eda仿真技術設計在實驗課程的應用

1、<p>　　EDA仿真技術設計在實驗課程的應用</p><p>　　摘要： 虛擬技術的發(fā)展使電子線路的分析設計過程得以在計算機上輕松、準確、快捷地完成。這樣，一方面克服了實驗室在元器件和規(guī)格上的限制，避免了損壞儀器等不利因素，另一方面使得實驗不受時間及空間的限制，從而促進電子線路實驗教學的現(xiàn)代化。</p><p>　　關鍵詞：EDA仿真 電子技術 實驗教學應用 創(chuàng)新教學</

2、p><p>　　一．電子線路虛擬實驗概述</p><p>　　虛擬技術是近年發(fā)展起來的，利用計算機模仿真實過程的實用技術。電子線路虛擬實驗是利用計算機構造一個實驗模擬環(huán)境，通過電路的建立和對數(shù)據(jù)與電路功能的分析，達到實驗效果和目的的一種新的實驗方法。EDA技術是一種以計算機為基本工作平臺，以高級語言描述、具有系統(tǒng)級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設計和實訓的工具。通常工具軟件的元器件庫儲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，儀器庫則有萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換等儀器，接通開關就可以進行和實物實驗一樣的測試分析了。但這類軟件的缺點是元件均是以電路符號實現(xiàn)的,與實物試驗差別很大.我們所完成的多媒體電子技術實驗系統(tǒng)軟件的突出優(yōu)點是:元件及儀表均以實物形式重現(xiàn),直觀

4、性強,可操作性高。它不僅為電子技術設計人員提供了“自頂向下”的設計理念，同時也為教學提供了一個極為便捷的、科學的實驗教學平臺。電工電子類專業(yè)課程中的電工基礎、模擬電子技術、數(shù)字電子技術都可以通過EDA仿真軟件，進行電路圖的繪制、設計、仿真試驗和分析。應該說將EDA仿真軟件應用到電工、電子類專業(yè)的教學中是一種教學手段的創(chuàng)新，也是提高教學質(zhì)量的優(yōu)選方法。</p><p>　　二．電子線路虛擬實驗的實現(xiàn)</p&g

5、t;<p>　　2.1實行虛擬實驗的必要性</p><p>　　電子線路是一門較為抽象的理論型課程。在學習電路理論時必須理論聯(lián)系實際，抓好教學中的實驗環(huán)節(jié)，讓學生能根據(jù)自己的實際情況，結合教師的教學要求進行實驗操作，驗證所學到的電路原理。但是，學生在實驗中出現(xiàn)的種種現(xiàn)象又不盡人意，暴露了傳統(tǒng)實物實驗的一些固有缺陷。例如：</p><p>　　（1）學生不熟悉電路連接，還沒有掌

6、握好錫焊技術，所以連接電路時極易出錯。</p><p>　?。?）電路連接錯誤，易造成電子元器件及測試儀器的損壞。學生不熟悉儀器操作也是造成儀器容易損壞的原因。</p><p>　?。?）學生不能根據(jù)自己的學習進度安排實驗時間，更不能像做家庭作業(yè)一樣在課余時間進行練習。有限的教學時數(shù)與學生技能的提高矛盾突出。</p><p>　　（4）實驗的元器件離散性大，環(huán)境變化

7、引起的溫漂、干擾等因素會造成實驗數(shù)據(jù)的偏差。</p><p>　?。?）傳統(tǒng)的電子技術實驗是以實物為主的，設備易磨損老化，需要定期更新；教學實驗室的設備配置與教學大綱的教學要求相對應，隨著教學要求的提高及電子技術的飛速發(fā)展，實驗設備的技術水平也不斷提高，數(shù)量也要有所增加，這要消耗我們有限的教學經(jīng)費。</p><p>　　EDA技術恰好能夠彌補實驗的不足。它的優(yōu)點是：</p>

8、<p>　?。?）在計算機上即可完成和實現(xiàn)電路的電氣連接，檢測電路的電性能。例如，顯示檢測點的電壓電流波形及對電路進行直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析等多種分析，及時獲得實驗結果。</p><p>　?。?）評估元器件參數(shù)變化（包括故障）對電路造成的影響。分析一些較難測量的電路特性，如進行噪聲（Noise）、頻譜（Fourier）、器件靈敏度（Sensitivity）、溫度特性（Temperat

9、ure）分析等。</p><p>　?。?）可以在短暫的實驗時間里快速完成較復雜的電路連接、測試工作。</p><p>　?。?）可以很容易地實現(xiàn)對學生的量化評估。</p><p><b>　　2.2實驗室的建構</b></p><p>　　作為傳統(tǒng)電子技術實驗的補充，使學生初步掌握仿真軟件技術，可使實驗內(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的知識點，將課堂內(nèi)容具體化。一方面繼承實物實驗可操作性、參與性強的優(yōu)點，另一方面又可利用計算機優(yōu)勢，發(fā)揮其直觀、動態(tài)模擬、迅速準確、資源共享、資金投入量少等特點，從而建立一種新型的實驗教學方式，進一步提高教學效率。系統(tǒng)配置是：一臺多媒體計算機+多媒體電子技術實驗系統(tǒng)應用軟件。</p><p>　　三、Multisim2001在實驗教學中的應用</p><p&g

11、t;　　現(xiàn)以“設計直流穩(wěn)壓電源”為例，說明具體實驗在虛擬實驗室中是怎樣開展的。實驗中進行了一系列參數(shù)設置、波形觀察和數(shù)據(jù)讀取，以驗證虛擬實驗的可操作性。</p><p>　　試用三端式穩(wěn)壓器設計并制作一直流穩(wěn)壓電源，指標要求如下：</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)；</p><p>　　其他指標要求同三端式穩(wěn)壓器。</p><p>　　設計與制作步驟如下：</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，輸入、輸出電壓差為2~

13、3V。電路中接電容C2、C3用來實現(xiàn)頻率補償，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是保護二極管，當輸入端短路時，給輸出電容器C3一個放電通路，防止C3兩端電壓作用于調(diào)整管的b-e結，造成調(diào)整管b-e結擊穿而損壞。</p><p><b>　　元器件及參數(shù)選擇</b></p><p>　　

14、注意，這里的元器件應為實元器件，設計和計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要求。</p><p>　　（2）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的取值決定了相關元器件及參數(shù)的選擇。一般情況下，U1應比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，最終取U1=13.5V。</p><p>　　根據(jù)公式可取變壓器次級電壓有效值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，實際應選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，應選電解電容。受規(guī)格的限制，實際的容量應選為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>　　特別應該指出的是，電容濾波使電路被接通的一瞬間整流管的實際電流遠大于Iomax。如果IF較小，很可能在電路被接通時就損壞，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，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計后，在對電路進行仿真調(diào)試，目的是為了觀察和測量電路的性能指標并調(diào)整部分元器件參數(shù)，從而達到各項指標的要求。</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。電路中各元器件應為實元件。</p>

21、<p>　　測量輸出電壓和最大輸出電流并判別是否滿足指標要求，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，應進行相應的調(diào)整。</p><p>　　測量輸出紋波電壓并判斷是否滿足指標要求，如不滿足，則應加大濾波電容值</p><p>　　其他指標與三端穩(wěn)壓器相同，一般無須測量。</p><p>　　4)PCB

22、圖設計與生成</p><p>　　由仿真電路直接生成網(wǎng)絡表</p><p>　　調(diào)用Protel-PCB，并進行元器件合理布局</p><p>　　調(diào)用網(wǎng)絡表，并自動布線。</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）實際電路測試與改進</p><p>　　四、充分發(fā)揮EDA仿真技術在教學中的應用，培養(yǎng)更多適應新技術要求的人才。 基于上述理念，現(xiàn)代教育的職能已成為為學習者服務，為用人單位服務。人才需求的變化，技術的發(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。這一意識

24、必須是科學的、嶄新的、快速的、甚至是跳躍的。特別是技工學校人才的培養(yǎng)需要有掌握新技術的專業(yè)教師，還要有新技術的設備才能滿足人才培養(yǎng)的要求。新技術、新設備的大量投入可能會影響到進入人才市場最前沿的機遇。這就需要我們思維創(chuàng)新，教學手段創(chuàng)新。本作者認為學校實驗教學就應該以EDA仿真技術為突破口，引入計算機輔助教學手段。將被譽為當代十大杰出工程技術之一的CAD（計算機輔助設計）技術完全的引入到各專業(yè)的教學中，如電工電子專業(yè)、機械制造專業(yè)、汽車等

25、專業(yè)的仿真技術化。利用計算機各種強大功能，實現(xiàn)教學形象化、多媒體化、各科的仿真技術化。利用計算機各種軟件功能制作多媒體課件，取代原始的教學設備，提高教學的質(zhì)量，解決部分實踐性環(huán)節(jié)教學難題，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仿真技術的先進性、實用性和通用性，因此它必將引領今后的實驗教學的發(fā)展方向，對實驗教學方法和手段的改革起到推動作用。</p><p>