虛擬仿真在電子與信息技術專業教學中的應用研究

陳長春 李木清 黃銀資

摘 ?要 在分析職業學校電子專業教學現狀及EDA技術在教學中的優勢的基礎上，通過實例闡述虛擬仿真技術在電子與信息技術專業教學中的應用，以期為一線教學提供借鑒和參考。

關鍵詞 電子與信息技術;虛擬仿真技術;電子產品自動化設計平臺;EDA;Multisim;Proteus

中圖分類號：G712 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）11-0031-04

1 前言

虛擬仿真技術是一種利用計算機軟件構建的虛擬環境來模仿真實環境之技術。電子工程領域常用的仿真技術是電子產品自動化設計平臺（Electronics Design Auto-mation），簡稱EDA。目前，許多EDA軟件不僅可以用于電子產品的電路設計和印制電路板制作，而且具有電路分析、電路仿真等多種功能，因此又被稱為電子工程師虛擬實驗室，在電子信息科研和教學實踐中得到廣泛應用。

2 電子與信息技術專業教學現狀分析

電子與信息技術專業是一個理論性和實踐性很強的專業。當前職業學校電子專業課程的教學基本上都采用單向傳授、被動接受的填鴨式傳統教學模式，教學內容枯燥而抽象。由于教學對象學習基礎較差，分析能力和思維能力欠缺，這種教學模式也造成大多數學生不想學或學不好，更不談不上創新能力的培養。在教學活動中，教師通常采用一些演示實驗來增強學生對知識的理解，但是由于電子電路的復雜性和電子元件的細微性，往往存在演示不直觀、耗費時間過長或是實驗硬件配置不足等問題，從而影響了課堂教學效率，難以達到預期效果。

3 電子與信息技術專業常用的EDA軟件及其特點

電子技術領域能實現電路設計和仿真的軟件很多，在我國具有代表性的主要有澳大利亞Altium公司推出的Pro-tel、Altium Designer，英國Lab Center Electronics公司開發的Proteus，美國國家儀器（NI）公司的Multisim和LabVIEW。這些軟件具有操作界面直觀、元器件庫豐富、儀表儀器多樣、電路仿真功能強大等特點，因此，不僅是電子工程師設計電路和制作PCB必備的工具，還是各院校教學和中等職業學校技能大賽中相關賽項的指定軟件。

Multisim繪制電路方便、操作簡單、數據分析直觀，軟件中的3D組件、視聽演示以及元件故障預設功能，不僅能有效提升學生的實踐創新能力，還能激發學生的學習興趣;Altium公司的Protel和Altium Designer在電路原理圖的繪制、自動布線和PCB設計制作方面表現較強;Proteus軟件不僅具備電子電路的設計、電路分析、PCB自動布線和電路仿真功能，在數字電路、單片機仿真和嵌入式系統開發方面更是技高一籌。

4 仿真技術在教學中的應用

據上所述，不同的EAD軟件功能有所區別。在教學中，教師可以根據不同學科或知識內容選擇相應的軟件，將仿真技術融入教學相關環節，如設計電路、分析原理、演示功能、測試參數等;學生也可以利用仿真軟件來練習電路搭接、原理分析、數據與定理驗證、簡單電路設計等工作。

Multisim在教學中的應用 ?推薦版本：Multisim 14.0。

Multisim 14.0是基于Windows的EAD仿真工具，軟件不僅具備大量的電氣和電子組件，還提供了多樣化的指示器和標準化仿真分析儀，具有良好的圖形輸入界面、強大的電路設計和電路仿真能力，對電路基礎、電子線路、電子產品設計安裝與調試等學科的電路都能進行建模和仿真。下面用兩個案例來說明。

1）三極管VA特性曲線的仿真與測試。晶體管是構成電子電路的最基本的元件之一。三極管的VA特性既是教學中的重點，也是教學難點，應用傳統VA實驗法授課存在電路連接耗時長、故障率高、測試數據不易調整、測量誤差大等問題，不妨借助Multisim仿真來解決。

利用Multisim 14.0仿真晶體管的VA特性主要有晶體管圖示儀測試、IV分析儀測試、直流掃描測試和VA法測試四種方法。其中，晶體管圖示儀測試操作簡單，但不能仿真三極管的輸入特性;IV分析法僅能仿真VCE=0 V的輸入特性曲線;VA法比較煩瑣，不利于教師演示講解，但非常適用于學生在課后做驗證性實驗，讓學生通過操作、讀數和畫圖獲得特性曲線，更好地理解三極管的電流放大作用，進一步培養學生的分析理解能力;直流掃描分析法是一種比較全面的分析方法，教學中采用該方法較為理想，操作方法如下。

①輸入特性曲線。在Multisim 14.0設計界面中創建圖1所示電路，點擊菜單欄仿真下的analyses and simula-

tion或工具欄中的interactive simulation圖標，在對話框中選擇直流掃描→分析參數標簽。這里將VBE作為橫坐標（將源1設為V1），VCE作為第二變量（將源2設為V2并勾選使用源2），再設置好源1和源2的仿真電壓起始和停止值以及增量（本例取VBE為0～1.2 V，增量為0.01 V;VCE

為0～3 V，增量為0.5 V），點擊輸出標簽，選擇輸出變量（縱坐標）為IB，按添加按鈕將其添加到輸出變量中，點擊Run，即可得到三極管不同VCE時的輸入特性曲線，如圖2所示。

②輸出特性曲線。將圖1中的電壓源V1改為電流源IB，并適當增大V2電壓（如圖3所示），打開直流掃描，將VCE作為橫坐標（源1設為V2），IB作為第二變量（源2設為IB），調整好VCE和IB的仿真參數（本例取VCE為0～8 V，增量為0.1 V;IB為0～100 μA，增量為20 μA）和輸出變量IC，點擊Run，即可得到三極管不同IB時的輸出特性曲線，仿真結果如圖4所示。

2）OTL功率放大器的仿真與測試。功率放大器在日常生活中應用十分廣泛，用Multisim提供的仿真環境開展教學，可以使學生更好地理解功放電路的原理，掌握功放電路的分析與檢測方法，提高學生的電路排故能力。首先，在Multisim 14.0的設計窗口創建一個OTL功放電路，在引領學生認識電路的基礎上連接好相關儀器，如圖5所示。

①直流參數分析。OTL電路主要直流參數有中點電位和功放級的靜電流。中點電位主要用于衡量輸出波形峰值的對稱性，功放級靜態電流用于改善交越失真和電路效率，功放級靜態電流過小，電路存在交越失真;電流過大則電路效率低。

圖5中，RW1為中點電位調整元件，RW2用來調整管靜態電流。首先調整RW1，使U3=UCC/2;再調整RW2，使推動管Q2發射結偏置電壓約為0.5 V，仿真調整后的參數如表1所示。打開analyses and simulation中的直流分析工具，可以看到電路相應的直流參數，如圖6所示。此時功放管Q4、Q5的靜態電流很小，三極管處于微導通狀態，電路效率較高。

②交越失真分析。給放大器輸入f=1 kHz，Vp=5 mV的正弦信號，仿真后發現電路還存在一定的交越失真，說明功放管子的導通角偏小，此時用失真分析儀XDA測得失真度為0.69%。增大RW2，觀察示波器可以發現，當Q2管的VBE動態電壓達到0.52 V時，交越失真消失，XDA指示的失真度為4.5%。

③觀察自舉電路的作用。在上例中，斷開自舉電容C2，用示波器觀察，發現輸出電壓峰值從原來的6.35 V下降到1.12 V，實測輸出功率從2.74 W下降8.83 mW。由此可知，自舉電路能提高電路的功率增益。

④觀察輸出耦合電容的作用。教材中提出C4的主要作用是耦合和充當半電源。將電容器C4短接，示波器的電壓類型選擇直流，此時會發現輸出波形向上位移9 V。由此可知，沒有C4隔直，負載RL兩端包含有9 V的直流成分，這樣就很容易把揚聲器燒壞。至于C4充當電源的作用，在波形中無法體現，但斷開Q5，發現輸出波形沒有改變，說明如果沒有C4，Q5是不會工作的，從而反證了C4充當電源的作用。同時，通過仿真還可以驗證C4過小造成輸出信號減小以及產生嚴重失真的情況，得出功放電路的輸出耦合電容應足夠大。

⑤分析功放電路性能。功放電路性能一般包括放大器的頻率響應、輸入輸出電阻、最大不失真輸出功率、電路轉換效率等。

a.放大器的頻率響應。利用Multisim提供的波特測試儀XBP，可以很方便地測出放大器的幅頻特性和相頻特性。在本例中將測試儀的IN+接OTL電路的輸入端，OUT+接電路輸出端，雙擊XBP將頻率范圍設為I/1 kHz，F/200 MHz。點擊幅值，可以得到該放大器的最大增益64 dB。實測，fBW=1.12 M+78.5 Hz≈1.2 M。由此可知，該功放基本上能滿足音頻放大要求。在對話框中點擊相位，即可獲得該放大器的相頻特性，實測該放大器對1 kHz信號的相移為145°。

b.最大不失真輸出功率與電路轉換效率。在上例中取負載電阻為8 Ω，將失真度控制在5%，利用相應的儀表儀器測得功放級不同靜態電流條件下的最大不失真輸出功率和電路轉換效率，如表2所示。

由以上測試獲得的數據及計算結果可知，功放管Q點較低時，電路效率較高，與乙類功放電路的理想值78.5%比較接近;但輸出信號存在交越失真現象，且輸入信號越

小，失真越嚴重。為獲得更好的電路性能，必須犧牲一定的電路效率來消除交越失真。在本電路中將功放級電流調至

130 mA時，示波器顯示小信號交越失真完全消失，此時電路獲得的最大功率為3.89 W，電路效率達到62.6%。

⑥電路驗證。利用LabVIEW儀器中的麥克風和揚聲器，可以驗證OTL電路的工作情況。如果功放電路正常，在設置好相關參數后，運行仿真便可以聽到麥克風的錄制聲音，這樣更能體現仿真的真實性，從而提高學生的學習興趣。

Protues在教學中的應用 ?Proteus軟件不僅在電子電路的設計、電路仿真和PCB自動布線方面表現出色，還提供多種主流MCU和豐富的通用外設模型，如LCD顯示模塊、數碼管顯示模塊、LED點陣、鍵盤按鍵、步進電機、電子溫度計、I/O口擴展等，并支持RS232、虛擬終端以及與計算機的雙向通信，可以更好地實現單片機原理、嵌入式系統等課程的仿真分析。該軟件自帶編程器，與第三方主流編程工具（如Keil、IAR）的兼容性也很好，從而為相應課程的仿真與分析創造了良好的條件。同時，軟件中的邏輯動畫和斷點調試功能對程序分析與調試也有很大的幫助。

在傳統的單片機教學中，學生使用的一般都是實驗箱或實驗模塊，內部電路均已連接好，只要進行簡單的端口連線，程序編寫也是在教師指導下完成，不利于培養創新能力。利用虛擬仿真教學可使該問題得到圓滿解決。圖7是利用Protues 8.0構建的DS18B20溫度檢測系統，教師可以利用仿真讓學生在計算機上完成電路作圖，理解溫度檢測電路原理，并基于電路編寫程序，利用仿真驗證程序書寫的正確性。在修改程序時，還可以通過觀察仿真電路中器件引腳的邏輯狀態來確定程序的錯誤語句的位置。

目前，我國參加單片機技能大賽的選手使用的是YL-236考核裝置，該裝置采用模塊式結構，學生對模塊內部電路的組成缺乏理解，在程序編寫和調試上受到一定的制約。指導教師可以將設備的相關模塊制作成仿真電路，這樣不僅可以增進學生對模塊結構的理解，還可以讓選手將實驗平臺裝進U盤，以隨時隨地學習，提高賽前訓練效率。

5 結語

職業教育擔負著為社會培養高素質技術人才的使命，提高課堂教學質量和教學效率也是一線教師追求的目標。教學實踐證明，將EDA虛擬仿真引入電子與信息技術專業課堂，不僅可以有效解決學校實訓設備和實驗條件難以滿足教學要求的問題，而且軟件中多樣化的電子元器件和齊全的電路分析工具，還能幫助師生更快更好地連接和分析電路，節省大量的課堂操作時間，提高教學效率。同時，虛擬仿真還有利于通過網絡構建輕松活潑的師生互動平臺，改變以往的“單向傳授，被動接受”教學模式，讓學生通過邊做、邊學，第一時間獲取工作信息，更好地提升動手能力和創新能力，激發學習興趣，真正走上樂學之道?？傊?，將仿真技術應用于電子專業相關課程教學，對于培養學生的創新思維能力、全面提升學生的專業素質具有重要意義。

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