計算機(jī)仿真軟件在電子信息工程專業(yè)實驗教學(xué)中的研究分析

王棟?王蕊?李艷玲?朱曉菲

摘要：電子信息工程專業(yè)課程內(nèi)容抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)困難，因此需要加設(shè)課程對應(yīng)的實驗教學(xué)。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)往往依賴于硬件實驗平臺，存在設(shè)備老舊、設(shè)備短缺和人員維護(hù)有限等缺點，在一定程度上影響實驗教學(xué)的效果。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生，成為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的強(qiáng)大支撐。從發(fā)揮計算機(jī)仿真軟件在實驗教學(xué)中的功能和優(yōu)勢出發(fā)，提出基于計算機(jī)仿真軟件的實驗教學(xué)方法改進(jìn)措施，用于提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和實踐動手能力，達(dá)到提高實驗教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：電子信息工程；計算機(jī)仿真軟件；實驗教學(xué)

一、前言

在電子信息工程專業(yè)課程設(shè)置中，傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ绞腔趯嶒灠?、實驗箱的實體實驗，這種實驗?zāi)Ｊ酱嬖谠O(shè)備老舊、設(shè)備短缺和人員維護(hù)有限等問題。而計算機(jī)仿真軟件的使用，可以很好地解決上述問題，提高實驗教學(xué)的設(shè)計性，達(dá)到理論聯(lián)系實際的目的，同時還能夠激發(fā)學(xué)生對計算機(jī)仿真軟件的使用熱情，為以后的科研實踐打好基礎(chǔ)[1]。

二、計算機(jī)仿真軟件介紹

計算機(jī)仿真軟件是一種專門用于仿真的計算機(jī)軟件，與仿真硬件同為仿真工具。它的發(fā)展依賴于仿真應(yīng)用、算法、計算機(jī)建模等技術(shù)的發(fā)展。常見的電子信息類仿真軟件有MATLAB/Simulink、Multisim和HFSS等。

（一）MATLAB/Simulink簡介

MATLAB（矩陣實驗室，Matrix Laboratory的簡稱）是一款著名的計算機(jī)仿真軟件，由美國MathWorks公司發(fā)布。它主要應(yīng)用于工程計算、信號處理、控制設(shè)計、信號檢測、圖像處理等相關(guān)領(lǐng)域。為科研、設(shè)計以及有效數(shù)值計算等眾多科學(xué)領(lǐng)域提供一個解決方案。除了MATLAB本身軟件外，MathWorks公司還有一個基于模型設(shè)計的產(chǎn)品Simulink，它可以用于嵌入式系統(tǒng)、動態(tài)模型系統(tǒng)等多個領(lǐng)域的仿真。Simulink是MATLAB中的一個可視化、模塊化的仿真工具，是一個基于MATLAB軟件的可視化環(huán)境，實現(xiàn)的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包[2]。此外，MATLAB可以在多種操作系統(tǒng)上運(yùn)行，適用于Windows、MAC以及Linux操作系統(tǒng)，在各個領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用。

（二）Multisim簡介

Multisim是一個完整的電子設(shè)計工具系統(tǒng)，由美國國家儀器（NI）有限公司研發(fā)推出，在Windows平臺上運(yùn)行，適用于板卡級別的數(shù)字/模擬電路設(shè)計。它提供了簡單易用的圖形輸入接口來滿足使用者對電子電路設(shè)計的需求，該軟件把原理圖、仿真和可編程邏輯器件集成在一起，使用者可以方便地對電子電路進(jìn)行設(shè)計，不用太多考慮不同供應(yīng)商產(chǎn)品性能不同導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時出現(xiàn)的問題[3]。Multisim易學(xué)易用，便于教師、工程技術(shù)人員、學(xué)生學(xué)習(xí)和進(jìn)行綜合性的電子設(shè)計，有利于培養(yǎng)各種人員的綜合分析能力、開發(fā)能力和創(chuàng)新能力，廣泛應(yīng)用于電子相關(guān)領(lǐng)域中。

（三）HFSS簡介

HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美國Ansys公司推出的一款著名的3D電磁仿真軟件。它提供了一個簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有功能強(qiáng)大的電磁性能分析能力的處理器，可以計算出任意形狀三維無源材料的全波電磁場和S參數(shù)。其提供了從部件級到電路級乃至系統(tǒng)級快速且精確的仿真設(shè)計方法，基本上包含了高頻電路設(shè)計的所有內(nèi)容，目前經(jīng)歷了三十多年的不斷發(fā)展，已經(jīng)是電磁仿真人員不可或缺的仿真工具，在射頻、微波、天線等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

三、計算機(jī)仿真軟件在電子信息工程專業(yè)課程中的應(yīng)用

（一）MATLAB/Simulink仿真軟件使用

在數(shù)字信號處理中，濾波器被經(jīng)常用到，濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號順利通過，而抑制另外一部分頻率的信號。那么如何設(shè)置濾波器的參數(shù)，就需要使用MATLAB軟件來對濾波器進(jìn)行仿真，進(jìn)而分析得到濾波器的參數(shù)，完成對濾波器的設(shè)計。常見的物理可實現(xiàn)濾波器有巴特沃斯濾波器（Butterworth filter）、切比雪夫濾波器（Chebyshev filter）和貝塞爾濾波器（Bessel filter）等。以巴特沃斯低通濾波器為例，來展示MATLAB仿真軟件在數(shù)字信號處理領(lǐng)域的應(yīng)用。圖1為巴特沃斯低通濾波器的幅頻響應(yīng)仿真結(jié)果，其階數(shù)分別為2、5和10，可以根據(jù)仿真結(jié)果來選擇相應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)而完成對相應(yīng)濾波器的設(shè)計。

（二）Multisim仿真軟件使用

在電子信息領(lǐng)域中，基本運(yùn)算器有三種，分別是加法器、乘法器和積分器。所以說，積分運(yùn)算電路在電子電路中會被經(jīng)常用到，那么就可以通過Multisim軟件對積分運(yùn)算電路進(jìn)行仿真分析，通過設(shè)置相應(yīng)參數(shù)完成對所需積分電路的設(shè)計[5]。圖2為用Multisim設(shè)計的積分運(yùn)算電路，運(yùn)算放大器的型號為LM324A，是意法半導(dǎo)體公司推出的一款面向模擬器件市場的高性能雙運(yùn)算放大器芯片，采用正負(fù)5V雙電源供電，本文在仿真時只用到了其中一個運(yùn)算放大器。電阻R1為10KΩ、R2為1KΩ，反饋電容C1為1μF。

XFG1為信號發(fā)生器，設(shè)置輸入頻率為200 Hz的方波信號，占空比為50%，如圖3所示。

XSC1為示波器，A通道連接積分運(yùn)算電路的輸出，B通道連接信號發(fā)生器的輸出。通過理論分析可知，當(dāng)輸入為方波信號時，積分電路的輸出應(yīng)該為三角波。圖4為仿真結(jié)果，下面的波形為輸入信號波形，上面的波形為輸出信號波形，可以看出在輸入為200Hz，占空比為50%的方波情況下，該積分器的輸出波形為三角波信號，因此該電路可以完成對輸入信號的積分運(yùn)算，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目的。但是，如果輸入信號發(fā)生變化（如信號波形、信號頻率等），輸出結(jié)果有可能達(dá)不到積分運(yùn)算的效果，需要對電路中電容或電阻的參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，以此達(dá)到預(yù)期目的。

（三）HFSS仿真軟件使用

八木天線又稱為引向天線，是一種結(jié)構(gòu)相對簡單、波束寬度較寬、定向性較好的天線，由一個半波有源振子、一個反射振子和若干個引向振子組成，被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前各種電子通信系統(tǒng)當(dāng)中。在實際教學(xué)中，該部分內(nèi)容也是要求學(xué)生重點掌握的內(nèi)容，但是，由于該部分理論十分抽象、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較多，學(xué)生不容易理解，使用HFSS軟件對該部分內(nèi)容進(jìn)行仿真，可以加深學(xué)生對天線理論的理解，提高教學(xué)效果。

八木天線的設(shè)計指標(biāo)較多，包括天線的尺寸、主瓣寬度、增益、旁瓣電平以及工作頻段等指標(biāo)[6]，通過HFSS軟件對八木天線進(jìn)行仿真分析之前，需要先確定這些指標(biāo)，然后利用經(jīng)驗公式對天線進(jìn)行初步設(shè)計，最后利用HFSS軟件對設(shè)計好的天線進(jìn)行參數(shù)微調(diào)，就可以獲得滿足指標(biāo)要求的仿真結(jié)果，圖5為使用HFSS軟件對八木天線進(jìn)行仿真界面。

通過對設(shè)計的天線進(jìn)行仿真分析，就可以獲得其仿真結(jié)果，圖6是八木天線的天線方向性圖函數(shù)仿真結(jié)果，可以直觀地展示出天線在各個方向的增益，能夠加深學(xué)生對天線中各個參數(shù)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、實驗教學(xué)方法改進(jìn)措施

為提高電子信息工程專業(yè)學(xué)生的實踐綜合應(yīng)用能力，必須加強(qiáng)學(xué)生理論與實際結(jié)合的培養(yǎng)工作。計算機(jī)仿真軟件具有可以實時更新、軟件充足、不需要額外人員進(jìn)行維護(hù)等特點，可以克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的問題。那么就需要借助計算機(jī)仿真軟件對實驗教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，由此來提升實驗教學(xué)質(zhì)量，具體改進(jìn)措施如下：

第一，在課程開始前，首先，教師需要針對課程內(nèi)容選用適當(dāng)?shù)挠嬎銠C(jī)仿真軟件，例如，“模擬電子電路”“數(shù)字電子電路”“電子測量技術(shù)”等課程可以選用Multisim作為仿真軟件。“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”等課程可以選用MATLAB/Simulink作為仿真軟件?！拔⒉夹g(shù)與天線”“天線與電波傳播”等課程可以選用HFSS作為仿真軟件。其次，教師需要根據(jù)該課程內(nèi)容編排，不斷更新實驗教學(xué)內(nèi)容，尤其是對理論課程內(nèi)容比較抽象、乏味的內(nèi)容，可以作為實驗教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。最后，教師需要根據(jù)實驗內(nèi)容編寫或修訂實驗指導(dǎo)書，指導(dǎo)書可以包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗方法、實驗?nèi)容、實驗要求等內(nèi)容，實驗?zāi)康氖墙?jīng)過本次實驗后學(xué)生知識或操作能力應(yīng)該能夠達(dá)到的水平。實驗原理是本次實驗設(shè)計所依據(jù)的理論根據(jù)，如公式、定理、公理等，能夠指導(dǎo)實驗，又能經(jīng)受實驗的考驗。對于實驗方法，由于采用的是計算機(jī)仿真方法來進(jìn)行實驗，所以對于計算機(jī)仿真實驗來說，實驗方法是在本次實驗中可能用到的仿真庫、仿真模塊、仿真流程圖等，以達(dá)到可以完成實驗內(nèi)容的目的。實驗內(nèi)容是根據(jù)課程的需要，學(xué)生在本次實驗中需要進(jìn)行的實驗操作。實驗要求是學(xué)生在實驗操作當(dāng)中需要注意的地方。

第二，在實驗課開始前，教師需要提前給學(xué)生相應(yīng)仿真軟件的使用說明文檔，或者在理論課中簡要說明仿真軟件的使用方法，以確保學(xué)生基本會使用該仿真軟件。學(xué)生需要了解仿真軟件的基本使用方法以及完成相應(yīng)的實驗預(yù)習(xí)，主要包括對實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗方法的了解?/p>

第三，在實驗課中，教師要向?qū)W生講述相應(yīng)內(nèi)容的實驗原理，同時要讓學(xué)生明白實驗過程中每一個步驟的功能、作用及達(dá)到什么效果，并強(qiáng)調(diào)實驗中需要注意的地方，確保學(xué)生能夠獨立地完成相應(yīng)的實驗內(nèi)容。在實驗操作階段，學(xué)生應(yīng)該獨立完成，但是，對于學(xué)生仿真不下去、仿真困難或者仿真容易出錯的地方，教師要再進(jìn)行統(tǒng)一講解，讓學(xué)生能夠把實驗進(jìn)行下去。

第四，在實驗課后，教師可以利用計算機(jī)辦公軟件將學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)、實驗操作以及實驗報告書寫情況記錄下來[7]，及時掌握學(xué)生實驗操作能力，給出對應(yīng)的實驗成績，根據(jù)計算機(jī)辦公軟件對評價結(jié)果進(jìn)行對比分析，解決學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)中所遇到的難點問題，并有針對性地修正更新實驗指導(dǎo)書及仿真程序，為后續(xù)教學(xué)的提升提供依據(jù)。

五、結(jié)語

實驗教學(xué)是理論課程內(nèi)容的補(bǔ)充，在電子信息專業(yè)課程中，將理論與計算機(jī)仿真軟件結(jié)合起來，可以解決在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題，讓學(xué)生在較短的時間內(nèi)直觀地掌握理論課程中相關(guān)的知識內(nèi)容，同時也能夠使學(xué)生的計算機(jī)軟件使用能力得到鍛煉，提升學(xué)生的科研實踐水平，達(dá)到提高實驗教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)目的。

參考文獻(xiàn)

[1]李建柳. 計算機(jī)輔助軟件在電子信息工程專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究與實踐[J]. 電腦知識與技術(shù)， 2021（11）：63-64.

[2]李獻(xiàn)，駱志偉，于晉臣. MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[3]田金鵬，王瑞. 電子電路軟件仿真實驗教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2020.

[4]徐興福. HFSS射頻仿真設(shè)計實例大全[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[5]程春雨，商云晶，吳雅楠.模擬電路實驗與Multisim仿真實例教程[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2020.

[6]李莉. 天線與電波傳播[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[7]徐禮長.分析計算機(jī)輔助軟件在電子信息工程專業(yè)實驗教學(xué)中的運(yùn)用[J].中國金屬通報，2021（10）：171-172.

作者單位：中國人民解放軍火箭軍工程大學(xué)

責(zé)任編輯：張津平