Cadence軟件在《模擬電子》仿真教學(xué)的應(yīng)用

彭忠全 朱昌洪 梁曉萍

摘 ?要：論文主要針對(duì)應(yīng)用型本科《模擬電子》課程的教學(xué)進(jìn)行仿真教學(xué)，即采用電子電路軟件Cadence Or CAD進(jìn)行電路單元教學(xué)的設(shè)計(jì)和仿真，并結(jié)合《模擬電子》中的教學(xué)難點(diǎn)——基于分壓式工作點(diǎn)穩(wěn)定電路單元的教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用，并通過3個(gè)步驟，理論分析、電路仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的有機(jī)結(jié)合開展教學(xué)，無論是理論分析還是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，都可以通過軟件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的觀察和應(yīng)用到電路的運(yùn)行和結(jié)果顯示，有利于知識(shí)點(diǎn)的步驟分解和結(jié)果總結(jié)，從而進(jìn)一步推動(dòng)Cadence Or CAD軟件在《模擬電子》教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：仿真教學(xué) ?模擬電路 ?分壓式工作點(diǎn)

中圖分類號(hào)：G252 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（c）-0104-02

隨著計(jì)算機(jī)以及高性能設(shè)計(jì)軟件的普及，在模擬電路設(shè)計(jì)與教學(xué)得到廣泛應(yīng)用。模擬電路課，一方面是電子信息、電氣工程類專業(yè)本科生的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，非常重要;另一方面致學(xué)生的模擬電路設(shè)計(jì)與制作跟企業(yè)要求差距甚遠(yuǎn)，而應(yīng)用型本科的主要目標(biāo)是培養(yǎng)應(yīng)用型電子技術(shù)人才，但當(dāng)前的模擬電路教學(xué)效果還不太好，教學(xué)方式比較單調(diào)[1]。

Cadence Or CAD是一種被廣泛使用的電路CAD軟件，它不僅能方便地進(jìn)行電路的輔助設(shè)計(jì)，還具有較強(qiáng)的電路仿真功能，它的PSpice模塊可以對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行基本性能仿真，利用虛擬儀器模擬物理測(cè)試儀器顯示電路的各種參數(shù)和信號(hào)波形，從而在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)等方面具有較好的輔助作用[2]。

該文提出采用Or CAD PSpice模塊對(duì)模擬電路中基于分壓式工作點(diǎn)穩(wěn)定電路進(jìn)行演示，結(jié)合理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使學(xué)生可以從電路仿真與實(shí)驗(yàn)中較好地理解模擬電路的基本原理，掌握模擬電路相關(guān)知識(shí)點(diǎn)以及軟件設(shè)計(jì)水平[3]。

1 ?仿真教學(xué)在模擬電路中的實(shí)施

仿真教學(xué)的具體過程是先進(jìn)行電路原理的講解，然后利用Or Cad PSpice模塊對(duì)電路進(jìn)行仿真，讓學(xué)生直觀地觀察到電路的工作點(diǎn)、增益、頻率特性、失真等電路參數(shù)和信號(hào)波形，然后再構(gòu)建出物理電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并進(jìn)行理論、仿真、電路測(cè)試結(jié)果的對(duì)比[4]。以基于分壓式工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的教學(xué)為例，先講解原理，再用Or CAD PSpice進(jìn)行電路仿真演示，然后進(jìn)行物理電路實(shí)驗(yàn)，通過改變電路參數(shù)觀察電路輸出波形的變化，并與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路的理解，電路參數(shù)和電路性能的關(guān)系，極大地激發(fā)學(xué)生興趣[5]。

1.1 理論講解

分壓式工作點(diǎn)穩(wěn)定電路簡要介紹電路組成與工作原理，詳細(xì)講解靜態(tài)動(dòng)態(tài)分析與計(jì)算。

（1）靜態(tài)分析與計(jì)算。該電路UBQ由Vcc經(jīng)Rb1和Rb2分壓得到，可以認(rèn)為基本不受溫度變化影響，比較穩(wěn)定，通過發(fā)射極電流的負(fù)反饋?zhàn)饔?，牽制集電極電流的變化，一般取IR=（5～10）IBQ，且UBQ=（5～10）UBEQ。

（2）動(dòng)態(tài)分析與計(jì)算。輸入的交流信號(hào)Vi通過電容Cb耦合進(jìn)入晶體管基極，輸出的交流信號(hào)Vo由集電極經(jīng)電容 Cc耦合到負(fù)載電阻RL上。發(fā)射極旁路電容Ce的作用是降低發(fā)射極電阻對(duì)交流放大倍數(shù)的損耗。

（3）Q1β為60時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)估算值，從估算過程來看，β從90變化到60，Au只是由-69變化到-64，靜態(tài)工作點(diǎn)基本不變。

1.2 Or CAD PSpice仿真分析與演示

課堂引入Or CAD PSpice仿真，在教學(xué)過程中容易得到較多的數(shù)據(jù)，可隨時(shí)查看和調(diào)整，直觀形象，降低學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。演示及講解Or CAD Pspice在分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路仿真的應(yīng)用如下。

（1）新建Or CAD PSpice項(xiàng)目，選擇“Analog or Mixed A/D”，建立仿真原理圖文件。

（2）選擇原理圖元件庫、放置原理圖原件，對(duì)元件屬性進(jìn)行編輯、元件地連線等方法繪制原理圖。

（3）假定以三極管Q1的Q2N2222AG 設(shè)置β為90，電源電壓設(shè)為12V，對(duì)電路進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的仿真分析。

（4）進(jìn)行瞬態(tài)分析仿真交流輸入輸出信號(hào)波形。

（5）進(jìn)行幅頻相頻特性分析，進(jìn)行輸入電阻﹑輸出電阻性能指標(biāo)分析等。

以三極管Q1的Q2N2222AG設(shè)置β為90，仿真結(jié)果測(cè)量的Av約61，中頻相位約-179.9，輸入電阻抗Ri約1.74kΩ，輸出電阻抗Ro約2.86kΩ，輸出結(jié)果與理論結(jié)果符合。

2 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比較與分析

（1）連接電路圖，實(shí)驗(yàn)箱采用國內(nèi)某公司的RXDS-1B多功能電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱，分壓式工作點(diǎn)穩(wěn)定電路按照連接電路圖連接電路[6]。

（2）靜態(tài)工作點(diǎn)預(yù)設(shè)，使用萬用電表測(cè)量圖5的VCE的電壓，調(diào)整集電極與基極之間可調(diào)電阻1RP。當(dāng)VCE電壓為5.8～6.0V， 可調(diào)電阻1RP為13kΩ。

（3）動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試。將信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)源設(shè)為正弦波，頻率調(diào)至10kHz，輸出電壓為500mV，再通過實(shí)驗(yàn)箱上1∶100分壓，基極輸入5mV交流信號(hào)源電壓，基極直接輸入10mV交流信號(hào)源電壓，示波器測(cè)試輸出信號(hào)波形為0.62V，推算AV的交流放大倍數(shù)約為62。選擇幾個(gè)頻率點(diǎn)，進(jìn)行幅頻特性的測(cè)量，由數(shù)據(jù)表明仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的幅頻特性值相符合。

（4）圖形與數(shù)據(jù)比較。分析比較實(shí)驗(yàn)測(cè)試出來的數(shù)值﹑仿真、理論估算值得出數(shù)值三者數(shù)據(jù)，誤差可以接受，仿真獲取的信號(hào)波形與實(shí)驗(yàn)測(cè)試出來的波形大致相同，結(jié)果基本一致。

3 ?結(jié)語

通過基于分壓式工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的教學(xué)為例進(jìn)行發(fā)仿真教學(xué)，將理論講解、電路仿真演示、物理電路實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證三者融合進(jìn)行有機(jī)結(jié)合教學(xué)，有效促進(jìn)學(xué)生掌握模擬電路的知識(shí)，鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力，教學(xué)效果良好，并得到了廣大學(xué)生和教師認(rèn)可，驗(yàn)證了仿真教學(xué)在模擬電路中的可行性和實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝自美.電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測(cè)試[M].3版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006：87-120.

[2] 蔡洪明，李凱.Or CAD PSpice在模擬電子技術(shù)教學(xué)應(yīng)用中的實(shí)踐[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（1）：131-134.

[3] 蒲永紅，余粟，王維榮.Multisim輔助電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（32）：174-177.

[4] 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2010：284-291.

[6] 孫肖子.現(xiàn)代電子線路和技術(shù)實(shí)驗(yàn)簡明教程[M].2版.北京：高等教育出版社，2009.