软件模拟技术分析

软件模拟技术分析（精选九篇）

软件模拟技术分析 篇1

1 NAT技术简介

NAT是指为了实现内外网络之间的通信而将IP数据报中的一个IP地址转换为另一个IP地址的过程。NAT包括静态NAT和动态NAT两种。NPAT也被称为“多对一”的NAT, 或者叫PAT (Port Address Translation, 端口地址转换) 、NPAT (Network Address Port Translation, 网络端口地址转换) 、地址超载 (Address Overloading) 。使用PAT, 可以让多个内网设备使用一个IP地址同时访问外网。PAT设备通过对转换表中的TCP和UDP端口号进行映射来区分不同的会话。

1.1 静态NAT

静态NAT将一个特定的内部本地地址 (Inside Local Address) 静态映射到一个内部全局地址 (Inside Global Address) , 这意味着静态NAT中每一个被映射的内部本地地址, 一定对应着一个固定而且唯一的内部全局地址。在这种配置中, 内部本地地址和内部全局地址之间是一对一的关系, 这种方式不但可以让内网设备访问外网, 而且还可以让外网直接访问内网设备。在企业网的配置中, 一般来说, 从节约网络资源和安全的角度出发, 建议服务器配置静态NAT, 这样可以保障服务器的网速相对较快。

1.2 动态NAT

动态NAT又称为动态地址翻译 (Dynamic Address Translation) , 它是将内部本地地址与内部全局地址作一对一的替换。内部全局地址以地址池的形式供选择, 内部本地地址只要符合访问外网的条件, 在进行地址转换时, 就从地址池中动态地选取最小的还没分配的内部全局地址来替换, 在这种配置中, 内部本地地址和内部全局地址之间是多对多的关系, 这种方式可以让内网设备访问外网, 但外网不能直接访问内网设备, 因为不同时段同一台主机和外网设备间所建立的TCP连接会有所不同, 相对于静态NAT, 动态NAT不但节约成本, 而且在一定程度上提高了内网计算机的安全性。

1.3 NAPT或NPAT

NAPT是基于端口的动态NAT配置, 通常可以称为“多路复用技术”, 在这种配置中, 内部本地地址和内部全局地址之间是多对一的关系, 这种方式可以让内网设备访问外网, 但外网不能直接访问内网设备, NPAT可以用于地址伪装 (Address Masquerading) , 它可以让多个内网设备使用一个IP地址同时访问外网。在企业网的搭建中, 使用得最多的地址转换方式就是NPAT, 它不但节约网络资源和成本, 而且相对安全。

2 仿真模拟软件简介

本实验中为了教学方便及生动, 直接采用在仿真模拟设备Packet Tracer上进行实验设计与教学, 该模拟软件是思科公司研发的一款专门用于网络教学的软件, 深受广大网络教学者的喜爱, 可在软件的图形用户界面上直接使用拖曳方法建立网络拓扑, 支持大量的仿真模型, 如路由器、交换机、无线网络设备、服务器、各种连接线缆、终端等, 数据包传送采用实时模式和仿真模式, 仿真模式通过可视化模式显示数据包在网络中的传输过程, 使抽象的数据传输过程具体化[2]。

3 实验设计

本实验直接在模拟软件上搭建企业网络, 通过一个具体综合实例, 向学生讲解

NAT的配置, 拓扑图如图1所示:

3.1 网络基本概况

3.1.1 拓扑描述

本网络通过边界路由器模拟企业内网和外网, 在内网中, 主要有Web Server1服务器和两台PC机, 在外网中, 主要有一台服务器Web Server2, 路由器R2、R3。边界路由器R1上配置NAT功能, 允许授权的内网用户访问公网资源, 也允许公网用户访问内网资源。

3.1.2 IP地址分配

路由器R1作为企业出口路由器 (或边界路由器) , 一端配置静态内网IP, 一端配置公网IP地址, 企业内部采用私有地址, PC1、PC2、Web Server1服务器均配;路由器R2、R3、Web Server2服务器分配公网IP地址。

3.1.3 NAT功能描述

在边界路由器R1上配置NAT功能, 实现企业内外部通信。企业内部Web Server1服务器通过静态NAT转换, 实现对外网的访问;PC1、PC2使用动态NAT转换或NAPT端口多路复用技术, 实现对外网的访问。

3.2 NAT配置过程

在进行NAT配置之前, R1、R2、R3已分别进行了配置, 保证R1、R2、R3之间能够相互访问, R1上配置动态路由协议RIP协议, 但只公布外网网络地址, 不公布内网网络地址, 为了安全, 在进行NAT配置之前, 只让内网可以访问外网, 外网不能访问内网。

3.2.1 静态NAT配置

将Web Server1服务器的内网IP地址转换为外网地址, 即192.168.0.2/24转换为202.2.12.2/24, 使外部网络能访问内部网络中的服务器, 同时, 内部网络也能够访问外部网络服务器, 具体配置命令如下:

在以上配置中, “ip nat inside source static 192.168.0.2202.2.12.2”表示内网IP“192.168.0.2”对应到内部全局地址“202.2.12.2”, 配置完毕之后, Web Server1访问外网, NAT首先把其IP地址192.168.0.2转换为内部全局地址, 然后通过202.2.12.2来访问外网, 所以对于外网来说, Web Server1的IP地址犹如202.2.12.2, 而外网访问202.2.12.2时, 访问的就是Web Server1服务器。配置中, 从NAT的角度来分析, 内部全局地址202.2.12.2和内网IP地址192.168.0.2是一对一的关系。

3.2.2 动态NAT设置

企业内部IP地址192.168.0.0转换为公网地址, 使得PC2、PC3可以访问公网, 将192.168.0.0/24转换到202.2.12.5/24~202.2.12.10/24, 具体配置命令如下:

配置结束后, 能实现PC2、PC3对外网的访问, 但如果动态NAT地址池中没有足够的地址作为动态映射, 则提示NAT转换失败, 并丢弃数据包。可使用命令ip nat translation timeout来修改NAT的超时时间, 其中timeout值范围为0~2147 483秒。

3.2.3 动态NAPT (端口多路复用) 配置

可以取消动态NAT设置, 重新配置端口多路复用。

通过以上配置, 就可以实现企业内部网络和外部网路互访。在Cisco路由器上, NAT将首先复用地址池中的第一个地址, 直到达到能力极限, 然后再移至第二个地址, 并且依次类推。如果需要转换的主机数量不是很多, 可以直接使用outside接口地址配置NAT过载, 不必定义地址池, 即上述的第一种方式。当多个本地IP都被映射到同一个内部全局地址时, 使用端口号区分各个本地主机的数据信息。

3.3 NAT测试与验证

3.3.1 静态NAT的测试

在Web Server2服务器中使用命令ping 202.2.12.2或tracert 202.2.12.2可以观察到, Web Server2访问的是Web Server1, 而不是PC1或PC2, 且在测试的过程中, Web Server2服务器不能直接ping 192.168.0.2, 要通过202.2.12.2进行转换, 这是学生经常会出现的错误。

还可以使用命令debug ip nat或show ip nat translations查看地址转换情况, 还可以通过show ip nat statistics查看NAT转换的统计信息。

3.3.2 动态NAT的测试

动态NAT的测试方法和静态NAT的测试方法相同, 在测试的过程中, 还可以开启Debug IP NAT来监测IP地址的转换情况, 可以看出动态NAT中不同时刻同一台主机所转换的IP地址有所不同, 在动态NAPT中, 转换时主要是通过端口来区分。

4 结语

本文利用思科模拟仿真软件讲解了NAT技术, 给出了具体配置命令。在实际教学中, 采用此仿真软件, 学生不仅强化了理论知识的学习, 提高了学习兴趣, 培养了综合运用所学知识的能力, 老师也避免了实际设备配置的不确定性, 学校节省了设备投资, 达到了多赢的目的[3]。通过企业网综合配置实例, 使学生快速掌握了NAT技术, 为学习网络搭建相关课程奠定了一定的基础。

参考文献

[1]陈欣.NAT技术在企业网中的研究与应用[J].计算机光盘软件与应用, 2013 (17) :86.

[2]胡朝贵, 孟丽.浅析IPSec VPN及使用Packet Tracer仿真配置实现[J].电子制作, 2013 (9) :161.

软件模拟技术分析 篇2

摘 要： 本文介绍了仿真软件在模拟电子技术课程教学环节中的一些做法，通过仿真虚拟实验平台与理论有机结合的教学手段，对培养学生创造性思维能力，改善了教学手段，丰富了教学内容，提高了课堂教学效率，具有极其重要的作用，使大家认识到仿真软件在模拟电子技术教学中有着广阔的应用前景。

摘 要： 本文介绍了仿真软件在模拟电子技术课程教学环节中的一些做法，通过仿真虚拟实验平台与理论有机结合的教学手段，对培养学生创造性思维能力，改善了教学手段，丰富了教学内容，提高了课堂教学效率，具有极其重要的作用，使大家认识到仿真软件在模拟电子技术教学中有着广阔的应用前景。

关键词：仿真软件 模拟电子技术 虚拟实验平台 应用

电子课程教学是以理论课教学、课程实验和课程设计等教学环节构成。我们在教学实践过程中，如果结合理论教学的进程，利用仿真软件在计算机上进行模拟电子电路实验和电路设计的仿真，作为教学的补充，既帮助学生更好地理解电子技术的理论知识，又能确保课程实验电路参数的正确性，还为设计者免去了重复“制作—修改—再制作—再修改”的重复劳动，可以取得良好的教学效果。实践证明，这种教学、设计手段的运用，有助于增强学生感性认识，培养学生创新能力、计算机应用能力和实际动手能力。我现介绍我院将仿真软件应用于模拟电子技术课程教学中的实际做法。

1.将虚拟仿真引入课堂，进行演示实验，提高课堂教学效率

过去主要是理论课教学，过于注重原理分析、公式推导，学生听起来枯燥无味，难于理解。为了提高教学效率，需要配合演示实验。但准备演示实验，需要花费较多时间；将多种仪器搬到教室，使用不便；演示操作过程，会占用过多时间，影响教学进度。

现在我们将仿真软件的虚拟实验功能引进课堂，在讲解理论的同时，利用多媒体同步演示，显示实验结果，使一些抽象的概念形象化、直观化、简单化，弥补了理论上的抽象性。下面是我们具体应用仿真软件来仿真的两个实例。

在模拟电路中讲授振荡电路的起振时，通过电路的正反馈作用，输出信号就会逐渐由小变大，当振荡幅度增大到一定的程度后，由于三极管的限幅作用，最后使得输出的波形稳定。学生很难理解，用现有的仪器根本就不能显示出起振的波形来，现在利用protel仿真显示出波形（图2），振荡器起振的过程非常直观，还能看出这种振荡电路的波形存在较大的失真，但振荡波形较稳定。如果对波形失真要求较高，则需要采用改进型号振荡电路，即克拉泼或者西勒振荡电路。这种教学模式生动活泼，学生自始至终保持着极高的学习兴趣，加深了理解和记忆，有效地提高了课堂教学效率。

2.开设仿真实验，改革实验教学方法，提高实验教学质量

电子技术课是一门实践性很强的课程，理论学习必须紧密地与实践结合起来。以往，实践环节主要是上实验课，实验内容多为验证性实验，设计性、综合性实验较少。

软件模拟技术分析 篇3

摘要：高职模拟电子技术课程是一门电类各专业的核心课程，课程抽象的理论知识学生很难学好，如何使抽象的知识变得直观易懂，也成为从事模拟电子课程教学的教师所探讨的主要问题，本文针对此问题推荐使用Multisim软件来教学，通过作者多年在模拟电子技术教学中的摸索和实验，收到了很好的效果，使模拟电子技术不再难学和难教。

关键词：高职 模拟电子技术 Multisim软件

模拟电子技术课程是高职电类各专业的核心基础课程，是学习后续专业课程以及今后从事相关工作必需的基础和技能。模拟电子技术课程的特点是内容较抽象，学生入门困难，提不起学习的兴趣，以致模电的知识缺乏，后续课程学习更加困难，最后导致在实际工作中不能胜任相应的工作岗位。针对模拟电子技术的重要性以及其特点，许多老师也进行了相应的教学改革，增强了动手实践。作为高职院校电子信息专业的教师，从事模电的教学多年，也总结了许多的经验，感触最深的就是仿真软件在模电教学中的应用很重要，对学生学习模电激发了兴趣，使抽象的理论知识变得直观、生动、易懂。仿真软件很多，在这我推荐使用Multisim软件。

1 使抽象的理论知识变得直观易懂

模拟电子技术内容抽象，针对高职学生的素质和知识基础特点，引入仿真软件，可以在教学过程中随时进行试验模拟，使学生能够直观的看到试验结果，理解所学的知识。例如，模拟电子技术很重要的一个章节是放大电路，以往教师在进行讲解的过程中，主要是靠解说或者配有电路图，而整个过程需要学生在头脑中想象，对于高职的学生来说，本身的物理、数学知识就薄弱，所以很难理解这块知识。而引入仿真软件后，教师在讲课的过程中就可以边讲解边进行试验演示，实验结果一目了然，不需过多的解释，学生就自然明白了放大电路的放大原理和放大过程。放大电路有三种组态，分别是共射极电路、共基极电路和共集电极电路，这三种电路的放大功能各不相同，各自有各自的特点，如果让学生纯粹记忆的话，很容易弄混，不理解的记忆也会很快的忘记。引入仿真软件后，这三种电路的放大特点通过实验现象很容易就记住了，并且学生通过自己操作连接电路，对三种放大电路的特点也就记住了。所以仿真软件的引入大大提高了教学效率，并且也激发了学生的兴趣，使模拟电子技术课程不再是一门纯理论课，而变成一门实验技能课程。

2 使课程设计的制作过程更加简单

近几年高职院校教学改革，提出项目教学，让学生在“学中做、做中学”。为此，模拟电子技术的课程内容都寄托于每一个项目中，通过每个项目的实际制作来理解相关知识的具体应用。引入仿真软件，使制作项目的过程更加的简单，电路设计和调试过程变得不再繁琐，大大节约了产品制作成本和制作时间，提高了制作效率。例如，直流稳压电源的制作，这个项目涉及到三个模块，分别是整流电路、滤波电路和稳压电路。设计直流稳压电源电路时，采用仿真软件可以分模块的进行电路设计和调试，通过元器件的更换和参数设置，最终设计出直流稳压电源的电路，没有问题后，再购买元器件和进行制作，只要焊接工艺过关，结果就没有问题。这样就省去了对电路反复的测试和调试，也节约了大量时间，提高学习的效率和兴趣。学生通过仿真软件还可以提出各种设计电路，并能很快的通过测试观测结果是否正确，这样也提高了学生学习的兴趣和学以致用的成就感。同时提高了学生分析解决问题的能力和创新思维的培养。

3 使课程的学习不再局限于实训室和教室

高职院校的教育改革思路是坚持“以就业为导向、以能力为本位、以学生为主体”，重在培养学生的实践能力，理论知识以“必需、够用”为原则。为此，高职院校的课程学习一大部分从教室搬到了企业进行，但是实训室无法搬移实训室，这样就为课程的学习带来了许多不便，而仿真软件的使用恰到好处的解决了此类问题，学生只需一台电脑就可以把实训室带到企业或者校外等任何地方，为学生随时随地的学习和实验带来了方便。

4 仿真软件不能完全取代实践教学

Multisim仿真软件虽然能很好的辅助教学，激发学生电路设计的兴趣。但是仿真软件不能完全取代实践教学，它也有其不足和有待完善的地方。如果学生一味的只在仿真软件上做实验，那么学生就会缺乏对真实元器件的封装、性能检测等方面的知识。教师一定要协调好仿真软件和实践教学之间的关系，使仿真软件真正服务于教学，帮助学生理解理论知识，提高学习效率，激发电路设计兴趣。

5 结束语

Multisim软件以其强大的功能和丰富的内容为高职院校模拟电子技术的学习带来了方便，同时也为教师的教学提供了直观的教具，也为学院实训室的建设节约了大量成本。但是仿真软件的使用还不能完全替代实训室，它也存在着不足和有待完善的地方，教师在使用仿真软件的同时也要加强学生对真实仪器设备和元器件的熟悉和使用，只有合理使用仿真软件，才能使模拟电子的教学达到最佳的效果，才能最大的发挥仿真软件的辅助功能。教师只有在教学中不断地摸索和实践才能使仿真软件和实践教学有机结合，取其所长，为师生的学习创造条件和达到最好的效果。

参考文献：

[1]胡建明.仿真软件在模拟电子技术教学中的应用[J].考试周刊，2011（61）.

[2]于京生，陈永志，康元元.仿真软件在模拟电子技术教学中的应用[J].石家庄学院学报，2011年11月第13卷第6期.

[3]陶彪，南光群.Multisim仿真软件在模拟电子技术教学中的应用[J].科技信息，2012（08）.

浅析软件无线电信号模拟技术 篇4

1硬件平台的关键器件

本次研究用到的关键器件有AD9858和XC2V500 6FG256C。AD9858包含10为数模转换器, 能够寄存32位可编程频率, 具有自动频率扫描的功能。AD9858工作模式主要分为3种, 能够实现频率扫描、单音频和全睡眠模式。三种不同的工作模式下, AD9858能够产生不同的信号。在单音频模式下, AD9858能够产生单频输出信号, 并且对内含的4个频率字寄存器进行寄存。在频率扫描的模式下, 能够自动的扫描完成工作, 并且不受其他寄存器时速的限制。因此无论AD9858在何种模式下工作, 都能够改变信号的频率和相位, 能够实现混合调制。

FPGA作为Virtex II系列的一种, 内含有一块XC2V500 6FG256C, 内部的时钟速率为420MHz, 该系列内分布有嵌入式乘法和分布式存储器, 能够依据平台的特性对信号进行特殊处理, 能够在模拟数据的过程中未DDs提供实时的控制保障。

2硬件平台设计

2.1整体结构

普通调制信号的时域表达式为:

其中角载频为Ω。针对一个复杂的信号, 高频载波信号主要以正弦波为主, 频率和幅度发生了相应的跳转, 其中α (t) 和θ (t) 作为一个调制函数, 具有可变的波形、频率和幅度等。

通过数字直接合成S (t) 的复杂信号, 采样率为1GHz, 数据宽度为16位, 传输带宽度需要16×1000M=16000MBPS, 数据的存储深度为16×1000M=16GB/S, 因此采用复杂信号方案, 具有较高的成本。图1为基本的原理结构图。本文主要模拟的高载波和低频的调制信号, 高频载波信号具有较高的性能, 主要是通过FPGA来实现, 调制信号被模拟出来后通过AD9858来调制, 幅度脉冲调制函数信号通过数字模拟转换器自动调制, 这样能够降低软件的要求, 减少计算量。

2.2高频载波的发生

在设计时AD9858采用1GHZ, 读写数据采用并口方式, 设置vhu AD9858的外部选择信号, 输出的频率达到350MHz, 通过混频的方式进行变频。频率的控制能够进行中央处理单元的实现, 能够将频率字寄存在寄存器中, 得到频率控制字:

其中SYSCLK为参考时钟。

高频载波不仅能够利用单纯地连续波输出, 还能够实现频率的转变, 实现频率的扫描, 模拟出复杂的信号。通过改变AD9858频率相位字能够实现频率捷变和频率相位的调制, AD9858采用并口的方式传输数据, 需要改变AD9858的每一个相位, 实现最短的传输时间, 传送的次数至少达到72ns。在改变频率时能够经过1个参考周期, 时间为83ns, 这样从频率的触发到输出需要的时间也就是芯片转变时间的总和, 数值为155ns。本文的设计需要将时间控制在100ns以内。利用AD9858的直接扫描功能, 将扫描的频率相位控制为1, 并且使用累加的功能进行频率的再次扫描。

2.3复杂信号模拟发生

载波频率的相位调制需要将信号直接输入到AD9858中, AD9858控制FPGA把调制的信号直接进行及时的运算, 将数据发送给AD9858进行信号输出, 如果调制载波的幅度脉冲, 需要通过DAC将数字信号转化成模拟信号, 然后输入到AGC电路中, 实现对幅度脉冲的调制。

3应用脉冲压缩雷达信号模拟实例研究

3.1脉冲压缩雷达

在现代雷达中脉冲压缩体制具有大时宽带宽积, 能够在探测中提高自身的能力, 提高测量距离的分辨力, 并且不受其他信号的干扰。目前常应用的有FSK (频率编码信号) 、NLFM (非线性调频信号) 以及线性调频信号 (LFM) 等本文主要应用的脉冲压缩雷达为线性调频信号, 该类型的信号具有良好的处理能力, 过程简单, 具有多普勒特性。

3.2线性调频脉冲信号模拟

图2为线性调频信号, 主要对连续波在时域内进行调频和调幅, 本次设计主要是针对AD9858的线性扫描功能, 能够直接生成线性的载波信号, 使用FPGA直接生成复包脉冲信号。

脉冲序列在FPGA中能够控制每个脉冲的周期和脉冲的宽度、个数, 并且根据序列的要求, 将每个序列的频率字、脉冲的宽度、个数等存入到RAM中, 进行模拟时能够将这些内容转移到寄存器中, 如计数寄存器、脉冲宽度寄存器等。一个周期为累加器溢出一次, 控制好RAM地址, 读取脉冲的参数值, 实现具有控制功能的脉冲输出。AD9858线性调频的控制在FPGA中完成, 实现脉冲信号的输送。AD9858线性调频的参数经过中央处理单元存入到FPGA寄存器中, 并且在寄存器中按照一定的顺序输出脉冲信号, 完整整个的线性调频脉冲信号的模拟。

在电路设计和调试完成后, 对多个复杂的信号进行模拟, 采用频谱分析仪, 脉冲压缩雷达的起始频率为310MHz, 频偏为10MHz, 频率增加幅度为-10MHz, 脉冲的周期为20us, 脉宽为10us。测试的结果显示输出的最高频率为350MHz, 扫描的时间为50ns, 中心频率为300MHz, 频率的宽度为100MHz。

4结论

基于DDs的设计方案能够以数字的形式对复杂信号进行模拟, 具有较高的性价比, 操作简单, 提高了电路的性能, 满足了硬件的要求, 具有良好的应用效果。随着无线通信技术的发展, 需要开发更多的信号模拟技术, 不断的克服缺点和弊端, 提高技术的实用价值。

参考文献

[1]李骏.基于软件无线电信号模拟技术的研究[J].硅谷, 2014 (18) :41-42.

微型计算机软件模拟功能开发分析 篇5

自从第一台计算机诞生以来, 计算机技术一直保持着高速的发展, 在生产生活的各个领域中都得到了较为广泛的应用。近年来, 随着我国科技信息领域的不断发展, 计算机得到了广泛的普及, 软件行业不断发展, 促进了经济和社会的发展。计算机模拟技术作为计算机技术的重要组成部分, 也得到了较快的发展, 在教育、医学等很多领域都应用了计算机模拟软件, 大大提高了工作效率, 相信随着相关技术的不断发展, 计算机软件模拟功能的应用也将越来越广泛。本文主要针对微型计算机软件模拟功能的开发进行了分析与阐述。

2. 微型计算机软件模拟功能的简介

计算机软件模拟功能是一种针对具体对象的模拟过程, 是通过计算机模拟来了解事物的方式, 即通过运用一种数学模型代替实际系统, 并用计算机进行研究和试验的方法, 例如在电网潮流系统的模拟软件中, 只需对计算机进行简单的操作就可以完成实际中较为复杂的试验过程。利用计算机软件模拟功能, 对于一些实验条件苛刻、环境恶劣、操作复杂、试验周期长及试验费用较高的试验来说, 有着较高的优越性。

在计算机软件模拟功能的应用之前, 人们一般采用人工的方法对对象进行模拟, 但存在着数据量较小, 参数更改困难、灵活性差、成本高等缺点, 并且模拟效果也不理想, 而且有些情况人工模拟无法实现, 但计算机软件模拟功能的应用一方面省去了许多条件不具备或者无法完成的试验步骤, 另一方面也保证了试验结果的稳定性与准确性。虽然利用计算机软件进行模拟并非在现实条件下完成的, 但结果仍具有较高的说服力, 并且可以使得模拟变得更加便捷灵活, 可操作性也得到加强。

3. 微型计算机软件模拟功能的开发

随着计算机技术的不断发展与完善, 计算机软件模拟功能也得到了越来越多的应用, 但为了保证计算机软件模拟功能的准确性与客观性, 在进行微型计算机软件模拟功能开发的时候, 需要经过许多步严格的步骤。

3.1 根据实际确定问题

在进行计算机软件模拟功能的开发之前, 首先应该根据实际情况确定问题, 明确需要模拟的对象、目的以及要求, 确定软件模拟功能开发的方向。例如在对实验室某项实验进行模拟的时候, 首先需要明确实验的外加条件以及实验的最终结果形式等问题, 为之后的模拟功能的开发指明方向。

3.2 收集相关数据信息

利用微型计算机软件模拟功能进行模拟, 并非没有依据的随意模拟, 需要有大量的数据支持, 从而保证模拟的客观准确性。在确定问题之后, 要尽可能搜集与问题及模拟对象有关的数据信息, 例如对车辆运行进行模拟时, 需要对实际车辆的质量、体积以及运行时的速度、油耗、噪声等因素进行详细的测算, 获取准确的数据信息, 从而保证开发的计算机软件模拟功能的准确性与客观性。

3.3 建立数学模型

在收集完模拟对象与模拟问题的相关数据信息后, 需要构建一个合适的数学模型, 使其能够准确地描述出实际的情况, 以及实际系统各个部件之间的联系与关系。例如在对某工厂生产流水线进行模拟时, 需要根据收集的大量数据信息, 建立流水线上传送带以及每个加工设备的数学模型, 使其能够描述每个时刻各设备的运行状态及参数, 也能够反映出实际中的各数据参数的关系, 并且根据模拟的需要, 加入开始、停转等按钮以及故障检修等模块, 使模拟功能更加完善。

作为微型计算机软件模拟功能开发中的关键一环, 数学模型的建立至关重要, 直接影响着模拟功能的实用性以及准确性, 所以在建立数学模型时, 一定要立足实际情况, 根据模拟的需要, 基于大量数据信息的分析计算, 考虑周全, 确保模型建立的准确性和实用性。

3.4 确定数学模型的参数

在完成数学模型的构建之后, 需要根据收集的大量数据进行计算分析, 确定数学模型的参数以及初始状态, 对于无法进行准确测算的数据, 应该根据实际对其进行合理的估算, 从而保证数学模型有着较好的客观性, 使得模拟的结果更加准确可信。

3.5 设计流程图, 编写程序

在完成数学模型并且对其参数进行确定之后, 便可以进行流程图的设计, 根据数学模型以及其参数, 设计出整个系统的流程图, 并进行不断地讨论论证, 最终确定流程图。在确定流程图之后, 进行计算机程序的编写, 这也是整个计算机软件模拟功能开发中的重要环节, 程序编写质量的好坏直接影响着其使用体验。在编写程序时, 不仅要做好软件运行程序的编写, 也要做好软件操控界面的设计, 做到简洁易懂, 使用户能够快速上手。

3.6 软件程序的验证

在编写完计算机模拟软件的程序之后, 需要对软件的程序进行验证, 即检验设计编写的程序与数学模型直接的一致性, 看软件程序是否满足数学模型, 能否反映出整个流程, 能否达到预期的模拟功能与目的。另外还要对界面的操作以及输入量等数据的合理性进行检验, 看是否符合实际, 满足要求。

3.7 进行模拟试验

在验证完计算机模拟软件后, 需要进行相关的模拟试验, 对软件的全部模拟功能进行试验, 来确定软件能否真正模拟实际的情况, 并且发现运行过程中的问题和漏洞进行修改, 从而保证软件的稳定与可靠性。

3.8 模拟试验结果数据分析

在进行完模拟试验之后, 需要对其结果数据进行收集与整理, 并进行分析, 判断模拟试验的结果与实际运行的结果是否相同, 并及时发现问题, 必要时应该对模型结构进行调整与更改, 并重新进行模拟试验, 直至软件的模拟功能的客观性得到充分验证。

3.9 对模型的确认

模拟试验之后应该检验由数学模型进行模拟试验所得到的结果与实际真实系统的数据的一致程度, 这一步也是关系到微型计算机软件模拟功能是否有效的关键环节, 影响着软件模拟功能的客观性与可靠性。对建立模型的确认依赖于对真实系统本身进行试验的水平以及能否获得足够的观测数据与判别一致性的准则, 例如对电网潮流进行计算机软件模拟, 在进行模拟试验时, 可以对电网系统进行加负荷或者减负荷等操作进行试验, 并在实际中做同样操作, 比较分析模拟结果与实际数据, 不断对软件进行调整与完善, 直到软件模拟功能与实际操作结果基本一致为止。

根据不同的试验结果, 模型的有效级别一般可以分为重现有效、预测有效以及构成有效。重现有效能够真实反映出实际系统的情况, 预测有效能够有效地预测实际系统的未来性能, 构成有效能够真实地反映出真实系统的内部构造。由于实际中系统本身具有随机性, 因此在对模型确认时, 应当保证在大量实验数据的基础上, 运用科学的统计分析方法, 从而确保模拟功能的客观性与可靠性。

4. 微型计算机软件模拟功能开发使用的模拟语言

在软件模拟功能的编写时, 可以采用汇编语言、通用编程语言等多种模拟语言。计算机模拟语言作为一种描述系统模型的高级编程语言, 包含许多基本单元、部件与模块, 便于用户进行调用。一般来说模拟语言是在别的通用编程语言的基础上建立的, 需要自己的编译程序进行预编译, 将模拟语言编译成通用编程语言, 进而转换为计算机可执行的程序, 从而大大减轻用户的编程工作, 提高了便捷性。

5. 结束语

随着计算机技术的不断发展以及计算机的不断普及, 微型计算机软件模拟功能作为一种十分实用的功能, 已经在很多领域得到了较为广泛的应用, 为实际生产生活提供了极大的便利。相信随着相关技术的不断完善, 微型计算机软件模拟功能一定能取得进一步的发展与应用。

参考文献

[1]崔剑.软件模拟在计算机应用中的发展变革[J].高新技术产业发展, 2012, 05 (2) :12-16.

[2]李明树等.软件过程建模方法研究[J].软件学报, 2010, 11 (3) :03-05.

软件模拟技术分析 篇6

一、Multisim简介

Multisim是加拿大IIT (Interactive Image Technologies) 公司在EWB基础上推出的电子电路仿真设计软件, 属于PCB前端设计工具, 主要完成电路输入、电路仿真和设计, 为学生提供了一个贯穿电子产品设计流程的全面的动手操作经验的平台。与其它EDA (电子设计自动化) 软件相比, Multisim的特点是: (一) 工作界面最直观。创建电路图所用的元器件和仿真所用的仪器均可在屏幕上直接选取, 而且元器件和仪器与实际情况非常接近, 仪器的面板及操作方法也与真实仪器类似。 (二) 非常丰富的电路分析功能。帮助设计人员研究电路性能。 (三) 可以对被仿真电路中的元器件设置故障, 观察电路的状态变化, 以加深对基本概念和原理的理解。

二、存在的问题与改进措施

(一) 应用举例一。

1、存在问题:以往模拟电子技术实验的第一个实验通常是常用电子仪器的使用。目的是让学生掌握数字万用表、晶体管毫伏表、函数发生器、示波器等电子仪器的使用, 为后续实验做准备。通常规定学生在实验室里完成一个实验只有2~3个学时, 如果学生在实验前没认真预习, 进到实验室不知从何下手, 一边翻指导书一边做, 花的时间多, 且学不到东西。学生在教师讲解实验原理、实验要点、实验注意事项时不仔细听, 过后在仪器操作上犯一些原则性的错误。另外, 高校扩招后学生人数急剧膨胀, 实验室压力很大, 每批学生重新回到实验室做下一个实验时, 第一个实验学到的电子仪器的使用都忘得差不多了。2、改进措施:先安排两次课的Multisim软件教学, 然后做一次电子仿真实验, 将常用电子仪器的使用作为第二个实验。我们不可能把软件的功能一一介绍给学生, 只是起到抛砖引玉的作用, 引起学生的兴趣, 鼓励引导学生掌握一种实用软件来分析电子电路问题的方法, 并能以此为指导, 解决其它问题。因此, 我们以三极管单级放大电路为例, 第一次课介绍如何用软件绘制电路图, 第二次课介绍如何分析和测量电路图, 并且布置课后作业, 让学生尽快熟悉和掌握软件。软件的直观性体现在:一张电路图可以随意变更连线, 变更元器件, 想怎么改就怎么改, 它的效果实实在在看得见。而且这种直观电路比书本的电路图更能激发学生学习的兴趣。为了让学生更好地理解频率的变化, 在三极管集电极串联一个立体元件库的发光二极管立体元件像真的一样, 极大地增强了学生的感官刺激, 大大地激发了学生的学习兴趣。软件还提供了多种虚拟仪器, 包括示波器、万用表、函数发生器等。这些虚拟仪器无论是外观还是功能都与实物设备一样, 学生可以无风险地利用这些虚拟仪器来熟悉了解真实的仪器设备。当学生学习了软件后, 再来做常用电子仪器的使用这个实验, 就会觉得比较容易, 实验效果也大大增强了。

(二) 应用举例二。

1、存在问题:以往开设设计性实验时, 学生设计的电路五花八门, 有的电路本身就存在严重的设计问题, 到实验室进行验证, 造成元器件和设备损耗严重, 很难在规定的时间内完成实验, 为了保证实验效果不得不延长时间, 实验过程中教师辅导量很大, 学生做实验也感到很累, 嫌实验麻烦。因此, 实验教学中多以验证性实验为主, 学生只要按照实验指导书给出的电路和步骤进行操作即可完成实验, 做完实验对电路的理论知识仍然是一知半解, 难以提高实验能力, 从而束缚了学生的创造性。2、改进措施:在设计实验前, 学生必须认真预习, 查阅资料, 设计电路, 拟订实验方案, 设计数据表格等。引入虚拟实验, 突破了实验时间和空间的限制, 学生不必拘泥于2~3个学时的实验时间, 可以利用自己的电脑在实验课前通过Multisim软件, 对实验内容虚拟仿真一遍。实验中不会消耗元器件, 弥补了传统实验元器件损耗大的缺陷。另一方面, 与实验室的测试仪器相比, 虚拟的测试仪器操作简便、读数更方便。例如示波器的使用, 在实验室里有些学生花很长时间才能调节出波形, 而虚拟示波器一般只需要调节时间轴比例系数和通道比例系数, 通道信号的即时电压幅值就直接显示出来。这样学生不仅可以清楚实验步骤, 验证实验电路, 发现错误可以立即更正, 调试方便, 不必重新搭建电路, 而且对实验中可能出现的结果、各种数据、波形也会有一定的认识, 再到实验室做实际操作实验时, 效果就大不一样, 从而真正掌握实验内容和理论知识, 提高实验教学效果。因此, 采用Multisim仿真软件可以改变传统实验教学模式, 增加一些综合性和设计性实验, 学生可以根据兴趣自己选择实验内容, 自行设计实验方案, 自主地进行电路分析和设计。这种方式激发了学生自主学习的积极性, 拓展了学生的思维发展空间, 培养和提高了学生的综合实验能力。学生在做设计性、综合性实验的过程中, 会遇到问题、分析问题、解决问题, 最终积累经验, 这就是一个自我学习的过程。可以使学生充分运用所学知识, 逐渐掌握电路的设计、调试和分析等方法和能力, 从而有效地提高学生的创新思维和实践能力。

三、结束语

模拟电子技术实验课程是巩固理论教学、强化动手能力、培养创新意识和创新能力的重要环节。在实验教学中使用电子线路设计和仿真软件Multisim, 解决了学生理论学习与动手实验这两个环节之间的衔接问题, 实验教学改革促进了教学质量的提高, 取得了明显的成效。既能满足现阶段对实验教学的要求, 顺应教学规律, 促进学校实验教学的发展;又能开拓学生的视野, 激发学生学习兴趣, 提高学生动手能力、科研能力, 为他们将来的学习和工作, 打下良好的基础。当今科学技术发展日新月异, 新的实验内容、方法和手段不断出现, 我们应该在争取更多投入、改善硬件条件的同时, 积极研究和探索, 寻求合适的实验管理方式, 优化实验内容, 改善教学方法, 充分利用现有资源, 提高实验教学水平, 培养学生的实践和创新能力, 以适应新时期对高素质人才的要求。

参考文献:[1]于卫.模拟电子技术实验及综合实训教程[M].湖北:华中科技大学出版社, 2008;[2]路而红.虚拟电子实验室—Multisim 7&U ltiboard 7[M].北京:人民邮电出版社, 2005;[3]赵春华.虚拟电子实验室实用与操作指南[M].山东:石油大学出版社, 2003;[4]张伟珊.Multisim 7在模拟电路实验教学改革中的应用[J].现代电子技术, 2008 (16)

摘要：本文对模拟电子技术实验教学中出现的问题进行了分析, 探讨了Multisim电路仿真软件在模拟电子技术实验教学的应用, 以及对实验教学效果提高的作用。

关键词：模拟电子技术,实验,Multisim

参考文献

[1]于卫.模拟电子技术实验及综合实训教程[M].湖北:华中科技大学出版社, 2008;

[2]路而红.虚拟电子实验室—Multisim7&U ltiboard7[M].北京:人民邮电出版社, 2005;

[3]赵春华.虚拟电子实验室实用与操作指南[M].山东:石油大学出版社, 2003;

软件模拟技术分析 篇7

然而, 无论什么样的教学方法, 都离不开理论知识的讲授, 例如在扩音机项目中涉及的知识点包括差分放大电路的计算、集成运算放大器应用以及扩音机整机电路原理分析计算等。为了让学生对枯燥的电路知识有一个直观感性的认识, 在这一部分内容的教学实施过程中适当引入仿真软件。仿真软件具有形象、生动、直观以及结果显示等特点, 帮助学生更好地理解扩音机电路的工作原理, 大大提高了教学效果。在众多的电子仿真软件中我们选用了图形界面直观、测试仪器更接近实际仪器的NI Multisim10.0, 该软件元器件丰富, 仿真功能强大, 适合初学者来使用。Multisim10.0引入理论教学中, 提高了学生对理论知识的理解能力, 同时增加学生动手实践的机会, 而且在教学环节中我们引入了新的教学方法, 新的知识, 新的手段, 开拓了学生的知识视野, 最大限度地将项目教学法落到实处, 又能解决理论教学与实践环节相互脱节的老大难问题, 另外, 提前接触电子类仿真软件对于后续课程中其他软件的学习使用打下良好的基础。

1 NI Multisim简介[4]

NI Multisim10软件是一款基于Windows的交互式仿真软件, 由美国国家仪器 (NI) 有限公司推出。它的操作界面如同电子实验台, 将电路中所需的元器件拖至屏幕中, 根据原理图连接, 虚拟测试仪器跟实物相似, 测量完成的数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样直观。另外, 元件库中的元器件种类超过17000, 也可以很方便地对元件进行各种参数编辑修改, 创建自己的元器件;除此以外, NI Multisim10.0还提供22种虚拟仪器进行电路动作测量, 如万用表、四踪示波器、函数信号发生器等, 同时提供了很多分析功能, 如直流分析、交流分析及瞬态分析等。在此完整的集成设计环境下, 可以很方便地将学到的理论知识用计算机仿真的方法真实地再现出来, 这大大提高了学生的学习兴趣, 改善了教学效果。

2 扩音机整机电路仿真分析

扩音机电路简称功放, 是音响系统中最基本的设备, 它的作用就是将来自信号源的微弱电信号进行放大, 产生足够大的电流以驱动扬声器发出声音。由前置放大级、音调控制级和功率放大级三部分组成。

2.1 整机电路仿真分析

根据扩音机电路原理图, 在电子线路仿真软件NI Multisim 10.0中搭建整机仿真电路, 如图1所示。仿真电路中, 音频输入信号由信号发生器XFG1提供, 其参数设置如图2所示。前置放大级、音调控制级以及功率放大级输出信号波形则通过四踪虚拟示波器观察, 仿真结果如图3所示 (RP1, RP2, RP3三个电位器均处于中间位置) 。其中虚拟示波器的A通道显示信号发生器的输入信号波形, B通道显示前置放大级的输出信号波形, C通道显示音调控制级的输出信号波形, D通道显示功率放大级的输出信号波形。

2.2 前置放大级电路仿真分析

前置放大级电路由C1, A1, C3, R1, R2, R3, C2组成。集成运算放大器A1开环的电压增益为200 V/m V, R2和R3构成电压串联负反馈;当集成运放的高增益与负反馈电路配合使用时, 可以将集成运算放大器当作理想器件来看, 那么前置放大级的闭环增益近似为:

调整R2或R3的阻值即可改变前置放大电路增益, 此时A1构成同相输入比例放大器。该级电路的输入电阻Ri≈R1, 输出电阻Ro≈0。R1是同相端输入偏置电阻, 也称为平衡电阻, 通常取值为R1= R2/ /R3=83.3 kΩ, 实际电路选择R1为100 kΩ, 一般情况下其取值为47 kΩ~100 kΩ之间。它在电路中的作用是保持静态时输入级偏置电流平衡, 并让输入级的偏置电流在R2, R3上产生相等的压降。电容C2的作用是防止高频自激。

前置放大级输出仿真波形, 如图4 所示。 在时间T1时刻, A通道的音频交流输入信号幅值为ui=274.866m V;B通道的前置放大级交流输出信号幅值为uo=1.674V。输出波形与输入波形同相, 本级的电压放大倍数为Au=1.674/0.274866=6.09, 与式 (1) 估算值基本一致。

2.3 音调控制级仿真分析

该扩音机电路采用RC型负反馈高低音调节音调控制电路, RP1是低音调节电位器, RP2是高音调节电位器, 分别提升或衰减高音区或低音区, 已达到改善音质的作用。

2.3.1 低音调节电路原理

由于C4、C5的容量远远大于C6, C4, C5, C6对于低音信号可视为开路, 则低音调节电路由LM741, A2, RP1, RP2, R4, R5, R6, C3, C7组成。

(1) 当RP1滑到最左端低音信号提升最大

输入信号为低频段时, 若电位器RP1滑到最左端, C4被短路, C5对低音信号容抗很大, 可视为开路;C6很小, C6和R7支路可视为开路。低音信号ui经过R4、R5直接送入集成运算放大器A2的反相端, 低音输出信号uo则经过R6、RP1、R5负反馈回送到集成运算放大器反相端, 由u+= u-=0 (虚地) , i+= i-=0 (虚断) , 得到低音最大的提升量为:

此时输入信号量是最大的, 负反馈量最小, 低音信号得到最大提升。

在电路仿真软件Multisim 10.0中, 将50 Hz音频信号输入, 在T1时刻, B通道的前置放大级输出信号幅值为ui=-1.7V;C通道的音调控制级交流输出信号幅值为uo=20.348V, 输出信号波形与输入信号反相。

低音调节电路电压放大倍数为:

与式②估算值基本一致, 仿真波形如图5所示。注意:用Multisim 10.0仿真时, 电位器的接入方向要正确, 另外, C4, C5, C6存在于电路中时, 音调控制级电压放大倍数为7.6, 并且两个波形之间存在相位差。

(2) 当RP1滑到最右端低音衰减量最大

若电位器RP1滑到最右端, C5被短路, C4可视为开路。这时低音信号ui经过R4、RP1、R5送入集成运算放大器A2的反相端, 低音输出信号uo则经过R6、R5负反馈回送到集成运算放大器A2反相输入端, 此时电路增益为:

此时输入信号量最小, 负反馈量最大, 则低音衰减量最大。

在电路仿真软件Multisim 10.0中, 将50Hz音频信号输入, 在T1时刻, B通道的前置放大级输出信号幅值为ui=-1.675V;C通道的音调控制级交流输出信号幅值为uo=139.186m V。输出信号波形与输入信号反相。

低音调节电路电压放大倍数为:

与式③估算值基本一致, 仿真波形如图6所示。

由以上分析可以得到, 电位器RP1向左滑动时, 提升低音信号, 向右滑动时衰减低音信号。另外, 由于C4, C5对高音信号可视为短路, 无论RP1的滑臂怎样移动, 此时对高音信号无任何影响。

2.3.2 高音调节电路原理

输入信号为高频段时, C4, C5, C6对于高音信号可视为短路, C6和R7支路已经起作用。

(1) 当电位器RP2滑到最左端, 高音输入信号提升最大

将电位器RP2滑到最左端, 高音输入信号ui经过R7送到集成运算放大器A2的反相端, 而高音输出信号uo则经过RP2, R7回送到集成运算放大器A2的反相端, 这时负反馈电压最小, 高音输入信号得到最大提升。根据电路参数计算, 高音输入信号ui最大的提升量为:

在Multisim 10.0中, 选用高频1.5KHZ音频输入信号, 在T1时刻, B通道的输出信号幅值为ui= -1.674V;C通道是音调控制级的交流输出信号幅值为uo= 13.925V。输出波形与输入反相, 本级的电压放大倍数为:

与式④估算值基本一致, 仿真波形如图7所示。

当电位器RP2滑到最右端时, 高音输入信号衰减量最大

若电位器RP2滑到最右端时, 因RP2的数值很大, 这里可视为开路, Rc视为开路。高音输入信号ui经过Ra送到集成运算放大器A2的反相端, 而高音输出信号uo则经过R7、Rb回送到集成运算放大器A2的反相端, 这时负反馈电压最大, 高音输入信号衰减量最大。根据电路参数计算, 高音输入信号ui提升量为:

在电路仿真软件Multisim 10.0中, 将1.5KHZ音频输入信号, 在T1时刻, B通道的输出信号幅值为ui=-1.673 V;C通道是音调控制级的交流输出信号幅值为uo=201.149 m V, 输出波形与输入反相。本级的电压放大倍数为:

与式⑤估算值基本一致, 仿真波形如图8所示。

由以上分析可以得到, 电位器RP2向左滑动时, 提升高音信号, 向右滑动时衰减高音信号。另外, 无论电位器RP2怎样滑动, 由于C3对中低音信号可视为开路, 所以此时对中低音信号无任何影响。

2.4 功率放大级仿真分析

在OCL功率放大电路中, 输出级由集成功率放大器A3, 电容C8、C9、C10、C15和C16、电阻R8、R9、R1和R11, 电位器RP3以及二极管VD1和VD2组成。其中A3是由TDA2030A构成OCL功率放大电路, 推动扬声器发声, 该级增益为:

A3是理想集成运放, 虚短, 反相端与同相端对地电压相等, 反相端对地电压是 (R9/R9+R10) *输入端电压UO, 整理后A3的增益就是33.35。

为了提高电路稳定性, 减小输出波形失真, 功率放大级通过R9, R10和C9引入深度直交流电压串联负反馈, 对于直流而言实现全反馈, 目的是使A3的4脚输出端的静态电位稳定为零伏。对于交流而言, C9足够大则对通频带内的输入信号可视为短路, 电路的电压增益由R9, R10的分压比决定, 改变R9, R10的比值就可以调节该级电路增益。R9一般为1~2 kΩ, 不可太小以免产生交流声, 对于R10在不产生自激和失真条件下, 为了提高输出功率, 可将其适当加大。C8是输入耦合电容, 电位器RP3调节输入信号大小, 也就是音量调节电位器。R8同相端的偏置电阻作用同电阻C15, C15, C16是电源高频旁路作用, 防止电路产生自激振荡。VD1和VD2接在电源与输出端之间, 防止输出电压峰值损坏集成块, 起到保护作用。C10, R11是对感性负载进行相位补偿避免自激和过电压, 保证高频稳定性。C11, C12, C13, C14为电源高频旁路作用, 防止电路产生自激振荡。R12, R13为退耦电路。VD3和VD4是防止电源反接的保护元件。

在电路仿真软件Multisim10.0中, 功率放大级仿真波形, 如图9所示。在T1时刻, C通道的交流输入信号幅值为ui=65.679m V;D通道的交流输出信号幅值为uo=2.189 V。输出波形与输入同相, 本级的电压放大倍数为:

与式⑥估算值相符合。注意, 本次仿真的输入信号是由C8的正极加入, 若从电位器RP3作为信号输入端, 那么随着电位器的调整引起Ui信号的衰减, 测试数据计算得到的电压放大倍数, 会比估算值要小。

3 结论

借助电子线路仿真软件Multisim 10.0, 对扩音机电路的单元电路逐一分析, 从仿真波形中可以看到, 该级电路的电压放大倍数, 波形的失真程度;通过调节电路中的相关参数, 可以看到不同设计条件下的电路性能, 这样增强了教学过程的直观性, 提高了学生的学习兴趣, 增加了电路分析的手段。另外, 在项目教学过程中融入了新知识, 新方法, 使得教学过程最大程度的与工程实践内容保持一致性, 同时教学效果较以往传统教学方式好了许多。

参考文献

[1]陈曙光.项目教学法在低频电子线路课程教学中的应用[J].徐州建筑职业技术学院学报, 2010 (2) :61-62.

[2]郑文.基于Multisim的高频功率放大器仿真分析[J].实验科学与技术, 2014 (1) :22-23.

[3]甄立常.基于仿真软件的高职单片机课程项目式教学研究[D].保定:河北大学, 2010.

软件模拟技术分析 篇8

长期以来, 《模拟电子技术》的教学效果并不理想。非线性元件的抽象性、电路的复杂性, 使得很多学生对这门课程的学习有畏难情绪, 严重影响了教学效果。

EWB软件介绍

EWB (Electronics Workbench) 软件, 是加拿大Interactive Image Technologies公司在20世纪90年代初推出的用于模拟电路和数字电路的混合仿真软件, 利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。在《模拟电子技术》教学中引入EWB, 能够将该门课程中抽象难懂的理论形象化、直观化, 帮助学生理解复杂电路, 从而在很大程度上改善教学效果。

EWB软件在《模拟电子技术》教学中的应用举例

负反馈放大电路是《模拟电子技术》教学过程中难度较大的内容。本文以电压串联负反馈电路为例, 借助EWB仿真软件来说明其在《模拟电子技术》教学中的应用。

建立电路

建立如图1所示的电压串联负反馈电路, 其中信号源电压us=6.1mV, 信号源内阻Rs=4.7kΩ, 负载电阻RL=4.7kΩ。

电路基本特性分析

以下从四个方面对该电压串联负反馈电路的性能指标进行分析。

1.测量闭环输入、输出电压ui、uo, 求闭环放大倍数Auf;计算输入电阻Ri, 测量u'o, 计算输出电阻RO。

电压表1和2分别测量输入、输出电压ui, uo, 将负载电阻RL从电路中断开, 则电压表2测得的电压值为u'o。打开仿真开关, 得到输入电压ui=5.002mV, 输出电压u'o=264.4mV, 负载开路时u'o=310.0mV。

根据基本放大电路的分析方法, 可将原电路图1等效为简化电路图2, 求Ri, RO。

对于信号源来说, Ri就是它的等效负载。由输入端电流相等的关系, 可得:

, 代入已知数据, 计算得到输入电阻Ri=21.4kΩ。

同理, 根据输出端电流相等的关系, 可得:

, 代入已知数据, 计算得到输出电阻Ro=0.8kΩ。

2.测量开环输入、输出电压ui, uo, 求开环放大倍数Au;计算输入电阻Ri, 测量u'o, 计算输出电阻Ro。

将图1中电阻R的右端从电路中断开, 改为接地, 其他连接方法和参数设置不变, 则构成了开环电路 (即未引入负反馈) 。再次进行仿真, 得到输入电压ui=4.223mV, 输出电压uo=463.1mV, 负载开路时u'o=625.9mV。依据闭环电路的分析方法, 可得开环时Au=109.7, Ri=10.6kΩ, Ro=1.7kΩ。

3.对比开环电路和闭环电路的通频带。

在开环电路中, 设置负载电阻RL上的节点14作为输出节点。在EWB菜单栏上点击Analysis (分析菜单) 中的ACFrequency (交流频率分析) 命令, 在弹出的对话框中设置起始频率为1HZ, 截止频率为3GHZ, 节点14为分析节点, 打开仿真开关, 仿真结果如图3所示。由标尺位置可以估算出开环时电路的通频带约为550KHZ。

对引入负反馈后的电路图1, 设置截止频率为1GHZ, 其他参数设置不变, 仿真结果如图4所示, 估算得到闭环时电路的通频带约为1MHZ。

4. 在开环失真的情况下, 观察闭环消除失真。

将开环电路的信号源电压us的大小由6.1mV调整至30mV, 其他参数设置不变, 打开仿真开关, 利用示波器观察输出电压的波形, 可以得到如图5所示的波形。

将开环电路再次连接成闭环电路后 (如图1所示) , 信号源电压仍然为30mV, 再次进行仿真, 得到如图6所示的波形。

结论

结论一

将开环电路和闭环电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻进行对比, 得到表1。可以看出, 电路引入电压串联负反馈后, 放大倍数减小, 输入电阻增大, 输出电阻减小。与理论分析电压串联负反馈对电路的影响是一致的。

结论二

对比开环电路和闭环电路对通频带的影响, 可以看出通频带由开环的550KHZ增大到闭环的1MHZ。由此可见, 当电路引入负反馈后, 可以扩展其通频带。

结论三

从图5可以看出, 开环时增大信号源电压由6.1m V调整至30mV, 由于输入信号过大造成电路的输出波形发生了失真。引入负反馈后, 输出波形的失真得到了明显改善, 如图6所示。从而可知, 负反馈能够减小波形的非线性失真。

通过以上实例, 可以看出, 借助EWB软件强大的仿真功能, 可以使枯燥的课堂教学变得形象化、直观化, 让学生对《模拟电子技术》中难懂的理论有感性的认识。同时, 采用EWB软件分析电路, 对提高学生对电路的综合分析能力、设计能力也有很大帮助。

参考文献

[1]陈军.EWB仿真软件在模拟电子技术教学实践中的探讨[J].牡丹江大学学报, 2010, 19 (8) :140-141, 144.

[2]焦冬莉.EWB在模拟电子技术教学中的应用[J].现代电子技术, 2005 (24) :86-87, 93.

[3]莫永新.EDA技术在电子线路课程教学中的应用[J].大众科技, 2007 (5) :160-161.

[4]张群.EWB在模拟电子技术教学改革中的作用及其意义[J].科技信息, 2009 (35) :114-115.

[5]张小进.EWB软件仿真在模拟电路教学中的应用[J].北京工商大学学报, 2002, 20 (3) :28-31.

[6]朱小芳.影像电子学基础 (第2版) [M].北京:人民卫生出版社, 2009:115-116.

软件模拟技术分析 篇9

计算机组成原理是计算机专业一门重要的专业基础必修课程,该课程以单机系统为研究对象,重点讲解计算机硬件系统的逻辑组成与工作机制,建立起计算机系统的整机概念[1],为培养学生对计算机硬件系统的分析、开发、使用与设计能力打下基础[2]。但从目前的实际效果来看,绝大多数高校并没有达到该课程的教学目标,教学中存在理论与实践脱节、学生“知其然,不知其所以然”等问题,尤其在工程教育的大背景下,传统计算机组成原理课程的教学模式与造就“适应现代社会人才需要的,具有工程专业能力、社会意识和创业、创新精神的工程师”[3]的工程教育目标更是渐行渐远,因此对计算机组成原理课程教学进行改革是必要。

自20世纪50年代仿真技术开始应用以来,利用强大的软件模拟技术来仿真硬件的工作过程,便成为当今国内外计算机领域研究的一个热点。在教学领域,于京生[4]等人将Multisim仿真软件引入模拟电子技术实验教学;张佩莉[5]等人将模拟教学软件引入电子商务教学中;陈军[6]将EWB仿真软引入模拟电子技术实验教学;虞飞华[7]等人将软件模拟技术引入计算机组成原理实验教学中。虽然软件模拟技术在许多课程中实施了应用,但具体到计算机组成原理课程中,依然存在一些问题:(1)现有软件模拟技术主要应用于构建计算机组成原理虚拟实验系统,缺乏从课程理论教学的角度对软件模拟技术在计算机组成原理课程教学中的应用思路、应用范围和应用方法的探讨;(2)现有研究不需要学生编写代码,不考虑学生的参与,在学生对计算机组成原理知识的理解上帮助不大,无法培养学生的编程能力和解决实际问题的能力。

基于此,我们在“做中学”和“基于项目的教育和学习”[8]的新型工程教育模式指导下,将软件模拟技术应用于计算机组成原理课程教学,对具体的应用思路、应用范围和应用方法进行了阐述,以便提高计算机组成原理课程的教学质量,促进学生动手能力的提高,为“卓越工程师”的培养添砖加瓦。

2 软件模拟技术在课程中的具体应用

2.1 应用思路

将软件模拟技术应用于计算机组成原理课程的教学中,实现“软硬结合,寓软于硬,相互促进”的目标,是一次新的探索。因此为保证预定目标的实现,需要首先确定教学方法改革的总体方案,并以此为纲,指导后续教学活动的开展;接着需要针对软件模拟技术的特点,梳理计算机组成原理课程知识点,以确定软件模拟技术的应用范围,同时编写对应的模拟程序;随后采用正确的方法,在课程教学中实施应用;最后对应用情况进行分析总结,并建立合理的评估反馈机制,以便于持续改进。也即是按照“方案设计→范围确定→模拟程序编写→教学应用→评估反馈→分析总结”的思路实施应用。

2.2 应用范围确定与模拟程序的编写

在计算机组成原理课程中,并不是所有的知识点都适合采用软件模拟技术进行模拟,因此需要按照软件设计的思想,重新梳理计算机组成原理课程知识点,确定软件模拟技术在课程教学中的应用范围。经过整理,我们认为进位计数制转换、定点/浮点运算、中断过程、指令设计、ALU组成和微程序控制原理等知识适合采用软件模拟技术,具体知识点和相关描述如表1所示。

在确定应用范围后即可开始模拟程序的编写,在编写过程中应该做到以下几点:

1) 尽量采用面向对象的思想,将部件特征抽象成属性,将部件的功能抽象成方法,形成一个一个的类,这样便于学有余力的学生在示例程序基础上构造一个模型机模拟程序;

2) 在编程实现工作机制的同时,要充分利用各种动画直观的反应工作机制;考虑到课程开设的时间,建议采用Java语言进行开发;

3) 模拟程序应该增加必要的注释,并配备程序流程图,便于开展教学和学生理解。

2.3 模拟程序在教学中的应用方法

为了使软件模拟技术在计算机组成原理课程教学中真正成为帮助学生理解硬件工作原理、培养学生编程能力和设计能力中发挥作用,我们以CDIO教学大纲为指导,进行了大胆创新,探索出一套行之有效的应用方法。

1) 设计合理的教学方法,将软件模拟的思想融入课堂教学。对于可以应用软件模拟技术的知识点,除了讲解原理之外,积极引导学生进行分析,师生共同设计程序流程图,帮助学生掌握具体工作过程,要求学生按照流程图开发模拟程序;同一知识点布置对应的作业,与模拟程序相配合,加深学生对知识点的掌握。同时,将已经设计好的程序在课堂上演示,利用动画直观的反应对应知识点,并为学生编写程序提供参考。

2) 实施分组教学,小组内形成既竞争又合作的关系。按照自愿结合、适当调整的原则,将学生分为若干组。对于简单的模拟程序,要求每名学生均独立完成,但允许相互交流,同时小组内部成员之间从功能完备性、界面友好性和代码规范性等方面进行相互评价;对于复杂的模拟程序,以小组为单位完成,在小组组长的协调下进行合理分工,小组之间开展程序互评。

3) 积极组织学生参与教学,突出“学”的主体地位。在授课中教师有目的的选择一些程序完成较好的同学或小组,在讲台上传授经验;选择完成较差的同学或小组,也上讲台讲解,在查找问题的同时,对其带来压力,以便后期的提高;特别是教师应该有意识地选择平时性格内向、不善交流的同学走上讲台,并对其进行鼓励,突出“人”的培养。

4) 将模拟程序融入课程考评,完善课程评价机制。将模拟程序作为作业的一部分进行考评,计入平时成绩;在期末考试中,部分知识的考评可以要求学生通过绘制流程图和编写模拟程序(此时仅考虑体现原理,不需考虑界面、动画)的方式进行。

5) 注重效果评估。对实施效果进行跟踪、分析,以评估实际效果与预期目标的切合程度,并根据评估结果总结特色,查找不足,以便进行改进。

3 结论