淺談EDA技術(shù)在電類實驗教學(xué)中的應(yīng)用

宋 放

（江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212004）

引言

現(xiàn)代社會是電子科技高速發(fā)展的時代，各種新元件、新方法、新技術(shù)層出不窮，工程師們開發(fā)的電子系統(tǒng)也越來越復(fù)雜、越來越龐大、要求也隨之越來越高，要分析、設(shè)計復(fù)雜的電子系統(tǒng)，原始的人工方法已不能滿足要求，為適應(yīng)這種情況，日趨完善的EDA技術(shù)正在逐步取代傳統(tǒng)的電子設(shè)計方法。目前最新最全面的電子設(shè)計技術(shù)還是EDA技術(shù)，它的出現(xiàn)為電子設(shè)計工程師提供了一種全新的設(shè)計理念和方法，因此，掌握好EDA技術(shù)是適應(yīng)新時代電子設(shè)計方面工作的基本技能，當(dāng)下為了能滿足社會對高新技術(shù)人才培養(yǎng)的需要，靠傳統(tǒng)的實驗教學(xué)已遠遠不夠，必須把EDA技術(shù)融入實驗教學(xué)中，使學(xué)生能掌握EDA技術(shù)的發(fā)展，適應(yīng)信息社會對設(shè)計人員的要求。

EDA技術(shù)是一門融合了現(xiàn)代電子與計算機技術(shù)，以計算機為平臺對電子電路、系統(tǒng)或芯片進行設(shè)計、仿真開發(fā)的計算機輔助設(shè)計技術(shù)，Multisim軟件的出現(xiàn)讓實驗室進入課堂成為可能。教師可以根據(jù)講課需求，通過操作計算機運行軟件，模擬各種類型實驗，并根據(jù)需要復(fù)制，使“實驗結(jié)果”可以重現(xiàn)，達到實驗演示與教師講解“同步”進行；通過顯示器屏幕的直觀化展示，使一些抽象的概念形象化，將一些方式、方法以動態(tài)方式圖解；也可以由學(xué)生實際操作，運用Multisim軟件進行仿真實驗，得到“實驗結(jié)果”。在整個過程中，學(xué)生自始至終都能保持極高的學(xué)習(xí)積極性。這樣的教學(xué)方式活潑生動，極大調(diào)動了學(xué)生的積極性，鞏固了學(xué)生的理解和記憶，大大提高了課堂教學(xué)效率。

1 電類傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的問題

當(dāng)前所采用的傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式在實驗設(shè)施、實驗方式、實驗課時和實驗教師等方面存在著不少困難和問題。

第一，現(xiàn)在高校的招生規(guī)模每年不斷擴大，存在現(xiàn)有實驗室的設(shè)備型號陳舊，經(jīng)費缺乏、實驗場地緊張等困難，這些問題直接影響到電類實驗的正常運行，如果得不到及時的解決就不能滿足學(xué)生人數(shù)的增長對實驗教學(xué)提出的要求。如果要滿足每人一組的要求幾乎更是不可能的。兩人一組或多人一組的實驗效果必然會大幅下降。

第二，從目前采用實驗方式看，我們采用了一定比例驗證性的實驗形式。由實驗指導(dǎo)書講解某個儀器儀表的原理，或某個電路定理；接著詳細闡述該實驗的詳細操作步驟和方法。學(xué)生只需要依據(jù)實驗指導(dǎo)教材連接實驗箱或者實驗板，最后對測試點加以測量就可以了。采用實驗方式，學(xué)生基本不回去主動思考，所以不利于培養(yǎng)他們獨立思維和創(chuàng)新的能力。而且由于形式陳舊，也影響了學(xué)生對實驗的興趣。

第三，目前每個電類實驗的時間只分配了2個課時。在這樣的時間里學(xué)生完成電路連接，參數(shù)測試和計算，以及結(jié)論的分析是非常緊張的。學(xué)生必須課前進行充分、細致的準備，不然很可能出現(xiàn)的情況是當(dāng)實驗電路調(diào)試不成功、時間又所剩無幾的時候，學(xué)生干脆放棄實驗，而去直接抄襲或者編造實驗數(shù)據(jù)。這樣的實驗效果是非常不理想的。

第四，學(xué)生人數(shù)的增長，直接導(dǎo)致實驗老師的工作量大幅增加，使得擔(dān)負實驗教學(xué)的老師疲于應(yīng)付，沒有更多的時間、精力投入科研和創(chuàng)新工作當(dāng)中。并且重復(fù)性工作太多，也會直接影響到教學(xué)的質(zhì)量和效果。

2 Multisim軟件的功能及基本特點

Multisim是加拿大IIT公司出品的板級電路仿真軟件，適用于模擬和數(shù)字電路的設(shè)計。該工具包含了電路圖輸入Spice仿真、HDL設(shè)計輸入和仿真、可編程邏輯綜合及其他設(shè)計能力。增加了大量的VHDL元件模型，可以仿真更復(fù)雜的數(shù)字元件，在保留了EWB形象直觀等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，大大增強了軟件的仿真測試和分析功能，大大擴充了元件庫中的元件的數(shù)目，特別是增加了大量與實際元件對應(yīng)的元件模型，使得仿真設(shè)計的結(jié)果更精確、更可靠、更具有實用性。

它的主要特點有：

（1）采用直觀的電路圖輸入方式。繪制電路圖需要的元件、電路仿真需要的虛擬儀器都可以直接從圖形界面的工作平臺上選取。

（2）具有豐富的元件庫。按照邏輯關(guān)系分為14個元件箱，而每個元件箱內(nèi)又包含大量元件模型。用戶還可以自行編輯或者創(chuàng)建新的元件。

（3）充足的虛擬儀器。Multisim不但提供11種常用測試儀表，并且所有儀器都與實物相似，所有儀器都可以多臺同時調(diào)用

（4）完整的分析方法。Multisim提供了15種常用的電路仿真分析方法。這些分析方法基本能滿足一般電路分析設(shè)計的要求

（5）操作方便，易學(xué)易用。Multisim與時間元件對應(yīng)的元件模型非常豐富，增強了仿真的實用性。并且給用戶提供了自行創(chuàng)建和修改元件的工具。

3 Multisim軟件用于教學(xué)的優(yōu)點

3.1 多用途，節(jié)省資金及空間

傳統(tǒng)的電類實驗要用到很多儀器設(shè)備，而且各種實驗所用的儀器也不盡相同，開設(shè)綜合性實驗用到儀器更多，過多的儀器設(shè)備不僅成本高，體積大，所需空間大，而且連接也十分繁瑣。為了很好地解決這個問題可以使用虛擬儀器系統(tǒng)。不僅虛擬儀器工作平臺的電腦變成多用途，而且實驗室也可以多用途，節(jié)約了設(shè)備成本，還可解決高校實驗室空間不足的問題。

3.2 實驗速度快，效率高

Multisim軟件具有快速、高效的特點，用它可以使學(xué)生的實驗電路只需虛擬調(diào)試成功即可組裝電路，節(jié)約了實驗時間，可以更好的開展各種設(shè)計型性實驗，而且打印機可直接打印出電路原理圖、實驗結(jié)果據(jù)和測試曲線，可以很好地對測試結(jié)果進行各種分析。

3.3 測量精度高，避免產(chǎn)生各種機械故障

傳統(tǒng)儀器是物理實體，儀器長時間使用以后，操作面板上的各種開關(guān)、旋鈕、按鈕會出現(xiàn)接觸不良等機械故障。而虛擬儀器的各種功能是由軟件實現(xiàn)的，用鼠標、鍵盤對其進行操作，避免了出現(xiàn)類似于傳統(tǒng)儀器的各種機械故障。另外，一般傳統(tǒng)儀器的指針式儀表測量誤差較大，而虛擬儀器的測量精度很高。

4 Multisim軟件在電類實驗教學(xué)中的應(yīng)用

利用Multisim仿真軟件，可以進行各種實驗電路的設(shè)計、調(diào)試，如：單管放大電路、穩(wěn)壓電路、多諧振蕩電路等。Multisim仿真軟件在電類實驗中的應(yīng)用可分為以下幾個方面：

4.1 電類虛擬實驗

利用Multisim仿真軟件，可以進行各種實驗相關(guān)電路的設(shè)計與測試，例如：要做虛擬的單管放大電路實驗時，只要在電腦上將用到的“虛擬元件”和測試用的“虛擬儀器儀表”，“擺放”到實驗平臺的仿真區(qū)域，再根據(jù)原理圖，用鼠標操作連接好電路。然后用開啟仿真開關(guān)，進行虛擬測試。實驗中對電路元器件的各種參數(shù)修改很方便，用鼠標左鍵雙擊元件圖標，即可彈出元件參數(shù)修改窗口。如晶體管的型號參數(shù)、電阻的阻值、電容的容值、二極管的型號等均可根據(jù)所需重新設(shè)置，因此，大大提高了實驗效率。

4.2 實驗演示及考核

使用Multisim仿真軟件對電路進行設(shè)計和測試時不但可以使實驗效率大大提高，而且在實驗課中，可以很直觀、便捷地進行虛擬實驗和演示各種設(shè)計電路的工作原理。這樣理論課中學(xué)生難于理解吃透的重點和難點問題，可以通過虛擬實驗的演示來幫助理解。另外使用仿真軟件可以很方便的對學(xué)生實驗?zāi)芰M行考察，如利用仿真軟件的電路故障設(shè)置功能，在電路中設(shè)置一些故障，用以考核學(xué)生對故障的排除能力。故障排除可以幫助學(xué)生加深對理電路原理的理解，高效地培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

4.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗

如果將虛擬實驗室聯(lián)網(wǎng)，則可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗。例如脈沖產(chǎn)生、整形電路，老師利用網(wǎng)絡(luò)對實驗室外的學(xué)生進行講解，然后學(xué)生通過連接學(xué)校的虛擬實驗室系統(tǒng)，運行仿真應(yīng)用程序，就可以進行虛擬實驗，通過調(diào)用器件庫畫出電路原理圖，更換元件，更改信號參數(shù)，觀察、分析仿真的測試結(jié)果，將結(jié)果存盤，在電腦上與理論值進行比較，分析各種結(jié)論，寫出實驗報告。老師可以通過網(wǎng)絡(luò)收集和批改學(xué)生的報告，再向?qū)W生發(fā)送實驗成績。這有助于解決遠程教學(xué)中實驗難的問題。

4.4 進行電路設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

虛擬電類實驗室更好的為學(xué)生營造了良好的實驗環(huán)境，對構(gòu)建以學(xué)生為主體的教學(xué)模式非常有利，更好的培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。如果將虛擬電類實驗室建設(shè)成開放性實驗室，學(xué)生就可以自由上機進行電路設(shè)計和虛擬實驗，除了課程中必須完成的驗證性實驗和綜合性實驗以外，學(xué)生還可以自己設(shè)計電路和選做一些感興趣的實驗。例如在“數(shù)電實驗”中，學(xué)生不僅可以完成規(guī)定的“譯碼器及應(yīng)用”、“定時器及應(yīng)用”等實驗，還可以自行設(shè)計一些趣味性的電路，如交通燈控制、彩燈控制等控制電路以及各種報警電路等，這樣既增強了學(xué)習(xí)氣味性，又可提高學(xué)生的主動設(shè)計能力，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。利用虛擬電類實驗室還能完成較大難度的綜合性或設(shè)計性實驗，如數(shù)字鐘實驗，這是數(shù)電實驗中計數(shù)、分頻、譯碼、顯示及時鐘脈沖振蕩器等組合邏輯電路與時序邏輯電路的綜合應(yīng)用，通過綜合性或設(shè)計性實驗，進一步提高了學(xué)生研究和動手能力。

結(jié)語

用Multisim仿真軟件進行電類實驗教學(xué)非常方便，結(jié)果精確、圖像清晰、現(xiàn)象直觀，對電類實驗教學(xué)是非常好的輔助手段。并且，還為學(xué)生進行綜合性、創(chuàng)造性實驗提供了一個平臺，隨著Multisim仿真軟件的推廣和深入，其必將在電子工程、信息工程、電氣工程、自動控制等領(lǐng)域的輔助教學(xué)中發(fā)揮重要作用。

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