基于EDA仿真技術的《模擬電子技術基礎》課程教學

吳學軍

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北 襄陽441053）

基于EDA仿真技術的《模擬電子技術基礎》課程教學

吳學軍

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北 襄陽441053）

模擬電子技術課程是電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，具有較強的理論性和實踐性。本文通過分析傳統(tǒng)的教學方式的不足以及在教學中應用EDA仿真的優(yōu)勢，闡述了EDA仿真技術理論與實踐有效結合的途徑，展示了運用EDA仿真在基本放大器電路分析中的教學實例，激發(fā)學生學習興趣、提高學生實踐動手能力，達到提升教學效果的目的。

EDA仿真；《模擬電子技術基礎》課程教學；Multisim；仿真演示

引言

《模擬電子技術基礎》是一門理論性和實踐性并重的技術基礎課程，它不僅像其它學科一樣具有自身的理論體系，還具有很強的實踐性。它的教學目的是培養(yǎng)學生扎實的理論基礎和較強的實踐能力，既要求學生能系統(tǒng)地掌握電子線路的基本理論和分析方法，又要具有一定的基本單元電路的讀圖分析能力和初步的電路設計能力，從而為今后學習《數(shù)字電子技術基礎》、《高頻電路》、《電子測量》等后續(xù)課程學習打下良好的基礎?？墒?，在實際的教學中教師反映“難教”，學生反映“難學”。為了取得良好的教學效果，改進該課程的教學手段與方法成為解決問題的關鍵。EDA設計仿真技術是一種先進的電子電路設計必須的一種技術。EDA仿真工具擁有直觀的操作界面，將EDA仿真融入該課程教學中，能夠有效解決“難教”和“難學”的問題。

1 傳統(tǒng)教學方式的缺陷

1.1 課堂上“填鴨式”講授

“填鴨式”教學，也稱之教師主導式，即教師在臺上口若懸河，滔滔不絕講，學生在下面被動、乖乖的接受。此種教學方式枯燥乏味，學生的參與性、自主學習性、趣味性欠佳，早已遭到學生的厭倦。教育工作者急需對教學手段與方法進行革新，但因為師資結構與水平、設備條件、大環(huán)境等的限制，局限了革新的力度、深度和持久度。

1.2 教學手段單一

隨著多媒體教學的普及，雖然改變了傳統(tǒng)的黑板板書，但是由于教學內容多、學時數(shù)較少等原因，很多教師講課所用的多媒體課件內容設計不合理，還是采用“滿堂灌”，只是將課本上的理論、公式、電路圖、例題原封不動地全部搬上投影[1]。此種方法備課最容易最輕松，但卻不能激發(fā)學生興趣與潛能，不能培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，往往導致課堂上睡覺者、玩手機者增多，聽課者少。

1.3 理論與實驗不同步

傳統(tǒng)的理論課是在大教室里集中上課，而實驗課是分小組在實驗室上課，為了方便排課，很多實驗課進度相對理論課進度比較滯后，也有個別實驗超前的，不能同步進行。這種理論與實驗脫節(jié)嚴重的現(xiàn)象，使得教師不能及時發(fā)現(xiàn)學生在理論學習和實驗操作中出現(xiàn)的問題，不能給予合理的指導，也不便于學生很好的理解與運用課堂教學的內容，導致教學效果很不理想。

1.4 實驗條件不足

模擬電子技術很多理論分析和結論比較抽象，不好理解，通過實驗的實踐體驗，能夠促進學生對課堂知識的理解與掌握。但由于實驗條件的限制，不可能每次上課都將實驗儀器和元件搬到教室，有隨著學生人數(shù)的不斷增加，實驗室也不可能一次容納很多學生，容易造成理論與實踐脫軌現(xiàn)象。

2 在教學中應用EDA仿真的優(yōu)勢

2.1 EDA仿真的特點

EDA是電子技術發(fā)展歷程中產(chǎn)生的一種先進的設計方法，是當今電子設計的主流手段和技術潮流，是電子設計人員必須掌握的一門技術[2]。

大家可能都用過實驗箱、電路板或者其他的東西制作過一些電子制作來進行實驗，但是有可能會發(fā)現(xiàn)做出來的電路存在很多事先并沒有想到的問題，由于電路連好或者焊好了不方便更改，更改電路會延長電路的設計周期。有沒有能夠不使用焊接電路進行測試就能知道電路相關結果的方法呢？結論是有，這就是電路仿真技術。電路仿真是利用EDA系統(tǒng)工具的模擬功能對電路環(huán)境和電路過程進行仿真，EDA仿真是EDA技術不可缺少的一個環(huán)節(jié)。

EDA仿真軟件一般具有以下特點：（1）直觀的操作界面，就像一個電子實驗的操作平臺；（2）豐富的元件庫；（3）各種各樣的虛擬儀器儀表；（4）超強的分析功能；（5）實時的交互仿真模式[3]。

2.2 EDA仿真輔助教學的優(yōu)勢

EDA仿真輔助教學是一種完善電子技術課程的多媒體教學方式，在多媒體教學中引入EDA仿真設計與分析，使本身應在實驗室完成的操作環(huán)節(jié)可直接在教室多媒體上教學，能夠引導學生主動參與，積極思考。教師也可以根據(jù)教學內容要制定相應的仿真電路模型，并添加到相應的課件中，替換原有的電路圖，豐富了課程的教學資源。與單純的幻燈片板書相比，師資不變，但改變了單一的教學方法、手段，學生不再枯燥乏味，且由于直觀形象的演示使學生更容易理解，教師也可以在相同時間內完成更多的教學任務。同時，每一節(jié)課的知識內容都可通過仿真演示進行問題式討論、驗證式總結，幫助學生消化學習內容，還能活躍課堂氣氛。

EDA仿真應用到理論教學中，就相當于把實驗搬到了課堂上。直觀、真實的再現(xiàn)實驗的過程與現(xiàn)象，與真實實驗相比毫不遜色，卻有更多的靈活性及準確的數(shù)據(jù)參數(shù)，隨時可以更換元器件、更改元件參數(shù)，隨即得到實驗結果和現(xiàn)象[4]。真正實現(xiàn)了理論與實踐的同步，通過實踐進一步鞏固理論知識，取得理想的教學效果。

投資少，損耗為零，與時俱進。一套常規(guī)的多媒體示教平臺，裝上EDA軟件就可以了——成本低廉。實驗中所需要的元器件、儀器儀表幾乎都有，設備之齊全，功能之完善，無與倫比。實驗元器件損耗為零，不用擔心學生的誤操作而損壞儀器設備，不用花費大量的時間進行實驗準備和調試。且永遠不用擔心過時，因為實時的軟件升級完全能跟上時代的步伐。

3 運用EDA仿真的教學展示

以《模擬電子技術基礎》中“單管共射放大電路”這節(jié)內容為例，展示運用EDA仿真教學的優(yōu)勢。本文采用常用的EDA仿真設計軟件Multisim11對單管共射放大電路進行仿真輔助教學。

3.1 仿真分析步驟

（1）課前先用Multisim11軟件畫好單管共射放大電路的仿真電路圖，如圖1所示。

（2）靜態(tài)工作點測試。

圖1 基本放大電路仿真電路圖

在多媒體課件中給出表1（紅色部分），讓學生抄寫在稿紙上。然后調整圖1中電位器Rb的值確定靜態(tài)工作點。電位器Rb旁邊標注的Key=A表明若按A鍵，電位器阻值按1%速度變化，電位器變動的數(shù)值直接以百分比的形式顯示在一旁。調節(jié)Rb的值，觀察輸入輸出波形，使輸出波形不失真的情況下，記下Rb的阻值，然后啟動Simulate-Analyses-DC Operating Point-Simulate,軟件自動顯示運行的結果[3]。直流靜態(tài)工作點結果如圖2所示。

圖2 直流靜態(tài)工作點仿真結果

讓學生根據(jù)結果將要求的各個電壓、電流值記錄在表1中。

同理，調節(jié)Rb值，使輸出波形分別出現(xiàn)飽和失真和截止失真，將這兩種失真情況下的靜態(tài)工作點記錄在表1中。

表1 靜態(tài)工作點記錄表

（3）動態(tài)波形測試。在多媒體課件中給出表2（紅色部分），讓學生抄寫在稿紙上。先設置Vi峰值的50mv，頻率為1kHZ的正弦信號，分別記錄表1中對應三種靜態(tài)工作點情況下的輸出波形，讓學生觀察如圖3中示波器顯示的輸入輸出波形，并將對應的輸出波形記錄在表2中。

圖3 示波器顯示輸入輸出波形圖

表2 輸出波形記錄表

（4）根據(jù)仿真提出問題，分析討論，并歸納總結相應的知識點。

3.2 仿真分析討論及知識點歸納

（1）在輸出波形不失真的情況下改變基極電阻Rb時，IB與IC的關系？

知識點1：從表1中記錄的數(shù)據(jù)得出三極管的電流放大倍數(shù)：

（2）發(fā)射極電流IE與集電極電流IC及基極電流IB的關系？

（3）VBE有何變化？

知識點3：三極管的基極電阻Rb減少時，各電流增大，VBE減少，但基本在0.7V左右變化。與教材中給出結論一致，即硅管發(fā)射結正向壓降約為0.7V。

（4）通過波形比較，觀察輸出波形的變化有什么特點。

知識點4：輸入、輸出波形的相位關系為反相，如圖2和表3所示波形。

知識點5：調節(jié)基極電阻，當基極電阻減少使靜態(tài)工作點過高時，電流大，輸入信號正半周易進入三極管的飽和區(qū)，導致輸出波形負半周（因反相）失真，此時稱之為飽和失真。

消除方法：適當調大基極電阻。

知識點6：調節(jié)基極電阻，當基極電阻增大使靜態(tài)工作點過低時，電流大，輸入信號正半周易進入三極管的截止區(qū)，導致輸出波形正半周（因反相）失真，此時稱之為截止失真。

消除方法：適當調小基極電阻。

知識點7：當三極管進入飽和區(qū)后電流放大關系式不再成立。

（6）當Rb=40K，改變的負載RL后，觀察輸出波形有什么變化。

在仿真電路中分別設置負載為3K、30K、300K，將仿真輸出波形記錄在表3中。

表3 負載改變對輸出波形影響記錄表

知識點8：從表3中可以看出，三極管的電壓放大倍數(shù)與負載有關，負載增大，電壓放大倍數(shù)增大。

3.3 總結并布置作業(yè)

對以上仿真過程進行總結，特別是電路的仿真步驟，及其由此得到相關的知識點。最后布置相應作業(yè)，要求同學們除了用理論的方法計算分析結果外，還用仿真的方法驗證分析，使學生進一步學以致用，實現(xiàn)理論與實踐的密切結合。

4 結語

由上述案例可觀察出，EDA仿真技術融入《模擬電子技術基礎》的課堂教學，不僅革新了教學手段與方式，變順序講授為問題發(fā)現(xiàn)、探究式，還能激發(fā)學生的興趣、培養(yǎng)學生的思維，變枯燥的理論為探究的結論。其教學效果也是截然不同的，學生厭倦的死記硬背少了，觀察思考的多了，課堂氣氛“百舸爭流”的局面多了，讓師生都能告別曾經(jīng)的無奈。總之，應用DEA仿真技術輔助《模擬電子技術基礎》課程教學能使抽象的知識形象化、具體化，增加學生的感性認識，加深學生對課程內容的理解與掌握，能夠激發(fā)學生學習的積極性，達到提升教學效果的目的。

注釋及參考文獻：

[1]陳爽,陳雷．EDA仿真軟件引入課堂的教學改革[J]．邢臺職業(yè)技術學院學報,2010(3):12-14．

[2]劉夫江．基于EDA仿真技術的《電子技術基礎》課程輔助教學[J]．臨沂師范學院學報,2005,(6):99-101．

[3]聶典,丁偉．Multisim10計算機仿真在電子電路設計中的應用[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2009．

[4]王全宇,董昱．EDA技術創(chuàng)設電子技術課堂教學實驗環(huán)境的研究[J]．儀器儀表用戶,2008(6):104-105．

Teaching Method ofAnalog Electronic TechnologyBased on EDASimulation Technology

WU Xue-jun
(School of Physics and Electronic Engineering,Hubei University of Arts and Science,Xiangyang，Hubei 441053)

Analog Electronic Technology is an important and basic professional course,which has strong theoretical property and practicality.By analyzing the shortcomings of traditional teaching methods and the advantages of EDA simulation in teaching,this article expounds an effective way to combine EDA simulation technology theory and teaching practice,shows the EDA simulation examples in the teaching of basic amplifier circuit analysis.The purpose of this teaching method is to improve teaching effect by stimulating students’learning interest and improving students'practice ability.

EDA simulation;teaching ofanalog electronic technology;Multisim;simulating demonstration

TP391.9；G642.0

A

1673-1891（2015）01-0157-04

2014-10-15

湖北省教育廳教研項目（項目編號：2012362）；湖北文理學院教研項目（項目編號：JY201136）。

吳學軍（1975-），男，湖北漢川人，碩士，講師，研究方向：電子技術與信號處理。