基于仿真技術(shù)的電子線路課程教學(xué)優(yōu)化

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)電子線路課程教學(xué)手段和方法的現(xiàn)狀與不足，在課程教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真。通過(guò)在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課程設(shè)計(jì)中合理使用LabVIEW，Multisim，Matlab/Sumilink，Protel等仿真軟件，使得復(fù)雜的理論簡(jiǎn)單化、抽象的過(guò)程直觀化。并以典型案例仿真為例給出了計(jì)算機(jī)仿真在電子線路課堂教學(xué)中所帶來(lái)的良好效果。

關(guān)鍵詞： 電子線路； 計(jì)算機(jī)仿真； Multisim； LabVIEW； Matlab/Sumilink； Protel

中圖分類號(hào)： TN919?34； G624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）16?0062?03

0 引 言

《電子線路》課程是高等院校電子類各專業(yè)的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程以組成電子電路的基本元件、單元電路、功能電路及其原理和基本分析方法為研究對(duì)象，著重研究電子線路的基本概念、基本理論和基本分析方法[1]。本課程具有較強(qiáng)的理論性和一定的工程實(shí)用性，對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力具有重要作用[2]。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，通常是采用理論課加實(shí)驗(yàn)課的方式，也就是先在課堂進(jìn)行理論推導(dǎo)和講解，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行原理性驗(yàn)證。這種教學(xué)方式的弊端在于理論和實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立，由于直觀性不夠，學(xué)生掌握課堂的知識(shí)點(diǎn)不夠理想，這直接會(huì)影響后面實(shí)驗(yàn)的效果；同時(shí)基于實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容也相對(duì)單一，實(shí)驗(yàn)靈活性不夠[3?4]。針對(duì)這些傳統(tǒng)教學(xué)上的不足，筆者在近幾年的電子線路課堂教學(xué)中采用了理論講解和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方法，兩者在過(guò)程上相互融合，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

本文根據(jù)電子線路的課程特點(diǎn)，融合現(xiàn)代主流的4大仿真軟件—LabVIEW，Multisim，Matlab /Sumilink，Protel，充分利用這些軟件的各自特色和優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化組合電子線路課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。通過(guò)實(shí)例演示和教學(xué)實(shí)施，結(jié)果證明：仿真軟件在電子線路教學(xué)中的應(yīng)用具有有效性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性，能夠提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決問(wèn)題能力。

1 仿真技術(shù)用于課堂演示[5?6]

電子線路課程的教學(xué)難點(diǎn)在于電路原理復(fù)雜、工作過(guò)程和波形變化抽象、電路性能受元器件參數(shù)影響較大，在理論教學(xué)中一般需要公式推導(dǎo)。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，只從理論公式上理解不夠直觀，這樣得到的結(jié)論比較枯燥，也難以記住。如果在課堂教學(xué)中采用原理仿真教學(xué)，一方面比較形象，另一方面圖形要比單純的數(shù)學(xué)推導(dǎo)形象得多，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，有了形象的原理仿真更容易記憶知識(shí)點(diǎn)，掌握效果更理想。

比如基本放大電路一章中放大電路的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析一節(jié)。基本放大電路一章是整個(gè)電子線路課程的重點(diǎn)，而放大電路的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析又是基本放大電路這一章中最重要的一節(jié)。因此對(duì)于本節(jié)內(nèi)容的理解和掌握對(duì)整門課來(lái)說(shuō)意義重大。放大電路的靜態(tài)分析主要是用圖解法或者估算法求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；放大電路的動(dòng)態(tài)分析主要是利用微變等效電路法或者圖解法求放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻，從而分析放大電路的性能。

圖1是利用LabVIEW軟件對(duì)放大電路進(jìn)行靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的仿真結(jié)果。

該仿真圖分為四部分：電路圖部分、參數(shù)調(diào)整部分、結(jié)果顯示部分以及計(jì)算公式部分。

在圖1這樣一個(gè)仿真演示過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)改變電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、電壓放大倍數(shù)以及輸入輸出電阻等，從而讓學(xué)生直觀的感受某個(gè)或者某些參數(shù)的變化對(duì)電路性能的影響（對(duì)比圖1（a）和（b）），同時(shí)還可以通過(guò)計(jì)算公式部分驗(yàn)證參數(shù)改變所帶來(lái)的計(jì)算結(jié)果的變化是否和圖上看到的一致，進(jìn)而更加深刻的理解抽象的計(jì)算公式。理論和仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，使學(xué)生更好地理解電路元件參數(shù)對(duì)其性能變化的影響。

通過(guò)將仿真技術(shù)用于課堂教學(xué)演示，既有利于學(xué)生對(duì)電路性能分析的掌握，也有利于學(xué)生對(duì)電路原理和電路工作過(guò)程的理解，更有利于學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)和結(jié)論的記憶。

2 仿真技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)[7?9]

電子線路課程實(shí)踐性強(qiáng)，必須用大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助和加深理論學(xué)習(xí)。通常電子線路的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生操作只能在涉及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限的實(shí)驗(yàn)箱上完成，硬件不易升級(jí)，內(nèi)容很難更新。

下面以二極管雙平衡調(diào)幅電路為例，闡述Multisim在電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)中，項(xiàng)目1和2是所有學(xué)生必須完成的，項(xiàng)目3和4供有余力的學(xué)生作為課堂知識(shí)的提高訓(xùn)練。

（1）搭建如圖2（a）所示的仿真實(shí)驗(yàn)電路。

（2）由示波器觀察調(diào)幅波的波形，如圖2（b）所示，由頻譜儀觀察調(diào)幅波的頻譜，如圖2（c）所示；

（3）可通過(guò)調(diào)整圖2（a）中信號(hào)源的參數(shù)繼續(xù)觀察波形，理解大信號(hào)和小信號(hào)工作狀態(tài)，理解過(guò)調(diào)幅等概念。

（4）可通過(guò)調(diào)整信號(hào)源v1，v2及負(fù)載等搭建二極管雙平衡混頻電路仿真原理圖如圖2（d）所示，并在示波器和頻譜儀上觀察其波形和頻譜。

通過(guò)對(duì)二極管雙平衡調(diào)幅電路的分析及其向混頻電路的延伸仿真實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生充分理解二極管雙平衡電路的相乘作用，調(diào)幅波的一種獲取方法，信號(hào)源振幅和頻率的變化對(duì)電路性能的影響，掌握波形和頻譜與調(diào)制信號(hào)及載波的關(guān)系，領(lǐng)會(huì)軟件中電路的調(diào)試和分析方法。

實(shí)踐證明，將仿真技術(shù)用于電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式起到了很好的補(bǔ)充作用。通過(guò)將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和模擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合能大大提升和激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，有助于培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面廣、富有創(chuàng)新意識(shí)的跨世紀(jì)新型人才。

3 仿真技術(shù)用于課程設(shè)計(jì)[6，9?11]

課程設(shè)計(jì)是理論設(shè)計(jì)與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，更加注重培養(yǎng)學(xué)生的理論設(shè)計(jì)能力，理論設(shè)計(jì)的過(guò)程是系統(tǒng)專業(yè)理論知識(shí)綜合運(yùn)用的過(guò)程.只有對(duì)課程或?qū)W科理論有完整的認(rèn)識(shí)，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的理論設(shè)計(jì)。該課程要求學(xué)生能綜合運(yùn)用課程知識(shí)，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成元器件焊接、電路調(diào)試和設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫。同時(shí)，為后續(xù)開設(shè)的專業(yè)課程打下基礎(chǔ)。

按照課程標(biāo)準(zhǔn)和課程要求，我院電子線路課程設(shè)計(jì)的選題為“設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線接收系統(tǒng)”，要求：要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)畫出無(wú)線接收系統(tǒng)的原理框圖，利用Matlab中的Simlink軟件進(jìn)行仿真分析，如圖3（a）所示；觀察調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生器、混頻器、中頻放大器、檢波器等的輸出波形，如圖3（b）所示；利用Protel 軟件設(shè)計(jì)無(wú)線接收系統(tǒng)中的某一部分，比如檢波器。首先用原理圖組件進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)，如圖3（c）所示；然后用電路仿真組件進(jìn)行電路的仿真測(cè)試；最后用PCB設(shè)計(jì)組件設(shè)計(jì)出印制電路板圖，如圖3（d）所示，經(jīng)安裝和調(diào)試，完成課題的設(shè)計(jì)工作。

這樣的實(shí)踐過(guò)程通過(guò)對(duì)電路的分析、工程估算、安裝調(diào)試、測(cè)量其性能指標(biāo)及排除故障等環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決技術(shù)問(wèn)題的能力，使學(xué)生了解一個(gè)小型產(chǎn)品設(shè)計(jì)的程序和基本方法，為以后從事專業(yè)技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)多年的課堂教學(xué)實(shí)踐，以及學(xué)生在后續(xù)實(shí)驗(yàn)課和電子競(jìng)賽等活動(dòng)中的表現(xiàn)證明，電子線路的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)真正給教師和學(xué)生提供了一個(gè)優(yōu)秀的平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)將復(fù)雜的理論簡(jiǎn)單化、將抽象的過(guò)程形象化。這個(gè)平臺(tái)將電子線路課程教學(xué)各環(huán)節(jié)形成一個(gè)完整的教學(xué)體系，更加方便于教師的教學(xué)，更加有助于學(xué)生對(duì)課程的理解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)很好地結(jié)合起來(lái)，使得課程教學(xué)更加直觀、有效。

參 考 文 獻(xiàn)

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