EDA仿真技術(shù)融入“電工學(xué)”課程教學(xué)

張雪輝， 劉素貞， 李 華

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 天津 300130)

EDA仿真技術(shù)融入“電工學(xué)”課程教學(xué)

張雪輝， 劉素貞， 李 華

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 天津 300130)

“電工學(xué)”課程內(nèi)容涉及廣，實(shí)踐性強(qiáng)，傳統(tǒng)教學(xué)模式有其局限性。將EDA仿真技術(shù)融入“電工學(xué)”課程教學(xué)，有助于學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解，學(xué)生可突破時(shí)間和空間的限制，課下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，真正融會(huì)貫通地掌握“電工學(xué)”課程知識(shí)。

EDA；Multisim；虛擬仿真技術(shù)

0 引言

“電工學(xué)”課程是高等學(xué)校非電類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，在本科教學(xué)中占有重要的地位[1]。

EDA(Electronic Design Automation)，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，是以計(jì)算機(jī)和軟件為工具，完成各類(lèi)電路從系統(tǒng)級(jí)到物理級(jí)的設(shè)計(jì)、仿真分析、電路綜合的新型設(shè)計(jì)手段。EDA工具軟件種類(lèi)較多，包括Pspice、Multisim和LabView等，其中Multisim是美國(guó)NI(National Instrument)公司推出的電子電路仿真設(shè)計(jì)軟件，是EWB的升級(jí)版，集電路設(shè)計(jì)和功能測(cè)試于一體，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、儀器齊全的虛擬電子工作平臺(tái)，設(shè)計(jì)者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表，進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)和射頻電子線路的仿真和調(diào)試[2]。

1 引入EDA的必要性

“電工學(xué)”課程包括電工技術(shù)和電子技術(shù)兩部分，涉及電路、電機(jī)、繼電接觸器、模電和數(shù)電等內(nèi)容。具有涉及面廣、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。為使學(xué)生理解、掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，“電工學(xué)”配有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。但由于時(shí)間和空間的限制，加上學(xué)生的理解力存在差異，很難在課堂和實(shí)驗(yàn)室解決所有問(wèn)題。

將EDA仿真技術(shù)融入課堂教學(xué)中，利用EDA軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)仿真、演示，可以將抽象的理論形象化、復(fù)雜的電路實(shí)際化、枯燥的電路分析與設(shè)計(jì)變得生動(dòng)、真實(shí)，便于提高學(xué)生的思維能力，活躍課堂氣氛，讓學(xué)生在課堂中就能感受到實(shí)驗(yàn)的魅力，更好地把理論與實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

EDA仿真技術(shù)不僅能融入課堂教學(xué)，還能使學(xué)生不受空間和時(shí)間的約束，在課下進(jìn)行電路仿真實(shí)驗(yàn)。這樣，不僅能促進(jìn)學(xué)生牢固掌握“電工學(xué)”課程的理論基礎(chǔ)知識(shí)，還能夠鍛煉他們電子電路設(shè)計(jì)、仿真和開(kāi)發(fā)應(yīng)用新技術(shù)的能力。有利于學(xué)生接觸新技術(shù)以適應(yīng)社會(huì)需要。

此外，將EDA仿真技術(shù)融入課程教學(xué)，可以提高實(shí)驗(yàn)的安全性，節(jié)約教育經(jīng)費(fèi)。例如，三相電路是“電工學(xué)”的重要部分，但是因?yàn)槿嚯娐返碾妷狠^高，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員有一定的危險(xiǎn)，同時(shí)由于某些故障性實(shí)驗(yàn)可能會(huì)對(duì)元器件造成損壞，應(yīng)用Multisim對(duì)三相電路系統(tǒng)進(jìn)行仿真，不僅可以得到與真實(shí)情況相同的結(jié)果，而且直觀形象，同時(shí)避免故障對(duì)元器件造成的損傷，既節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，又保障了實(shí)驗(yàn)人員的安全。學(xué)生可以在課下先進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，待完全掌握實(shí)驗(yàn)原理后，再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作，從而有條不紊地實(shí)驗(yàn)，避免忙亂中出錯(cuò)，發(fā)生危險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)高校電工學(xué)教研室越來(lái)越重視EDA技術(shù)的應(yīng)用，如清華大學(xué)電工教研室建立了自己EDA實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)設(shè)EDA電路設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)，并在全校范圍內(nèi)開(kāi)設(shè)了EDA選修課。河北工業(yè)大學(xué)電工與電子教學(xué)中心于2006年開(kāi)始虛擬技術(shù)的研究，根據(jù)課程內(nèi)容利用EWB仿真軟件編制了典型電路案例，并在我校電工學(xué)網(wǎng)站共享。目前，EWB仿真軟件已被Multisim軟件取代，我們需要更新并充實(shí)案例，并以此為契機(jī)將EDA技術(shù)真正融入課堂教學(xué)。

2 EDA應(yīng)用案例

基本放大電路的分析是模擬電子技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)，隨著參數(shù)的改變，電路靜態(tài)工作點(diǎn)移動(dòng)，電路工作在截止、放大和飽和三個(gè)工作區(qū)[1]。利用Multisim12仿真，可實(shí)時(shí)測(cè)量放大電路靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，觀察電路輸入、輸出波形，形象直觀。圖1給出了仿真電路，其中晶體管為NPN型，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1 kHz、幅值為UXFG1=707 mV的正弦波。改變基極電阻RB1，可獲得不同工作狀態(tài)下的輸出波形。

圖2(a)中，基極電阻RB1為68.4 kΩ。直流電路中，測(cè)得靜態(tài)值UBE=0.741 V，UCE=3.943 V，IB=9.770 uA，IC=1.148 mA，可計(jì)算得到電流放大系數(shù)β=117.5。UBE>0，發(fā)射結(jié)正偏，UCE>UBE，集電結(jié)反偏，電路工作在線性放大區(qū)，示波器測(cè)得的輸入、輸出信號(hào)波形如圖2(b)所示(上側(cè)為輸入波形，下側(cè)為輸出波形)，可看出輸出與輸入波形反相。

圖1 基本共射放大電路

根據(jù)示波器測(cè)量，當(dāng)輸入信號(hào)Ui=13.790 mV時(shí)，輸出信號(hào)Uo=270.654 mV，可計(jì)算得到電壓放大倍數(shù)Au為19.63。

(a) 靜態(tài)電路 (b) 動(dòng)態(tài)波形 圖2 電路工作在線性放大區(qū)

圖3(a)中，基極電阻RB1=40 kΩ。靜態(tài)值UBE=0.765 V，UCE=0.132 V，IB=0.031 mA，IC=1.687 mA。UBE>0V，發(fā)射結(jié)正偏，UCE<1V，UBC>0V，集電結(jié)也正偏，電路工作在飽和區(qū)?；鶚O電流對(duì)集電極電流控制作用減小，電流放大倍數(shù)54.4，小于電路工作在放大區(qū)時(shí)的電流放大倍數(shù)β。此時(shí)，從圖3(b)可看到：輸出信號(hào)波形已經(jīng)失真。從示波器輸出可以看到，當(dāng)輸入信號(hào)Ui=12.830 mV時(shí)，輸出信號(hào)峰值Uo=49.116 mV，電壓放大倍數(shù)Au降為3.83。

增大輸入信號(hào)，失真現(xiàn)象更為明顯。圖4所示為輸入正弦波幅值UXFG1=10 V時(shí)，學(xué)生可清晰地看到放大電路輸出信號(hào)飽和失真，正弦波下部削去。

圖5中，基極電阻RB1=500 kΩ。靜態(tài)值UBE=0.542 V，UCE=11.932 V，IB=0.111 uA，IC=3.553 uA。此時(shí)，靜態(tài)值UBE<0.6 V,UCE≈VCC，集電極電流IC很小，電路工作在截止區(qū)。輸出波形失真。

增大輸入信號(hào)，失真現(xiàn)象更為明顯。圖6所示為信號(hào)發(fā)生器輸入正弦波的幅值UXFG1=10 V時(shí)，

(a) 靜態(tài)電路 (b) 動(dòng)態(tài)波形圖3 電路工作在飽和區(qū)

圖4 飽和失真明顯

(a) 靜態(tài)電路 (b) 動(dòng)態(tài)波形 圖5 電路工作在截止區(qū)

可清晰地看到放大電路輸出信號(hào)截止失真，正弦波上部削頂。

圖7所示為基極電阻RB1 =25 kΩ，信號(hào)發(fā)生器輸入正弦波幅值UXFG1=20 V時(shí)，可清晰地看到放大電路輸出信號(hào)發(fā)生雙向失真，正弦波上下部削平。

圖6 截止失真明顯

圖7 雙向失真

3 結(jié)語(yǔ)

將EDA仿真技術(shù)融入“電工學(xué)”課程教學(xué)，可以最大限度地利用教學(xué)資源，拓展學(xué)生的知識(shí)面，使本來(lái)難以解釋的問(wèn)題變得可視化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到常規(guī)教學(xué)不能實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。

[1] 秦曾煌主編. 電工學(xué)(第七版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009年6月

[2] 王冠華, 盧慶玲主編. Multisim12電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2014年4 月

Integrating EDA Technology with Electrotechnics Teaching

ZHANG Xue-hui, LIU Su-zhen, LI Hua

(SchoolofElectricalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)

Wide range and strong practicality are characters of Electrotechnics course. The mode of traditional teaching has its limitation. Integrating EDA simulation technology with Electrotechnics teaching will help students′ understanding of the content. Breaking the limitation of time and space, students can do simulation experiments after classes. Then, they can master the knowledge of Electrotechnics completely.

EDA; Multisim; virtual simulation technology

2015-07-21;

2015-09- 25

張雪輝(1977-)，女，博士，講師，主要從事電工基礎(chǔ)理論教學(xué)和層析成像、信號(hào)處理與電力系統(tǒng)研究，E-mail：151694691@qq.com

G4

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1008-0686(2016)03-0140-03