EDA技術(shù)在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

【摘要】針對(duì)“模擬電子技術(shù)”課程在教學(xué)過程中出現(xiàn)的原理抽象、電路種類復(fù)雜繁多導(dǎo)致學(xué)生難以理解等問題，本文將EDA技術(shù)與課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，提出一種基于EDA仿真平臺(tái)的“模擬電子技術(shù)”教學(xué)新模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式方法的改革和創(chuàng)新。

【關(guān)鍵詞】模擬電子技術(shù);EDA;教學(xué)新模式

1.引言

電子技術(shù)是十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，二十世紀(jì)發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛，成為近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志[1]。模擬電子技術(shù)課程是高等院校電子信息類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程之一，在整個(gè)專業(yè)課程培育中起著承上啟下的作用。由于該課程的重要性和學(xué)習(xí)難度大的特點(diǎn)，圍繞著該課程的教學(xué)探討一直持續(xù)不斷。EDA技術(shù)作為一種新的教學(xué)手段，已經(jīng)引入到現(xiàn)代教育的各個(gè)領(lǐng)域[2]，探討如何將其與模擬電子技術(shù)教學(xué)更好地結(jié)合具有一定教學(xué)改革意義。

2.模擬電子技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)中的問題

模擬電子技術(shù)的特點(diǎn)一是理論性強(qiáng)，理論知識(shí)講解中很多概念原理抽象，電路種類復(fù)雜繁多，很多學(xué)生覺得難以理解。二是實(shí)踐性強(qiáng)。模擬電路需要?jiǎng)邮址治鲈O(shè)計(jì)才能加強(qiáng)對(duì)理論的理解和應(yīng)用，而如何對(duì)模擬電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)許多學(xué)生無所適從。采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，形式單一，教學(xué)效果低下，很大程度上打擊了學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)積極性。

因此，將EDA仿真軟件應(yīng)用于模擬電子技術(shù)理論和實(shí)踐教學(xué)，提出一種基于EDA仿真平臺(tái)的理論分析與仿真分析相輔相成、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式。通過仿真電路和波形顯示，加深學(xué)生對(duì)理論的理解，有效解決模擬電子技術(shù)理論概念抽象，電路分析復(fù)雜的難題。同時(shí)通過EDA技術(shù)的引入，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行基本電路的分析和設(shè)計(jì)，為實(shí)際電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

3.EDA技術(shù)在模擬電子技術(shù)理論教學(xué)中的應(yīng)用

EDA即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，以計(jì)算機(jī)和仿真軟件為工具，可以完成整個(gè)電路從系統(tǒng)級(jí)到物理級(jí)的設(shè)計(jì)與分析。常用仿真軟件有Matlab、Protel、Multisim和PSpice等，考慮到Multisim先進(jìn)的電路仿真和設(shè)計(jì)功能[3]且一年級(jí)時(shí)曾作為學(xué)生的自修課程，本次教學(xué)研究采用Multisim軟件。

在模擬電子技術(shù)的理論教學(xué)中，對(duì)于那些概念分析抽象、不易理解的部分，利用Multisim，教師可以構(gòu)建電子電路模型進(jìn)行仿真演示，通過波形圖和數(shù)據(jù)直觀展示各種參數(shù)變化和虛擬故障對(duì)電路靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能的影響，具體而又生動(dòng)，不僅可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果。

例如在模擬電子教學(xué)中第一次講解共射放大電路時(shí)，很多同學(xué)對(duì)放大線路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的波形分不清楚，不知道直流信號(hào)和交流信號(hào)如何疊加在同一個(gè)電路中，電路中各節(jié)點(diǎn)信號(hào)的相位關(guān)系如何覺得難以理解。傳統(tǒng)教學(xué)中，僅僅靠在黑板上畫圖講解，教師難講，學(xué)生難懂，費(fèi)事費(fèi)力效果卻不好。現(xiàn)在針對(duì)這個(gè)問題，教師可以通過Multisim搭建基本共射放大電路模型，設(shè)置模型參數(shù)，觀察仿真波形，仿真電路和波形圖如圖1、圖2所示。從圖2中看以明顯看出，共射電路輸入信號(hào)（節(jié)點(diǎn)2波形）和輸出信號(hào)（節(jié)點(diǎn)5波形）的反相關(guān)系，并且根據(jù)波形的峰值可以直接算出電路的電壓放大倍數(shù)。節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)4波形是靜態(tài)工作點(diǎn)電壓和交流信號(hào)疊加信號(hào)，c1和c2兩個(gè)電容起到隔直作用。通過Multisim軟件的演示過程，直接把抽象的理論轉(zhuǎn)化成直觀的視覺感受，電路各點(diǎn)波形在學(xué)生的腦海里留下深刻的印象，教學(xué)效果事半功倍。

圖1 單管共射放大電路

圖2 電路各節(jié)點(diǎn)電壓波形

教學(xué)過程的前期，可以在課堂上現(xiàn)場(chǎng)建立電路模型，演示如何進(jìn)行仿真，讓學(xué)生逐漸掌握Multisim的使用。在教學(xué)過程的中后期，隨著學(xué)生對(duì)Multisim軟件的熟悉，為了節(jié)約課堂時(shí)間，可以事先把教材中需要講解的電路模型搭建好，用到時(shí)直接調(diào)用即可。通過這種理論教學(xué)和軟件演示相輔相成的教學(xué)方式，使得學(xué)生把電路原理、工作波形和數(shù)學(xué)關(guān)系等緊密結(jié)合在一起，全面掌握模擬電路的基礎(chǔ)理論，更好地理解這門課程。

4.EDA技術(shù)在模擬電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

模擬電子技術(shù)在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，實(shí)踐教學(xué)基本都是基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)是安全、便于操作，但是平臺(tái)電路有限，只能覆蓋課程教學(xué)中一部分基礎(chǔ)電路，基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)基本都是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，且操作過程中平臺(tái)電路元件易損壞，不能很好地達(dá)到鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的目的。這就使得學(xué)校教學(xué)比工程實(shí)際滯后，不利于工科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，造成學(xué)生眼高手低，進(jìn)一步影響學(xué)生的就業(yè)和發(fā)展。

因此，模擬電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中引入仿真軟件，將平臺(tái)實(shí)驗(yàn)和軟件虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合，先采用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，后平臺(tái)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際電路搭建，既加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論的理解，又突出了學(xué)生的動(dòng)手能力。

實(shí)踐教學(xué)分成兩部分，第一部分是基本電路的驗(yàn)證和演示實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)書本基礎(chǔ)理論的理解。該部分實(shí)驗(yàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，學(xué)生主要在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行操作，同時(shí)以Multisim仿真為輔，對(duì)一些在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上難以操作的部分進(jìn)行仿真驗(yàn)證。如研究靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)電路動(dòng)態(tài)性能的影響，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作只能觀察電路中的一個(gè)電阻參數(shù)改變對(duì)電路輸出波形的影響，而在虛擬仿真平臺(tái)上，可以對(duì)電路中所有涉及到靜態(tài)工作點(diǎn)的元件參數(shù)進(jìn)行更改，進(jìn)而觀察電路波形的變化，并且還可以連續(xù)改變?cè)?shù)對(duì)波形的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。第二部分是模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生自己分析設(shè)計(jì)一個(gè)較大規(guī)模復(fù)雜模擬電路，給出嚴(yán)格的設(shè)計(jì)思路、理論推導(dǎo)和元件選型依據(jù)，在仿真軟件平臺(tái)上搭建出具體電路模型并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，然后進(jìn)行實(shí)際電路焊接，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生對(duì)模擬電路的認(rèn)識(shí)分析能力和創(chuàng)造能力。

5.結(jié)論

本文在模擬電子技術(shù)教學(xué)中引入EDA技術(shù)，探索教學(xué)改革創(chuàng)新的新手段，將仿真演示融入理論教學(xué)，把平臺(tái)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，為課程教學(xué)提供了一種新的思路和模式，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]晏菁.模擬電子技術(shù)課程在高等教學(xué)中的改革與思考[J].中國(guó)成人教育，2008，6：174-175.

[2]李余慶. EDA技術(shù)在《電力電子技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技信息，2013（7）：27+68.

[3]于京生.Multisim仿真軟件在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].石家莊學(xué)院學(xué)報(bào)，13（6）：46-50.

基金項(xiàng)目：財(cái)政部第六批高等學(xué)校特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：TS12146）“2011年安徽省省級(jí)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目”。

作者簡(jiǎn)介：王冬菊 （1979—），安徽蕪湖人，碩士，講師，主要研究方向：智能算法，優(yōu)化。