羅 倩 劉桂禮 劉國(guó)忠 趙雙琦 王曉飛

北京信息科技大學(xué) 北京 100192

仿真技術(shù)在電子類課程教學(xué)中的實(shí)踐和研究*

羅 倩 劉桂禮 劉國(guó)忠 趙雙琦 王曉飛

北京信息科技大學(xué) 北京 100192

介紹了將仿真技術(shù)引入電子類課程教學(xué)的意義，教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，并對(duì)這種教學(xué)效果進(jìn)行了總結(jié)。實(shí)踐表明，應(yīng)用仿真技術(shù)進(jìn)行電子類課程教學(xué)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析和設(shè)計(jì)能力，對(duì)提高電子技術(shù)課程教學(xué)效果和效率及對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)都起到了較好的促進(jìn)作用。

仿真；教學(xué)；電子技術(shù)；仿真教學(xué)軟件

隨著集成電路與計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)仿真工具進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要特征，以電路和系統(tǒng)仿真為基礎(chǔ)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)已滲透到電子系統(tǒng)和專用集成電路設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，日益顯示出其強(qiáng)大的功能和不可替代的重要作用。

一、教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)的意義

仿真技術(shù)為使用者提供了一個(gè)測(cè)試儀器先進(jìn)、器件品種齊全、全功能、全頻帶的分析平臺(tái)，顯示直觀，實(shí)現(xiàn)了包括模擬電路、數(shù)字電路、接口電路以及通信系統(tǒng)等電子系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上和電路特性上的模擬以及參數(shù)的優(yōu)化，可以直接模擬各種惡劣工作環(huán)境及各種極限條件而不會(huì)損壞器件或電路，較真實(shí)地仿真分析電路系統(tǒng)的工作，精度高、功能強(qiáng)、輸入效率高，將設(shè)計(jì)錯(cuò)誤極大限度地消滅在制作樣機(jī)之前。利用仿真技術(shù)，不僅縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，同時(shí)也降低了產(chǎn)品成本。

仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，對(duì)提高高等院校學(xué)生的綜合素質(zhì)和設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力提供了極大的幫助，也為電子技術(shù)系列課程的教學(xué)提供了先進(jìn)的教學(xué)手段和方法，因而仿真技術(shù)的應(yīng)用是在電子類課程教學(xué)中十分重要的內(nèi)容。目前，我國(guó)許多高等院校都開始投資于本科生仿真技術(shù)教學(xué)環(huán)境的建設(shè)，目的是培養(yǎng)具有工程素質(zhì)、能夠應(yīng)對(duì)21世紀(jì)世界技術(shù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)的電子工程技術(shù)人才。

二、仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的情況

在教學(xué)中，許多仿真分析軟件已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，學(xué)生可以掌握電路設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試的方法和印刷線路板設(shè)計(jì)的方法，但是尚不能很好地利用仿真技術(shù)工具進(jìn)行電路的調(diào)試、修改、優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)面向成本、面向產(chǎn)品合格率等方面設(shè)計(jì)和分析，難以適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際的需求，綜合分析和設(shè)計(jì)能力欠缺，只局限在理論設(shè)計(jì)階段；同時(shí)，雖然具備基本的設(shè)計(jì)能力，但對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試方法、安裝與焊接工藝、故障分析等實(shí)用技能仍比較欠缺，致使所學(xué)知識(shí)與社會(huì)實(shí)際需求脫節(jié)。

此外，很多情況下電路需要結(jié)合多種設(shè)計(jì)輸入(如用Verilog、VHDL等實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)輸入)進(jìn)行系統(tǒng)的綜合仿真，并通過Spice等工具制定用戶特定的仿真需求，而目前課程中缺乏這些內(nèi)容。

在目前教學(xué)中，高頻電路的設(shè)計(jì)和仿真部分較欠缺，缺乏印刷線路板級(jí)仿真的內(nèi)容，而當(dāng)今，電子產(chǎn)品正向工作高速度、元件高密度、存儲(chǔ)大容量方向發(fā)展，這對(duì)印刷電路板設(shè)計(jì)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，在教學(xué)中需要增加印刷線路板級(jí)的分析和仿真內(nèi)容，利用仿真技術(shù)完成對(duì)電路的時(shí)序分析、波形分析、信號(hào)完整性分析、電磁噪聲分析等，提高學(xué)生的印刷線路板設(shè)計(jì)能力。

同時(shí)，仿真工具與其他軟件的接口方面仍有欠缺，不能充分利用其他設(shè)計(jì)軟件已有的設(shè)計(jì)成果。

為了培養(yǎng)適應(yīng)信息時(shí)代新形勢(shì)發(fā)展的有用人才，迫切需要對(duì)電子類課程教學(xué)進(jìn)行改革，以培養(yǎng)學(xué)生的電子設(shè)計(jì)綜合能力，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，使學(xué)生從工程角度思考問題，使所設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)產(chǎn)品在綜合質(zhì)量和可靠性等方面都得到保證，更好地適應(yīng)用人單位生產(chǎn)技術(shù)實(shí)際需求和高新科技發(fā)展潮流。

三、教學(xué)實(shí)施內(nèi)容和目標(biāo)

第一，在電子類課程教學(xué)內(nèi)容中，研究利用仿真技術(shù)加強(qiáng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其是常用單元電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容，加大對(duì)電路的調(diào)試、修改、優(yōu)化和面向成本設(shè)計(jì)、綜合分析和設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，包括電路的功率要求、抗干擾要求、隔離要求、處理速度、處理精度、可靠性、成本、生產(chǎn)合格率要求等實(shí)際設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，使學(xué)生在常規(guī)電子設(shè)計(jì)思想、智能電子系統(tǒng)相關(guān)的電路和器件選擇方法和現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)方面打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，通過掌握仿真技術(shù)，提高現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。同時(shí)，兼顧設(shè)計(jì)技能的培養(yǎng)，并通過讓學(xué)生查閱相關(guān)手冊(cè)和文獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生利用文獻(xiàn)和資料的能力。此外，在電子系統(tǒng)的應(yīng)用中，研究如何注重知識(shí)和方法的綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

第二，在學(xué)生利用仿真技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，研究培養(yǎng)學(xué)生掌握多種設(shè)計(jì)輸入能力的方法，從而實(shí)現(xiàn)高層次系統(tǒng)綜合，研究Verilog、VHDL等相關(guān)設(shè)計(jì)輸入軟件的使用及其與EDA軟件的結(jié)合方法，增加用戶特定仿真分析方法的教學(xué)內(nèi)容，研究Spice等仿真分析語言的使用，以及其他相關(guān)軟件分析結(jié)果(如Labview)與仿真技術(shù)的相互結(jié)合。

第三，研究培養(yǎng)學(xué)生高頻電路設(shè)計(jì)能力的方法，研究印刷線路板級(jí)分析和仿真技術(shù)及相關(guān)仿真軟件(如Cadence等)的使用及其與現(xiàn)有EDA軟件結(jié)合的方法，培養(yǎng)學(xué)生完成時(shí)序分析、波形分析、信號(hào)完整性分析、電磁噪聲分析的能力，培養(yǎng)學(xué)生解決PCB設(shè)計(jì)的可制造性問題、可測(cè)試性問題、信號(hào)完整性問題、電磁兼容性問題的能力，具備多層板設(shè)計(jì)、高速板設(shè)計(jì)、混合信號(hào)板設(shè)計(jì)的基本技能。

第四，研究和設(shè)計(jì)適應(yīng)訓(xùn)練學(xué)生能力的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，給學(xué)生留出足夠的空間去設(shè)計(jì)，啟發(fā)學(xué)生多向思維和設(shè)計(jì)思路，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、自我學(xué)習(xí)能力和接受不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)和新方法的能力，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造靈感和創(chuàng)新欲望，更好地提高學(xué)生電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合能力和技能水平。

通過教學(xué)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，具有較強(qiáng)的電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力和技能，使學(xué)生能夠從工程角度思考問題，綜合運(yùn)用電路、電子技術(shù)、單片機(jī)等知識(shí)，根據(jù)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)出滿足性能技術(shù)指標(biāo)要求的具有較高可靠性、穩(wěn)定性、安全性、抗干擾性的實(shí)際電路，電路具有所用元器件少、電路簡(jiǎn)單、體積小、成本低、功耗低、便于生產(chǎn)、測(cè)試和維護(hù)等特點(diǎn)，使學(xué)生成為創(chuàng)新能力較強(qiáng)的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，更好地適應(yīng)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐的需求，更好地貼近社會(huì)用人單位的需求。

四、教學(xué)效果

1.培養(yǎng)學(xué)生打下扎實(shí)的理論功底

從電路的仿真可以看出，借助仿真進(jìn)行教學(xué)，現(xiàn)象直觀，結(jié)果精確，圖像清晰，是電子技術(shù)教學(xué)很好的輔助手段，可以完成電子技術(shù)課程的相關(guān)教學(xué)，把仿真技術(shù)引入教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅可以使學(xué)生深入掌握理論知識(shí)，而且還可以使學(xué)生開闊眼界，學(xué)到電路設(shè)計(jì)的新方法、新技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力和排除故障能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.挖掘軟件的潛力，在仿真中展示各種對(duì)比關(guān)系

采用仿真軟件作為教學(xué)輔助手段，用仿真電路進(jìn)行驗(yàn)證，并分析電路的各種參數(shù)，如放大倍數(shù)、穩(wěn)定性、頻帶寬度、非線性失真的改善以及電路中不同形式對(duì)放大電路輸入和輸出電阻的影響等，學(xué)生能夠比較清晰地掌握電路的知識(shí)，鞏固教學(xué)內(nèi)容。

3.培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生電路調(diào)試的綜合能力

利用仿真軟件提供的對(duì)電路元件設(shè)置各種人為故障，如虛短、虛斷和漏電等功能，可以培養(yǎng)學(xué)生查找故障和調(diào)試電路的能力。在教學(xué)中，可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)被仿真電路的元件人為設(shè)置故障，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論和知識(shí)判斷故障點(diǎn)和排除故障，這樣可以有針對(duì)性地提高學(xué)生調(diào)試電路、排除故障和創(chuàng)新的能力，訓(xùn)練學(xué)生通過使用仿真儀表檢查、測(cè)試電路、查找障礙，并進(jìn)一步調(diào)試電路的能力，教師在教學(xué)中還可以利用這一方法對(duì)大型電路設(shè)置故障，讓學(xué)生僅通過現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x器去判斷和分析，定位和消除故障。

4.培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行各種設(shè)計(jì)輸入綜合的能力

很多情況下電路需要結(jié)合多種設(shè)計(jì)輸入(如用Verilog、VHDL等實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)輸入)進(jìn)行系統(tǒng)的綜合仿真，并通過Spice編寫用戶特定的仿真需求，而目前課程中缺乏這些內(nèi)容，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生熟悉硬件描述語言，能用硬件描述語言描述相應(yīng)的硬件，并利用仿真軟件混合仿真，給出仿真結(jié)果。

5.使學(xué)生建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念

在教學(xué)中使用仿真技術(shù)能夠幫助學(xué)生優(yōu)化設(shè)計(jì)中的子系統(tǒng)、關(guān)鍵子電路以及組件。通過仿真軟件，給學(xué)生建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念。我們?cè)谕ǔ５睦碚摻虒W(xué)中，很少有機(jī)會(huì)介紹實(shí)際的設(shè)計(jì)如何優(yōu)化，學(xué)生在這方面的知識(shí)就很欠缺，當(dāng)面對(duì)實(shí)際工作崗位，解決問題時(shí)很棘手。而仿真軟件提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能，可以對(duì)設(shè)計(jì)中各組成部分在不同的參數(shù)變化范圍和組合中觀察對(duì)設(shè)計(jì)輸出的影響，然后選取最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，這樣就幫助學(xué)生建立了優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念，并逐步形成習(xí)慣，設(shè)計(jì)出參數(shù)和性能都優(yōu)化的產(chǎn)品。

6.培養(yǎng)學(xué)生面向電路可靠性、元器件選型、產(chǎn)品合格率和產(chǎn)品成本的設(shè)計(jì)意識(shí)

合格率的問題，在學(xué)生學(xué)習(xí)中一般沒有什么概念，也不知道如何去分析和處理。在教學(xué)內(nèi)容上研究如何加強(qiáng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其是常用單元電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容，并研究如何加大對(duì)電路的調(diào)試、修改、優(yōu)化和面向成本設(shè)計(jì)、綜合分析和設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，包括電路的功率要求、抗干擾要求、隔離要求、處理速度、處理精度、可靠性、成本、生產(chǎn)合格率要求等實(shí)際設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

7.進(jìn)行印刷線路板級(jí)仿真的教學(xué)

隨著高頻電路設(shè)計(jì)的日趨廣泛，由于元器件在高頻工作下的分布參數(shù)效應(yīng)，在電路板設(shè)計(jì)過程中，介紹印刷線路板級(jí)分析和仿真的內(nèi)容，并使學(xué)生了解印制板級(jí)分析和仿真的EDA軟件的使用及其與現(xiàn)有EDA軟件結(jié)合的方法。

8.進(jìn)行各仿真軟件之間的接口

在電路設(shè)計(jì)過程中，增加多種設(shè)計(jì)輸入的教學(xué)內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)高層次系統(tǒng)綜合，介紹Verilog、VHDL等相關(guān)設(shè)計(jì)輸入軟件的使用及其與仿真軟件的結(jié)合方法。此外，增加用戶特定仿真分析方法的教學(xué)內(nèi)容，研究Spice等仿真分析語言的使用和與仿真軟件的結(jié)合。

五、結(jié)束語

仿真軟件運(yùn)用到電子技術(shù)教學(xué)中，在教學(xué)內(nèi)容中培養(yǎng)學(xué)生掌握高層次電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，拓寬了學(xué)生的思維空間，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的自學(xué)能力和解決問題能力，使學(xué)生在印刷線路板級(jí)仿真、面向合格率、成本和優(yōu)化設(shè)計(jì)、面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試等方面都得到了培養(yǎng)和訓(xùn)練，全方位提高學(xué)生的設(shè)計(jì)水平，使學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，具有電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和技能。我們?cè)诜抡孳浖虒W(xué)上取得了有益的嘗試，為了培養(yǎng)適應(yīng)信息時(shí)代新形勢(shì)發(fā)展的有用人才，培養(yǎng)學(xué)生的電子設(shè)計(jì)綜合能力，使學(xué)生具有較強(qiáng)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力做出了貢獻(xiàn)。

[1]鄔錫琴.PSpice 9在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，12：58～63

[2]史輝，朱瓊.將Multisim仿真技術(shù)引入電子技術(shù)課程教學(xué)的探討[J].中國(guó)電力教育，2009，9：158～161

[3]王全宇，董昱.EDA技術(shù)創(chuàng)設(shè)電子技術(shù)課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的研究[J].儀器儀表用戶，2008，15(6)：104～107

Practice and study on simulation technology in electronic teaching

Luo Qian, Liu Guili, Liu Guozhong, Zhao Shuangqi, Wang Xiaofei
Beijing information science & technology university, Beijing, 100192, China

In this paper, the meaning and content of simulation technology in electronic teaching are described. And the effects of such teaching method are summarized. Practice shows that with the application of simulation technology in teaching, students can be trained with comprehensive analysis and design capabilities. It has good effects for improving teaching efficiency and promoting students’spirits of innovation.

simulation; teaching; electronic technology; simulation teaching software

book=52,ebook=163

2010-02-03

羅倩，碩士，講師。

*本文獲北京信息科技大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“仿真技術(shù)在電子信息工程專業(yè)電子技術(shù)系列課程教學(xué)中的應(yīng)用”、北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教深化計(jì)劃資助基金項(xiàng)目（PXM2010_014224_095542）和教育部高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目（TS10074)資助。