eda仿真技術(shù)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)課程的應(yīng)用

1、<p>　　EDA仿真技術(shù)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)課程的應(yīng)用</p><p>　　摘要： 虛擬技術(shù)的發(fā)展使電子線路的分析設(shè)計(jì)過程得以在計(jì)算機(jī)上輕松、準(zhǔn)確、快捷地完成。這樣，一方面克服了實(shí)驗(yàn)室在元器件和規(guī)格上的限制，避免了損壞儀器等不利因素，另一方面使得實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間及空間的限制，從而促進(jìn)電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化。</p><p>　　關(guān)鍵詞：EDA仿真 電子技術(shù) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用 創(chuàng)新教學(xué)</

2、p><p>　　一．電子線路虛擬實(shí)驗(yàn)概述</p><p>　　虛擬技術(shù)是近年發(fā)展起來的，利用計(jì)算機(jī)模仿真實(shí)過程的實(shí)用技術(shù)。電子線路虛擬實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境，通過電路的建立和對(duì)數(shù)據(jù)與電路功能的分析，達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果和目的的一種新的實(shí)驗(yàn)方法。EDA技術(shù)是一種以計(jì)算機(jī)為基本工作平臺(tái)，以高級(jí)語(yǔ)言描述、具有系統(tǒng)級(jí)仿真和綜合能力的軟件工具。軟件有多種，其中</p><p&g

3、t;　　Multisim軟件是較常見的電子技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)訓(xùn)的工具。通常工具軟件的元器件庫(kù)儲(chǔ)存有許多大公司的晶體管、阻容元件、集成電路和數(shù)字門電路芯片等元器件，儀器庫(kù)則有萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換等儀器，接通開關(guān)就可以進(jìn)行和實(shí)物實(shí)驗(yàn)一樣的測(cè)試分析了。但這類軟件的缺點(diǎn)是元件均是以電路符號(hào)實(shí)現(xiàn)的,與實(shí)物試驗(yàn)差別很大.我們所完成的多媒體電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件的突出優(yōu)點(diǎn)是:元件及儀表均以實(shí)物形式重現(xiàn),直觀

4、性強(qiáng),可操作性高。它不僅為電子技術(shù)設(shè)計(jì)人員提供了“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)也為教學(xué)提供了一個(gè)極為便捷的、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。電工電子類專業(yè)課程中的電工基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)都可以通過EDA仿真軟件，進(jìn)行電路圖的繪制、設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)和分析。應(yīng)該說將EDA仿真軟件應(yīng)用到電工、電子類專業(yè)的教學(xué)中是一種教學(xué)手段的創(chuàng)新，也是提高教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)選方法。</p><p>　　二．電子線路虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)</p&g

5、t;<p>　　2.1實(shí)行虛擬實(shí)驗(yàn)的必要性</p><p>　　電子線路是一門較為抽象的理論型課程。在學(xué)習(xí)電路理論時(shí)必須理論聯(lián)系實(shí)際，抓好教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生能根據(jù)自己的實(shí)際情況，結(jié)合教師的教學(xué)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，驗(yàn)證所學(xué)到的電路原理。但是，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的種種現(xiàn)象又不盡人意，暴露了傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的一些固有缺陷。例如：</p><p>　?。?）學(xué)生不熟悉電路連接，還沒有掌

6、握好錫焊技術(shù)，所以連接電路時(shí)極易出錯(cuò)。</p><p>　?。?）電路連接錯(cuò)誤，易造成電子元器件及測(cè)試儀器的損壞。學(xué)生不熟悉儀器操作也是造成儀器容易損壞的原因。</p><p>　?。?）學(xué)生不能根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，更不能像做家庭作業(yè)一樣在課余時(shí)間進(jìn)行練習(xí)。有限的教學(xué)時(shí)數(shù)與學(xué)生技能的提高矛盾突出。</p><p>　?。?）實(shí)驗(yàn)的元器件離散性大，環(huán)境變化

7、引起的溫漂、干擾等因素會(huì)造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差。</p><p>　　（5）傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是以實(shí)物為主的，設(shè)備易磨損老化，需要定期更新；教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備配置與教學(xué)大綱的教學(xué)要求相對(duì)應(yīng)，隨著教學(xué)要求的提高及電子技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)水平也不斷提高，數(shù)量也要有所增加，這要消耗我們有限的教學(xué)經(jīng)費(fèi)。</p><p>　　EDA技術(shù)恰好能夠彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不足。它的優(yōu)點(diǎn)是：</p>

8、<p>　?。?）在計(jì)算機(jī)上即可完成和實(shí)現(xiàn)電路的電氣連接，檢測(cè)電路的電性能。例如，顯示檢測(cè)點(diǎn)的電壓電流波形及對(duì)電路進(jìn)行直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析等多種分析，及時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。</p><p>　?。?）評(píng)估元器件參數(shù)變化（包括故障）對(duì)電路造成的影響。分析一些較難測(cè)量的電路特性，如進(jìn)行噪聲（Noise）、頻譜（Fourier）、器件靈敏度（Sensitivity）、溫度特性（Temperat

9、ure）分析等。</p><p>　?。?）可以在短暫的實(shí)驗(yàn)時(shí)間里快速完成較復(fù)雜的電路連接、測(cè)試工作。</p><p>　?。?）可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的量化評(píng)估。</p><p><b>　　2.2實(shí)驗(yàn)室的建構(gòu)</b></p><p>　　作為傳統(tǒng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，使學(xué)生初步掌握仿真軟件技術(shù)，可使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密聯(lián)系課本

10、內(nèi)容，比較全面地概括和反映部分所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，將課堂內(nèi)容具體化。一方面繼承實(shí)物實(shí)驗(yàn)可操作性、參與性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，另一方面又可利用計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮其直觀、動(dòng)態(tài)模擬、迅速準(zhǔn)確、資源共享、資金投入量少等特點(diǎn)，從而建立一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，進(jìn)一步提高教學(xué)效率。系統(tǒng)配置是：一臺(tái)多媒體計(jì)算機(jī)+多媒體電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用軟件。</p><p>　　三、Multisim2001在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用</p><p&g

11、t;　　現(xiàn)以“設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源”為例，說明具體實(shí)驗(yàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)室中是怎樣開展的。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了一系列參數(shù)設(shè)置、波形觀察和數(shù)據(jù)讀取，以驗(yàn)證虛擬實(shí)驗(yàn)的可操作性。</p><p>　　試用三端式穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)并制作一直流穩(wěn)壓電源，指標(biāo)要求如下：</p><p>　　輸出電壓Uo=(9±0.5)V;</p><p>　　最大輸出電流Iomax=1A</p>

12、<p>　　輸出紋波（峰峰值）小于4mV(Iomax=1A時(shí))；</p><p>　　其他指標(biāo)要求同三端式穩(wěn)壓器。</p><p>　　設(shè)計(jì)與制作步驟如下：</p><p>　　畫電原理圖（或直接畫仿真電路圖）</p><p>　　電路如圖1所示。該電路是78**系列作為輸出電壓Uo固定的典型電路。正常工作時(shí)，輸入、輸出電壓差為2~

13、3V。電路中接電容C2、C3用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激震蕩和抑制電路引入的高頻干擾；C4是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾；D5是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端短路時(shí)，給輸出電容器C3一個(gè)放電通路，防止C3兩端電壓作用于調(diào)整管的b-e結(jié)，造成調(diào)整管b-e結(jié)擊穿而損壞。</p><p><b>　　元器件及參數(shù)選擇</b></p><p>　　

14、注意，這里的元器件應(yīng)為實(shí)元器件，設(shè)計(jì)和計(jì)算的順序一般為由后向前。</p><p>　?。?）三端穩(wěn)壓器選擇7809，其輸出電壓和輸入電流均滿足指標(biāo)要求。</p><p>　?。?）D5、C2、C3和C4 D5可選小功率二極管1N4001，C2、C3和C4取值如圖1所示（主要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)而得到），其中，C2、C3一般為瓷片電容，C4一般為電解電容，耐壓可取16v或25v（大于輸出電

15、壓的1.5倍）。</p><p>　?。?）電壓U1和U2 U1和U2的取值決定了相關(guān)元器件及參數(shù)的選擇。一般情況下，U1應(yīng)比UO高3V左右（太小影響穩(wěn)壓；太大穩(wěn)壓器功耗大，易受熱損壞），所以可取U1=12V，考慮電網(wǎng)電壓10%的波動(dòng)，最終取U1=13.5V。</p><p>　　根據(jù)公式可取變壓器次級(jí)電壓有效值U2為：</p><p>　　U2=U1/1.1

16、=13.5/1.1=12.3V</p><p>　　受變壓器規(guī)格的限制，實(shí)際應(yīng)選U2=12V。</p><p>　?。?）濾波電容C1 根據(jù)公式RLC1=5T/2，則</p><p><b>　　C1=5T/2RL</b></p><p>　　式中，T 為市電交流電源的周期，T=20ms；RL為C1右邊的等效電阻，應(yīng)取

17、最小值，由于Iomax=1A，因此Rlmin=U1/ Iomax=1.1*12/1=13.2Ω。所以取</p><p>　　C1=5T/2RLmin=3760（μF）</p><p>　　可見，C1容量較大，應(yīng)選電解電容。受規(guī)格的限制，實(shí)際的容量應(yīng)選為4700μF，其耐壓值可取25V</p><p>　　C1的最后取值還需根據(jù)紋波電壓的要求調(diào)整并確定。</p&

18、gt;<p>　　整流二極管D1-D4 整流二極管的參數(shù)應(yīng)滿足最大整流電流IF>1.5Iomax=1.5A；最大反向電壓UR>2U2=34V</p><p>　　特別應(yīng)該指出的是，電容濾波使電路被接通的一瞬間整流管的實(shí)際電流遠(yuǎn)大于Iomax。如果IF較小，很可能在電路被接通時(shí)就損壞，因此，一般取</p><p>　　IF >5Iomax=5（A）</

19、p><p>　?。?）變壓器T 由U2值選變壓器輸出電壓為12V </p><p>　　考慮到電網(wǎng)電壓10%的波動(dòng)，穩(wěn)壓電路的最大輸入功率</p><p>　　PImax=1.1U1Iomax=14.5W</p><p>　　考慮變壓器和整流電路的效率并保留一定的余量，選變壓器輸出功率為20W</p><p><

20、;b>　　3）電路仿真調(diào)試</b></p><p>　　在完成電路的初步設(shè)計(jì)后，在對(duì)電路進(jìn)行仿真調(diào)試，目的是為了觀察和測(cè)量電路的性能指標(biāo)并調(diào)整部分元器件參數(shù)，從而達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)的要求。</p><p>　　固定式直流穩(wěn)壓電源的仿真調(diào)試</p><p>　　調(diào)用Multisim仿真，畫出圖2 所示仿真電路。電路中各元器件應(yīng)為實(shí)元件。</p>

21、<p>　　測(cè)量輸出電壓和最大輸出電流并判別是否滿足指標(biāo)要求，如不滿足，則可能是輸入電壓U1、變壓器輸出功率P2或整流二極管最大整流電流IF過小而造成，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。</p><p>　　測(cè)量輸出紋波電壓并判斷是否滿足指標(biāo)要求，如不滿足，則應(yīng)加大濾波電容值</p><p>　　其他指標(biāo)與三端穩(wěn)壓器相同，一般無(wú)須測(cè)量。</p><p>　　4)PCB

22、圖設(shè)計(jì)與生成</p><p>　　由仿真電路直接生成網(wǎng)絡(luò)表</p><p>　　調(diào)用Protel-PCB，并進(jìn)行元器件合理布局</p><p>　　調(diào)用網(wǎng)絡(luò)表，并自動(dòng)布線。</p><p><b>　　PCB圖的人工調(diào)整</b></p><p><b>　　打印輸出</b>&

23、lt;/p><p><b>　　5）電路焊接與裝配</b></p><p>　　6）實(shí)際電路測(cè)試與改進(jìn)</p><p>　　四、充分發(fā)揮EDA仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，培養(yǎng)更多適應(yīng)新技術(shù)要求的人才。 基于上述理念，現(xiàn)代教育的職能已成為為學(xué)習(xí)者服務(wù)，為用人單位服務(wù)。人才需求的變化，技術(shù)的發(fā)展之快更是需要教育工作者有著人才培養(yǎng)的超前意識(shí)。這一意識(shí)

24、必須是科學(xué)的、嶄新的、快速的、甚至是跳躍的。特別是技工學(xué)校人才的培養(yǎng)需要有掌握新技術(shù)的專業(yè)教師，還要有新技術(shù)的設(shè)備才能滿足人才培養(yǎng)的要求。新技術(shù)、新設(shè)備的大量投入可能會(huì)影響到進(jìn)入人才市場(chǎng)最前沿的機(jī)遇。這就需要我們思維創(chuàng)新，教學(xué)手段創(chuàng)新。本作者認(rèn)為學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)就應(yīng)該以EDA仿真技術(shù)為突破口，引入計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)手段。將被譽(yù)為當(dāng)代十大杰出工程技術(shù)之一的CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）技術(shù)完全的引入到各專業(yè)的教學(xué)中，如電工電子專業(yè)、機(jī)械制造專業(yè)、汽車等

25、專業(yè)的仿真技術(shù)化。利用計(jì)算機(jī)各種強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)教學(xué)形象化、多媒體化、各科的仿真技術(shù)化。利用計(jì)算機(jī)各種軟件功能制作多媒體課件，取代原始的教學(xué)設(shè)備，提高教學(xué)的質(zhì)量，解決部分實(shí)踐性環(huán)節(jié)教學(xué)難題，從而加快高素質(zhì)人才培養(yǎng)的速度。 </p><p>　　綜上所述，由于EDA仿真技術(shù)的先進(jìn)性、實(shí)用性和通用性，因此它必將引領(lǐng)今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段的改革起到推動(dòng)作用。</p><p>