融入CDIO的模擬電子技術課程教學改革初探

尹榮榮　蘆鑫　郭璇　劉浩然　張保軍

[摘? ? ? ? ? ?要]? 結合CDIO新的教育理念，進行模擬電子技術課程的創(chuàng)新性教學改革，提倡“做中學”的教學方法，引入Multisim仿真軟件，通過引導學生進行觀察、思考、設計、分析，改進新的課堂學習模式，加強課堂理論教學和實踐教學的結合，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，使學生形成更接近工程實際的學習經(jīng)驗。

[關? ? 鍵? ?詞]? 模擬電子技術;CDIO教育理念;Multisim仿真;教學實踐

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）22-0022-02

一、CDIO教育理念

CDIO是由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所高校創(chuàng)立的工程教育模式，讓學生以主動的、實踐的方式學習，獲取工程能力。融入CDIO的模擬電子技術課程教學，就是在教學活動中采用豐富的教學手段、更新教學模式和學習環(huán)境，使課程理論教學和實踐教學有機結合起來，相互補充，盡可能地為學生提供接近工程實際的學習經(jīng)驗[1]。

二、在教學中應用Multisim仿真的優(yōu)勢

講解式課堂教學主要體現(xiàn)知識的系統(tǒng)闡述，更多體現(xiàn)的是記憶、理解層面的知識;而實驗過程強調(diào)知識的運用，是將知識內(nèi)化為自己能力的過程。通過講解課堂教學和實驗教學，引入仿真分析環(huán)節(jié)，建立起知識和實踐之間的橋梁，從易到難，讓學生在做中學，逐步培養(yǎng)學生運用知識的能力，逐步提高學生解決系統(tǒng)復雜問題的能力[2]。

課堂教學中引入Multisim仿真分析環(huán)節(jié)，將架起從知識到實踐的橋梁。沒有仿真分析，一方面授課過程僅以理論知識講授為主，學生缺乏對知識點的深刻理解;另一方面會導致從理論教學直接進入實踐和實驗教學時，學生難以接受，效果不佳。Multisim仿真軟件提供了豐富的電路元器件庫和常用的測試儀表，具有強大的電路測試、仿真分析能力，其元件和儀器儀表與實際情況非常接近，可以使很多繁雜、抽象的東西具體化、生動化，幫助學生更快、更好地掌握理論和實驗教學內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學生的工程綜合能力和創(chuàng)新能力[3]。

三、運用Multisim仿真的教學展示

明確學生在經(jīng)過Multisim仿真分析階段的學習后能夠達到的教學目標，即熟悉仿真軟件中模擬電路的系統(tǒng)搭建過程，通過借助仿真軟件加深理解模擬電路的分析過程，掌握模擬電路系統(tǒng)的設計準則，具備深入分析、設計和優(yōu)化復雜模擬電路的能力，據(jù)此設計相應的教學內(nèi)容。下面以“工作點穩(wěn)定電路”這節(jié)課的教學內(nèi)容為例，展示引入Multisim仿真分析的課堂教學過程。

（一）問題引出

靜態(tài)工作點Q（IB，IC，VCE）過高或過低都會導致電路產(chǎn)生失真，還影響著幾乎所有的動態(tài)參數(shù)。根據(jù)Multisim軟件中課前畫好的單管共射放大電路的仿真圖（如圖1所示），通過調(diào)整電阻Rb的取值，即基極電流IB≈、集電極電流Ic=βIB、三極管集電極和發(fā)射極間電壓VCE=VCC-IcRc改變，學生能夠通過觀察輸入輸出波形，對飽和失真和截止失真現(xiàn)象有直觀認識。圖2給出了在減小Rb取值下的飽和失真現(xiàn)象仿真結果圖，反之，若增大Rb取值則會出現(xiàn)截止失真現(xiàn)象，相應波形呈現(xiàn)頂部削波。

圖1 單管共射放大電路仿真圖

圖2 飽和失真現(xiàn)象（Rb減小至160kΩ）

進一步向?qū)W生強調(diào)，實際應用中電源電壓的波動、元件的老化以及因溫度變化所引起三極管參數(shù)的變化，都會造成靜態(tài)工作點Q的不穩(wěn)定，而引起靜態(tài)工作點不穩(wěn)定的諸多因素中，溫度對三極管參數(shù)的影響是最主要的。溫度每升高10℃，三極管集電極和基極反向飽和電流ICBO約增加1倍;溫度每升高1℃，三極管電流放大倍數(shù)β約增大0.5%～1%;溫度每升高1℃，三極管發(fā)射結電壓VBE約減小2mv～2.5mv。三極管的ICBO、β和VBE隨溫度變化時，對Q點的影響，最終都表現(xiàn)在使Q點集電極電流IC的增加，即所謂Q點穩(wěn)定，是指溫度變化時所設計電路IC維持恒定。

（二）電路分析

針對所引出工作點穩(wěn)定問題的實質(zhì)，給學生留出適當?shù)乃伎紩r間，隨后對學生在單管共射電路基礎上提出的穩(wěn)定Q點的相應措施進行歸納總結，并在Multisim軟件中課堂演示對應工作點穩(wěn)定電路的搭建過程，電路結果如圖3所示。

圖3 工作點穩(wěn)定電路仿真圖

圖4 直流通路

結合該電路圖，借助多媒體課件可理論講解穩(wěn)定Q點的原理、對Q點進行推導分析，同時進一步發(fā)揮仿真技術直觀形象的優(yōu)點，通過Multisim仿真軟件的電路波形動態(tài)測試過程，顯示射極電阻Re在穩(wěn)定靜態(tài)工作點的同時對電路動態(tài)性能帶來的相應影響。

1.穩(wěn)定原理

工作點穩(wěn)定電路的直流通路，如圖4所示。為了穩(wěn)定Q點，通常I1>>IBQ，即I1≈I2，因此UBQ≈VCC基本不隨溫度變化。

而IEQ=，設UBEQ=UBE+ΔUBE，若UBQ-UBE>>ΔUBE，則

IEQ穩(wěn)定，ICQ≈IEQ恒定。

為此，穩(wěn)定Q點的物理過程為：T（℃）？邙→ICQ？邙→IEQ？邙→UBEQ？鄔→ICQ？鄔，即溫度T升高，ICQ增加，由于電路中射極電阻Re的引入，通過Re轉換為ΔUEQ，又因為該電路UBQ基本不變，進而影響UBEQ，使之減小?？梢?，Re在電路中起直流負反饋作用，其值越大，反饋越強，Q點越穩(wěn)定。

2.Q點分析

根據(jù)直流通路圖，進一步對其靜態(tài)工作點Q（IB，IC，VCE）的取值進行推導分析，

IEQ=≈ICQ，IBQ=，UCEQ=VCC-ICQRc-IEQRe。

3.動態(tài)性能

根據(jù)已建立的基礎知識，穩(wěn)定Q點的原理和對Q點的分析可知，相對于單管共射電路，Re接入電路帶來了穩(wěn)定Q點的好處，那么它對電路的動態(tài)性能會產(chǎn)生影響嗎？為了引導學生進一步分析該問題，采用Multisim仿真方式，從圖3可知，在旁路電容Ce接入和移除電路兩種模式下，該電路的直流通路均不會發(fā)生改變，都具備穩(wěn)定靜態(tài)工作點Q的優(yōu)秀特性，但旁路電容Ce接入模式下，電路交流分析時Re出現(xiàn)短接，即該電路交流通路與單管共射電路相類似，其動態(tài)性能無Re的影響;但旁路電容Ce移除模式下，電路交流分析時Re全部接入電路，此時是否會帶來電路動態(tài)性能的變化，借助Multisim中的示波器，首先向?qū)W生直觀顯示上述兩種模式下該電路電壓放大倍數(shù)的幅值變化曲線仿真結果。

根據(jù)圖3工作點穩(wěn)定電路中示波器XSC1的連接方式，A通道接電路輸入電壓，B通道接電路輸出電壓，結合幅值變化曲線仿真結果可知，相比交流分析中Re短接方式，在Re全部接入電路后，電路輸出電壓幅值減小了，另外觀察仿真結果中的B通道刻度，分別為200 mv/div和20 mv/div，可得出電路輸出信號電壓幅值減小了10倍多。可見，Re接入電路，雖然帶來了穩(wěn)定靜態(tài)工作點Q的好處，但卻使電壓放大倍數(shù)下降了，而且Re越大，下降就越多。

根據(jù)仿真結果，進一步要求學生再用理論求解的方法，對比分析在旁路電容Ce接入和移除電路兩種模式下，圖3所示工作點穩(wěn)定電路的動態(tài)參數(shù)變化情況，如電壓放大倍數(shù)（Ce）=-和A=-、輸入電阻Ri（Ce）=Rb1∥Rb2∥rbe和Ri=Rb1∥Rb2∥[rbe+（1+β）Re]、輸出電阻R0（Ce）=Rc和R0=Rc，以驗證仿真結果的正確性，并加深理解模擬電路的系統(tǒng)分析過程。

（三）討論及改進

根據(jù)上述工作點穩(wěn)定電路動態(tài)性能的仿真結果和相應的理論對比分析結果，最后引導學生對工作點穩(wěn)定電路做總結討論，可得出以下重要結論：Re的接入，以反饋方式帶來了穩(wěn)定Q點的好處，其值越大，Q點電流IC越穩(wěn)定;但同時增加電路電壓放大倍數(shù)的有效途徑是減小Re，而為了增強電路對輸入電壓的索取能力，提高輸入電阻Ri，又應增大Re。根據(jù)上述總結，為了解決Re引入對電路動態(tài)性能影響的沖突問題，進一步啟發(fā)學生提出工作點穩(wěn)點電路的優(yōu)化設計方案，如Re的部分接入等措施、逐步形成優(yōu)化設計復雜模擬電路的能力，促進學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

四、結語

仿真軟件方式的接入建立了本課程理論知識和工程實踐任務的教學連接，將培養(yǎng)學生能力貫穿于整個課堂教學中，采用Multisim軟件搭建課堂講授電路圖，讓學生對理論上的器件和電路圖有直觀的理解，并結合多媒體、板書、現(xiàn)場仿真分析等多種教學方式，通過與學生討論，引導學生主動參與課堂學習，通過觀察、思考、設計、分析和改進的課堂學習模式，逐步培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，使學生基本具備分析復雜模擬電路和解決復雜工程問題的能力，提高了教學質(zhì)量和教學效果。

參考文獻：

[1]侯勇嚴，陳蓓，李天利.基于混合式教學模式的《模擬電子技術基礎》教學研究與實踐[J].教育教學論壇，2018（33）：172-173.

[2]胡正平，顧光華，史洪印，等.從導師的視角看全日制工科研究生能力培養(yǎng)[J].教學研究，2018，41（2）：96-101.

[3]秦維，陳浩，何進，等.Multisim10在模擬電子技術實驗教學中的應用[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2017，28（4）：305-306.

◎編輯 趙瑞峰