曲延華

(沈陽工程學(xué)院自動化學(xué)院，遼寧沈陽110136)

《模擬電子技術(shù)》是大多數(shù)工科專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的紐帶.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，模擬電子技術(shù)與現(xiàn)代控制理論、計算機、電力電子、信號處理等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，由此可見，模擬電子技術(shù)已成為一門多學(xué)科相互滲透的綜合性學(xué)科［1－5］.正是由于該課程涉及領(lǐng)域多，知識面廣，利用傳統(tǒng)的一支粉筆、一塊黑板、教師一言堂的教學(xué)方法很難達到理想的效果.因此，在《模擬電子技術(shù)》的教學(xué)過程中就迫切需要引入一種全新的教學(xué)模式，有效地提高教學(xué)效果，增強學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力［6］.將EDA(Electronic Design Automation)技術(shù)與《模擬電子技術(shù)》傳統(tǒng)教學(xué)模式相結(jié)合正適應(yīng)了現(xiàn)代信息時代的需求.EDA技術(shù)提供了基于計算機、自動化等技術(shù)的電子電路系統(tǒng)的設(shè)計方法，是現(xiàn)代電子設(shè)計的發(fā)展趨勢，聚集了電路原理圖繪制、PCB設(shè)計、模擬與數(shù)字電路混合仿真及電路優(yōu)化設(shè)計等功能.常用的EDA軟件有Protel、Matlab、Pspice、Multisim等，其中Pspice使用簡單，功能強大，主要用于電子電路的仿真和設(shè)計.因而在《模擬電子技術(shù)》教學(xué)過程中選用此軟件構(gòu)建電路及仿真系統(tǒng)，為現(xiàn)場教學(xué)營造了一種真實的電路工作場景.

1 Pspice仿真軟件的基本功能介紹

目前廣泛應(yīng)用的Pspice是由M icrosim公司推出的，不僅具有Spice原有的功能，在輸入輸出、圖形處理、算法的可靠性和收斂性、仿真速度、模擬功能擴展以及模型參數(shù)庫和宏模型庫等方面都有所改善和擴充，其組成內(nèi)容有8點:①設(shè)計管理程序(Design Manager)——幫助管理設(shè)計中的文件，具有強大的文件管理能力;②電路圖輸入程序(Schematics)——Pspice的輸入形式分為電路原理圖模式和網(wǎng)單文件模式;③電路仿真程序(Spice A/D)是Pspice的核心部分;④輸出繪圖程序(Probe);⑤激勵源編輯程序(Stimulation Editor);⑥模型參數(shù)提取程序(Parts);⑦電路優(yōu)化工具(Optimizer);⑧文本編輯器(Text Edit).

Pspice之所以能夠在電路CAD技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，得益于其含有一些獨特的功能，包括:直流工作點分析、直流靈敏度分析、直流傳輸特性分析、直流特性掃描分析、交流小信號頻率特性分析、噪聲分析、瞬態(tài)特性分析、傅立葉分析、溫度分析、參數(shù)掃描分析、最壞情況分析和蒙特卡洛統(tǒng)計分析等，還能夠?qū)?shù)?；旌想娐愤M行仿真.

Pspice仿真軟件具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析、時域分析、頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲和失真分析、離散傅立葉分析、電路零極點分析、交流分析、直流分析等電路分析方法，分析結(jié)果以數(shù)值模型或波形圖顯示.除此以外，還可以利用軟件提供的參數(shù)掃描功能，通過在一定范圍內(nèi)改變某器件的參數(shù)，經(jīng)過仿真系統(tǒng)可直觀地觀察到電路相關(guān)性能指標(biāo)的變化.當(dāng)然，也可以對被仿真元器件設(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電，從而可以在教學(xué)過程中模擬各種故障，一方面加深了學(xué)生對所學(xué)知識的理解，另一方面對培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力也有很大的幫助.

2 Pspice在《模擬電子技術(shù)》中的應(yīng)用實例

2.1 Pspice在理論課堂中的應(yīng)用

利用Pspice軟件的強大功能，結(jié)合計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以將教室變?yōu)橐粋€功能強大的多功能虛擬實驗室.教師在教學(xué)時，利用這樣一個虛擬實驗平臺搭建電路，講解、分析仿真電路，將電路的工作狀態(tài)清晰地展現(xiàn)在學(xué)生面前，既具體又生動.例如，在講解基本放大路靜態(tài)工作點的設(shè)置時，學(xué)生需要理解為什么放大電路要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，電路才能有效放大交流信號.在傳統(tǒng)教學(xué)中，只能在黑板上畫出波形，通過黑板作圖給學(xué)生講解由于靜態(tài)工作點設(shè)置不合理而導(dǎo)致的飽和失真和截止失真.由于該部分內(nèi)容比較抽象，此種講解方法不能使學(xué)生很好的理解.將Pspice仿真軟件引入后，能夠很好的解決這個問題.基本放大電路的靜態(tài)工作點分別處于放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)時的電路及輸入輸出端的波形，如圖1所示.通過圖形的比較，學(xué)生能夠非常容易的理解基本放大電路為什么需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點.

圖1 靜態(tài)工作點的電路及波形

2.2 Pspice在《模擬電子技術(shù)》實驗中的應(yīng)用

目前各高校的模擬電子實驗項目受場地、實驗臺及實際元器件等條件的限制，所以大部分都是驗證性實驗.Pspice仿真軟件的引入極大地推進了設(shè)計性實驗項目的進行.利用該軟件，學(xué)生可以隨時隨地的進行實驗設(shè)計，并可以使用任何電子器件，沒有硬件及時間上的限制.以RC橋式正弦波振蕩電路為例，其正弦波振蕩電路及輸出波形，如圖2所示.設(shè)計性實驗項目在實驗室實際操作之前，學(xué)生必須首先利用Pspice仿真，這樣每個同學(xué)選擇的元器件的參數(shù)是不一致的，仿真出來的結(jié)果自然不同.這不僅避免了因為實驗項目相同而導(dǎo)致所有同學(xué)的測試結(jié)果均相同的情況，而且避免了同學(xué)之間的抄襲現(xiàn)象，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性;實驗室實際操作需要使用跟仿真電路相同參數(shù)的元器件，將軟件仿真出來的波形及數(shù)據(jù)通過實驗直接測量，可以比對實際測量結(jié)果與仿真結(jié)果的異同之處.

通過圖2可以非常清楚的看到RC正弦波振蕩電路的起振情況及穩(wěn)幅狀態(tài).由于起振時間比較短，利用示波器較難細(xì)致的觀測到起振波形，而軟件仿真與實驗室實際測量可以相互彌補，使學(xué)生更好的理解正弦波振蕩電路的起振及穩(wěn)幅振蕩的概念.

圖2 RC橋式正弦波振蕩電路及輸出波形

2.3 Pspice在模擬電子電路綜合設(shè)計中的應(yīng)用

使用Pspice設(shè)計了1個中心頻率為25 kHz的Sallen-Key帶通濾波器，如圖3所示.利用Pspice軟件自帶的靈敏度分析功能對該電路進行靈敏度分析發(fā)現(xiàn)，元器件R2、R3、C1和C2變化時，對電路頻率響應(yīng)輸出V(out)的波形影響最為顯著，如圖4所示.R、C在正常狀態(tài)下對應(yīng)V(out)的輸出波形如圖4中的a圖所示，可以看出該帶通濾波器的中心頻率為25 kHz，在11 kHz到64 kHz之間處于通帶范圍內(nèi).R2增大R2減小狀態(tài)下對應(yīng)V(out)的輸出波形如圖4中的b圖所示，可以看出當(dāng)R2減小時，增益變大，但是帶寬變窄，而且中心頻率嚴(yán)重偏離25 kHz，中心頻率增大;R2增大時，增益變小，帶寬沒有明顯改善.R3增大R3減小狀態(tài)下對應(yīng)V(out)的輸出波形如圖4中的c圖所示，可以看出當(dāng)R3增大時，增益變大，帶寬變寬，但是中心頻率嚴(yán)重偏離25 kHz，中心頻率變小;R3減小時，增益明顯變小，帶寬變窄，中心頻率嚴(yán)重偏離25 kHz，中心頻率變大.C1增大C1減小狀態(tài)下對應(yīng)V(out)的輸出波形如圖4中的d圖所示，可以看出C1的變化與R3的變化對該濾波電路的影響一致.C2增大C2減小狀態(tài)下對應(yīng)V(out)的輸出波形如圖4中的e圖所示，可以看出C2的變化與C1的變化對該濾波電路的影響正好相反.C1增大C2減小狀態(tài)下對應(yīng)V(out)的輸出波形如圖4中的f圖所示，C1增大C2減小狀態(tài)下對應(yīng)V(out)的輸出波形如圖4中的g圖所示，C2增大C1減小狀態(tài)下對應(yīng)V(out)的輸出波形如圖4中的h圖所示.

圖3 Sallen－Key帶通濾波器

圖4 元器件變化對輸出波形的影響

由以上電路及仿真波形可以看出，改變電路中不同元器件的參數(shù)可以改變帶通濾波器的帶寬、增益及中心頻率，由于涉及的參數(shù)較多，因而可以使用Pspice所提供的工具Optimizer來優(yōu)化已經(jīng)具有基本功能的電路.如果需要調(diào)解某些性能參數(shù)，如增益、帶寬等，就可以使用Optimizer對電路進行優(yōu)化.通過Optimizer調(diào)整電路中的參數(shù)值，觀察參數(shù)的微弱變化對電路性能的影響，直到性能達到要求為止.當(dāng)對電路性能參數(shù)要求較多時，則需要調(diào)節(jié)的參數(shù)也比較多，這時Optimizer就能充分地體現(xiàn)出其優(yōu)勢.

3 結(jié)語

根據(jù)將Pspice軟件引入《模擬電子技術(shù)》教學(xué)中的必要性，列舉出Pspice在《模擬電子技術(shù)》教學(xué)中的仿真實例，實踐教學(xué)表明:

1)EDA技術(shù)融入《模擬電子技術(shù)》理論課堂，將教室變?yōu)榱?個多功能虛擬實驗室.通過仿真軟件將電路的工作狀態(tài)清晰地展現(xiàn)在學(xué)生面前，既具體又生動，學(xué)生能夠很容易的理解枯燥乏味的理論知識.

2)Pspice仿真軟件也可以用來驗證實驗室的實際測試結(jié)果，使學(xué)生感受到理論與實際電路測試結(jié)果的差別，同時激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［7］.

3)Pspice仿真軟件在應(yīng)用與模擬電子電路綜合設(shè)計中，提高了設(shè)計的準(zhǔn)確性、直觀性和實用性，根據(jù)仿真結(jié)果所制作的PCB板具有較高的準(zhǔn)確率，減少了硬件電路板的調(diào)試周期，減少了實驗費用，節(jié)省了設(shè)計成本.

4)突破傳統(tǒng)的觀念，將EDA技術(shù)作為《模擬電子技術(shù)》的教學(xué)工具、知識呈現(xiàn)工具、情景展示工具、師生交流工具.通過合理的教學(xué)設(shè)計，從課程目標(biāo)出發(fā)，將信息技術(shù)融于教學(xué)結(jié)構(gòu)之中，提高了學(xué)生對信息技術(shù)的新認(rèn)識.

［1］ 寇雪芹，劉沛津，徐英鴿，等.基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的“電子技術(shù)”教學(xué)改革［J］.中國電力教育，2013，273(14):67－68.

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［3］ 王魯楊，王禾興.提高“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)效果的實踐［J］.中國電力教育，2012，234(11):38－39.

［4］ 栗紅霞，付瑞玲.淺談“模擬電子技術(shù)”課程的教學(xué)改革與實踐［J］.中國電力教育，2013，260(1):104－105.

［5］ 徐國保，吳衛(wèi)祖."模擬電路"課程四步教學(xué)法改革與實踐［J］.中國電力教育，2012(13):54.

［6］ 王彩君，黃智進.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)方法的探討［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，8(5):89－92.

［7］ 張理兵，陳付毅，陳亮亮，等.PSpice仿真軟件在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電子科技，2013，26(6):167－170.