實(shí)驗(yàn)難的問(wèn)題。

4.4 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

虛擬電類(lèi)實(shí)驗(yàn)室更好的為學(xué)生營(yíng)造了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)構(gòu)建以學(xué)生為主體的教學(xué)模式非常有利，更好的培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。如果將虛擬電類(lèi)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生就可以自由上機(jī)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和虛擬實(shí)驗(yàn)，除了課程中必須完成的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)以外，學(xué)生還可以自己設(shè)計(jì)電路和選做一些感興趣的實(shí)驗(yàn)。例如在“數(shù)電實(shí)驗(yàn)”中，學(xué)生不僅可以完成規(guī)定的“譯碼器及應(yīng)用”、“定時(shí)器及應(yīng)用”等實(shí)驗(yàn)，還可以自行設(shè)計(jì)一些趣味性的電路，如交通燈控制、彩燈控制等控制電路以及各種報(bào)警電路等，這樣既增強(qiáng)了學(xué)習(xí)氣味性，又可提高學(xué)生的主動(dòng)設(shè)計(jì)能力，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。利用虛擬電類(lèi)實(shí)驗(yàn)室還能完成較大難度的綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)，這是數(shù)電實(shí)驗(yàn)中計(jì)數(shù)、分頻、譯碼、顯示及時(shí)鐘脈沖振蕩器等組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的綜合應(yīng)用，通過(guò)綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高了學(xué)生研究和動(dòng)手能力。

結(jié)語(yǔ)

用Multisim仿真軟件進(jìn)行電類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常方便，結(jié)果精確、圖像清晰、現(xiàn)象直觀，對(duì)電類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常好的輔助手段。并且，還為學(xué)生進(jìn)行綜合性、創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)平臺(tái)，隨著Multisim仿真軟件的推廣和深入，其必將在電子工程、信息工程、電氣工程、自動(dòng)控制等領(lǐng)域的輔助教學(xué)中發(fā)揮重要作用。

[1]林正盛. 虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用. 電子技術(shù)應(yīng)用，1997.

[2]蔣卓勤， 鄧玉元. Multisim 2001 及其在電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[3]白菊蓉，張寶軍.Multisim應(yīng)用于電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究 [J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（01）.