利用EDA仿真软件改进电工电子学课程教学效果

2022-09-25

《电工电子学》课程教学由理论课教学、课程实验等教学环节构成, 理论课教学中讲解到一些电路时, 学生由于缺乏感性认识而往往会产生枯燥无味的感觉, 导致不能很好掌握教学内容。如何有效提高课堂教学效率和改善学习效果是进行《电工电子学》课程教学必须解决的问题。

随着计算机技术的飞速发展, 应用计算机进行辅助教学业已成为一种潮流。特别在仿真领域, 电子电路仿真系统将电路实验台在计算机平台上模拟实现, 通过鼠标或键盘调用元器件和仪器搭接电路, 电路的各种参数容易调整, 整个教学过程在虚拟实验室进行。应用仿真系统对电子技术相关课程进行教学改革, 一改传统教学模式, 具有直观而形象的特点, 可使实验与理论有机结合, 教学方式采用多媒体模式, 在教学过程中寓教于乐, 轻松教学[1]。

本课题获得江南大学创新团队发展计划资助。

理论与基本概念的理解与掌握, 熟悉常用电工电子仪器的功能及元器件参数的选择, 从而进一步培养学生设计与创新能力、分析与解决问题的能力[2]。

1 EWB软件的特点

1.1 界面很直观、操作方便

仿真时, 绘制电路图所需的元器件、仪表均可以从屏幕上直接选取, 采用图形方式创建电路。

1.2 电路元器件很丰富, 仿真手段符合实际

EWB5.0C (虚拟电子工作台) 软件仿真的手段切合实际, 选用的元器件和仪器与实际情况非常接近。仿真软件元件库不仅提供了数千种电路元器件供选用, 而且还提供了各种元器件的理想值, 如对分析精度有特殊的要求可以选择具有具体型号的器件模型, 而且仪器的操作开关、按钮如同真实仪器, 既容易学习又使人特别感兴趣。并与目前常用的电子电路分析软件Pspice的元器件库完全兼容, 同时还可以根据需要新建或扩充元器件库。

1.3 提供了多种电路的分析、设置、存储功能[2]

作为虚拟的电子工作台, 该软件提供了较为详细的电路分析手段, 不仅可以完成电路的瞬态分析、稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路和噪声分析和失真分析等常规电路的分析方法, 而且还提供了离散傅立叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等共计24种电路分析方法, 以帮助设计人员分析电路的性能。

2 教学示例

在理论教学的过程中, 利用工作在Windows XP平台上的EWB5.0C电子设计自动化软件在计算机上进行基础验证模拟实验, 作为教学的补充, 这将非常有利于增强学生对电路的感性认识, 掌握各种仪器的基本使用、电路参数的测试方法, 提高学生的学习效率。教师结合教学内容通过多媒体教学平台演示电路工作情况, 通过人机对话的方式, 教师当场进行元件接线、参数设定, 边连线, 边测试, 边修改, 边分析, 并与理论计算结果进行对照。通过E W B软件的“component properties” (组成部件属性) 随时调整和修改元器件参数, 分析各元件参数对电路的作用与影响。在调试、测量和观察思考的教学、学习过程中, 把模拟实验与理论有机结合起来, 加深了学生对理论的认识与掌握。

以模拟电路中典型的基本放大电路为例, 作为单级放大电路, 首先需要分析放大器的直流工作状态, 设置合适的静态工作点, 然后进行交流放大特性的研究分析[3]。利用EWB仿真软件可以很形象地结合理论给与分析演示。电路原理图如图1所示。仿真中使用理想晶体管, 它的基本参数β=100, 其它电路参数如图1中所示。

2.1 理论分析

(1) 电路的静态工作点为:

(2) 路的交流分析:

在中频信号段, 我们不考虑耦合电容、旁路电容和晶体管结电容的影响, 利用微变等效电路法, 晶体管输入电阻为:

中频段电压放大倍数为:

2.2 仿真分析

打开EWB仿真软件, 拖动相应的元器件创建如图1所示的电路原理图, 并在相应的位置上安装好测量仪表, 两个直流电流表用于测量IB、IC;两个交流电压表分别用于测量UI、UO。选用信号发生器用于产生1000Hz的正弦交流信号, 将示波器接于电路中, 以便观察输入与输出信号波形。

2.2.1 静态值和电压放大倍数的仿真分析

仿真分析主要包含静态值和电压放大倍数的实验测量。把理论计算值和仿真分析值形成表1。

通过两者的对比, 可以看到它们具有较好的一致性。给于学生良好的感性认识。更形象地, 利用EWB中的示波器给出输入输出的仿真波形如图2所示。

2.2.2 静态工作点对放大器失真的影响

保持输入电压Ui不变, 将电位器RW调节至5%, 即总的, 输出信号出现失真, 用示波器可以很清楚地观察到失真的波形, 如图3所示。

3 结语

通过上面的教学示例, 可看出:

(1) 用E W B进行仿真模拟实验, 实验过程非常接近实际操作的效果。各元器件选择范围广, 参数修改方便, 不会像实际操作那样把元件多次焊接而损坏器件和印刷电路板, 使电路调试变得快捷方便, 对《电工电子学》课程中的绝大部分电路都能应用, 不仅能用于对单个电路的特性和原理进行验证, 也能用于多级的组合电路。是一种“授之于渔”的很好方法[4]。

(2) EWB不但提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件, 还提供了各种丰富的调试测量工具:各种电压表、电流表、示波器、指示器、分析仪等。它是一个全开放性的仿真实验和课件制作平台, 给我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技术虚拟实验室, 使我们可以在任意组合的实验环境中搭建实验, 可用常规的调试方法如测量各点电压、电流、波形等来调试和测量电路。对于较大规模的电路, 可分级接线和调试, 通过元件复制或单级电路的复制来完成整个电路的组装, 因此也适用于较大型的设计性实验。

(3) EWB为我们提供了一个很好的实用工具, 使我们能够在教学过程中随时提供实验、演示和电路分析。教师在多媒体教室中深入浅出地分析各种电路的特性, 讲解各种参数改变对电路的影响。学生可结合学习内容, 进行接近于实际电路的调试分析, 加深对理论的理解, 提高学习效率。这样的计算机模拟仿真实验可以把电子技术的理论教学和实验教学有机地结合起来, 为电子电路实际制作打下良好的基础。

可以看到E W B在《电工电子学》课程教学中的广阔前景, 其方便的更改电路和元件参数的能力, 使我们得以很好的了解电子电路的各种性质。这是一种很好的理论联系实际的教学方法, 也是一种对学生实际能力培养的有效工具。很显然, 利用计算机的电子设计自动化应是电子技术教学今后的发展方向。

经过5年的教学实践, 我们分别在机械、建筑、纺织、印刷、食品等专业进行了《电工电子学》课程的教学改革, 用EWB结合理论来辅助教学, 取得了良好的教学效果, 最重要的是更加激发了广大学生对《电工电子学》课程学习的热情, 提高了学习的兴趣, 更扎实地掌握了理论知识, 增强了学生的创新能力。同时, 为进一步地深化教学效果, 在E W B的基础上深入探讨其它具有更强功能的电子仿真软件很有必要, 譬如Protel、Max+plusⅡ、Multisim等, 把它们介绍给学生, 更有利于激发学生深入研究的兴趣, 使得学生能掌握先进的分析工具解决实际问题, 提高学生的专业素质, 为将来的发展打下良好的基础[5]。

摘要：综述了电子工作台的主要特点与功能, 并以单级放大电路为例阐述了使用EWB仿真软件来改进《电工电子学》课程的教学效果。通过教学, 拓宽了学生的思维空间, 有效激发了学生的学习兴趣, 同时也提高了学生的自学能力和探索解决问题的能力。

关键词：电子设计自动化,电工电子学,仿真,电子工作台