吳學(xué)軍

（湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽441053）

基于EDA仿真技術(shù)的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)

吳學(xué)軍

（湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽441053）

模擬電子技術(shù)課程是電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。本文通過分析傳統(tǒng)的教學(xué)方式的不足以及在教學(xué)中應(yīng)用EDA仿真的優(yōu)勢(shì)，闡述了EDA仿真技術(shù)理論與實(shí)踐有效結(jié)合的途徑，展示了運(yùn)用EDA仿真在基本放大器電路分析中的教學(xué)實(shí)例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，達(dá)到提升教學(xué)效果的目的。

EDA仿真；《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)；Multisim；仿真演示

引言

《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》是一門理論性和實(shí)踐性并重的技術(shù)基礎(chǔ)課程，它不僅像其它學(xué)科一樣具有自身的理論體系，還具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。它的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的實(shí)踐能力，既要求學(xué)生能系統(tǒng)地掌握電子線路的基本理論和分析方法，又要具有一定的基本單元電路的讀圖分析能力和初步的電路設(shè)計(jì)能力，從而為今后學(xué)習(xí)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《高頻電路》、《電子測(cè)量》等后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。可是，在實(shí)際的教學(xué)中教師反映“難教”，學(xué)生反映“難學(xué)”。為了取得良好的教學(xué)效果，改進(jìn)該課程的教學(xué)手段與方法成為解決問題的關(guān)鍵。EDA設(shè)計(jì)仿真技術(shù)是一種先進(jìn)的電子電路設(shè)計(jì)必須的一種技術(shù)。EDA仿真工具擁有直觀的操作界面，將EDA仿真融入該課程教學(xué)中，能夠有效解決“難教”和“難學(xué)”的問題。

1 傳統(tǒng)教學(xué)方式的缺陷

1.1 課堂上“填鴨式”講授

“填鴨式”教學(xué)，也稱之教師主導(dǎo)式，即教師在臺(tái)上口若懸河，滔滔不絕講，學(xué)生在下面被動(dòng)、乖乖的接受。此種教學(xué)方式枯燥乏味，學(xué)生的參與性、自主學(xué)習(xí)性、趣味性欠佳，早已遭到學(xué)生的厭倦。教育工作者急需對(duì)教學(xué)手段與方法進(jìn)行革新，但因?yàn)閹熧Y結(jié)構(gòu)與水平、設(shè)備條件、大環(huán)境等的限制，局限了革新的力度、深度和持久度。

1.2 教學(xué)手段單一

隨著多媒體教學(xué)的普及，雖然改變了傳統(tǒng)的黑板板書，但是由于教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時(shí)數(shù)較少等原因，很多教師講課所用的多媒體課件內(nèi)容設(shè)計(jì)不合理，還是采用“滿堂灌”，只是將課本上的理論、公式、電路圖、例題原封不動(dòng)地全部搬上投影[1]。此種方法備課最容易最輕松，但卻不能激發(fā)學(xué)生興趣與潛能，不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，往往導(dǎo)致課堂上睡覺者、玩手機(jī)者增多，聽課者少。

1.3 理論與實(shí)驗(yàn)不同步

傳統(tǒng)的理論課是在大教室里集中上課，而實(shí)驗(yàn)課是分小組在實(shí)驗(yàn)室上課，為了方便排課，很多實(shí)驗(yàn)課進(jìn)度相對(duì)理論課進(jìn)度比較滯后，也有個(gè)別實(shí)驗(yàn)超前的，不能同步進(jìn)行。這種理論與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)嚴(yán)重的現(xiàn)象，使得教師不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)的問題，不能給予合理的指導(dǎo)，也不便于學(xué)生很好的理解與運(yùn)用課堂教學(xué)的內(nèi)容，導(dǎo)致教學(xué)效果很不理想。

1.4 實(shí)驗(yàn)條件不足

模擬電子技術(shù)很多理論分析和結(jié)論比較抽象，不好理解，通過實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐體驗(yàn)，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解與掌握。但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，不可能每次上課都將實(shí)驗(yàn)儀器和元件搬到教室，有隨著學(xué)生人數(shù)的不斷增加，實(shí)驗(yàn)室也不可能一次容納很多學(xué)生，容易造成理論與實(shí)踐脫軌現(xiàn)象。

2 在教學(xué)中應(yīng)用EDA仿真的優(yōu)勢(shì)

2.1 EDA仿真的特點(diǎn)

EDA是電子技術(shù)發(fā)展歷程中產(chǎn)生的一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，是當(dāng)今電子設(shè)計(jì)的主流手段和技術(shù)潮流，是電子設(shè)計(jì)人員必須掌握的一門技術(shù)[2]。

大家可能都用過實(shí)驗(yàn)箱、電路板或者其他的東西制作過一些電子制作來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)做出來的電路存在很多事先并沒有想到的問題，由于電路連好或者焊好了不方便更改，更改電路會(huì)延長電路的設(shè)計(jì)周期。有沒有能夠不使用焊接電路進(jìn)行測(cè)試就能知道電路相關(guān)結(jié)果的方法呢？結(jié)論是有，這就是電路仿真技術(shù)。電路仿真是利用EDA系統(tǒng)工具的模擬功能對(duì)電路環(huán)境和電路過程進(jìn)行仿真，EDA仿真是EDA技術(shù)不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

EDA仿真軟件一般具有以下特點(diǎn)：（1）直觀的操作界面，就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)的操作平臺(tái)；（2）豐富的元件庫；（3）各種各樣的虛擬儀器儀表；（4）超強(qiáng)的分析功能；（5）實(shí)時(shí)的交互仿真模式[3]。

2.2 EDA仿真輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

EDA仿真輔助教學(xué)是一種完善電子技術(shù)課程的多媒體教學(xué)方式，在多媒體教學(xué)中引入EDA仿真設(shè)計(jì)與分析，使本身應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室完成的操作環(huán)節(jié)可直接在教室多媒體上教學(xué)，能夠引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與，積極思考。教師也可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容要制定相應(yīng)的仿真電路模型，并添加到相應(yīng)的課件中，替換原有的電路圖，豐富了課程的教學(xué)資源。與單純的幻燈片板書相比，師資不變，但改變了單一的教學(xué)方法、手段，學(xué)生不再枯燥乏味，且由于直觀形象的演示使學(xué)生更容易理解，教師也可以在相同時(shí)間內(nèi)完成更多的教學(xué)任務(wù)。同時(shí)，每一節(jié)課的知識(shí)內(nèi)容都可通過仿真演示進(jìn)行問題式討論、驗(yàn)證式總結(jié)，幫助學(xué)生消化學(xué)習(xí)內(nèi)容，還能活躍課堂氣氛。

EDA仿真應(yīng)用到理論教學(xué)中，就相當(dāng)于把實(shí)驗(yàn)搬到了課堂上。直觀、真實(shí)的再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的過程與現(xiàn)象，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比毫不遜色，卻有更多的靈活性及準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參數(shù)，隨時(shí)可以更換元器件、更改元件參數(shù)，隨即得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)象[4]。真正實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的同步，通過實(shí)踐進(jìn)一步鞏固理論知識(shí)，取得理想的教學(xué)效果。

投資少，損耗為零，與時(shí)俱進(jìn)。一套常規(guī)的多媒體示教平臺(tái)，裝上EDA軟件就可以了——成本低廉。實(shí)驗(yàn)中所需要的元器件、儀器儀表幾乎都有，設(shè)備之齊全，功能之完善，無與倫比。實(shí)驗(yàn)元器件損耗為零，不用擔(dān)心學(xué)生的誤操作而損壞儀器設(shè)備，不用花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和調(diào)試。且永遠(yuǎn)不用擔(dān)心過時(shí)，因?yàn)閷?shí)時(shí)的軟件升級(jí)完全能跟上時(shí)代的步伐。

3 運(yùn)用EDA仿真的教學(xué)展示

以《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》中“單管共射放大電路”這節(jié)內(nèi)容為例，展示運(yùn)用EDA仿真教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。本文采用常用的EDA仿真設(shè)計(jì)軟件Multisim11對(duì)單管共射放大電路進(jìn)行仿真輔助教學(xué)。

3.1 仿真分析步驟

（1）課前先用Multisim11軟件畫好單管共射放大電路的仿真電路圖，如圖1所示。

（2）靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)試。

圖1 基本放大電路仿真電路圖

在多媒體課件中給出表1（紅色部分），讓學(xué)生抄寫在稿紙上。然后調(diào)整圖1中電位器Rb的值確定靜態(tài)工作點(diǎn)。電位器Rb旁邊標(biāo)注的Key=A表明若按A鍵，電位器阻值按1%速度變化，電位器變動(dòng)的數(shù)值直接以百分比的形式顯示在一旁。調(diào)節(jié)Rb的值，觀察輸入輸出波形，使輸出波形不失真的情況下，記下Rb的阻值，然后啟動(dòng)Simulate-Analyses-DC Operating Point-Simulate,軟件自動(dòng)顯示運(yùn)行的結(jié)果[3]。直流靜態(tài)工作點(diǎn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 直流靜態(tài)工作點(diǎn)仿真結(jié)果

讓學(xué)生根據(jù)結(jié)果將要求的各個(gè)電壓、電流值記錄在表1中。

同理，調(diào)節(jié)Rb值，使輸出波形分別出現(xiàn)飽和失真和截止失真，將這兩種失真情況下的靜態(tài)工作點(diǎn)記錄在表1中。

表1 靜態(tài)工作點(diǎn)記錄表

（3）動(dòng)態(tài)波形測(cè)試。在多媒體課件中給出表2（紅色部分），讓學(xué)生抄寫在稿紙上。先設(shè)置Vi峰值的50mv，頻率為1kHZ的正弦信號(hào)，分別記錄表1中對(duì)應(yīng)三種靜態(tài)工作點(diǎn)情況下的輸出波形，讓學(xué)生觀察如圖3中示波器顯示的輸入輸出波形，并將對(duì)應(yīng)的輸出波形記錄在表2中。

圖3 示波器顯示輸入輸出波形圖

表2 輸出波形記錄表

（4）根據(jù)仿真提出問題，分析討論，并歸納總結(jié)相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。

3.2 仿真分析討論及知識(shí)點(diǎn)歸納

（1）在輸出波形不失真的情況下改變基極電阻Rb時(shí)，IB與IC的關(guān)系？

知識(shí)點(diǎn)1：從表1中記錄的數(shù)據(jù)得出三極管的電流放大倍數(shù)：

（2）發(fā)射極電流IE與集電極電流IC及基極電流IB的關(guān)系？

（3）VBE有何變化？

知識(shí)點(diǎn)3：三極管的基極電阻Rb減少時(shí)，各電流增大，VBE減少，但基本在0.7V左右變化。與教材中給出結(jié)論一致，即硅管發(fā)射結(jié)正向壓降約為0.7V。

（4）通過波形比較，觀察輸出波形的變化有什么特點(diǎn)。

知識(shí)點(diǎn)4：輸入、輸出波形的相位關(guān)系為反相，如圖2和表3所示波形。

知識(shí)點(diǎn)5：調(diào)節(jié)基極電阻，當(dāng)基極電阻減少使靜態(tài)工作點(diǎn)過高時(shí)，電流大，輸入信號(hào)正半周易進(jìn)入三極管的飽和區(qū)，導(dǎo)致輸出波形負(fù)半周（因反相）失真，此時(shí)稱之為飽和失真。

消除方法：適當(dāng)調(diào)大基極電阻。

知識(shí)點(diǎn)6：調(diào)節(jié)基極電阻，當(dāng)基極電阻增大使靜態(tài)工作點(diǎn)過低時(shí)，電流大，輸入信號(hào)正半周易進(jìn)入三極管的截止區(qū)，導(dǎo)致輸出波形正半周（因反相）失真，此時(shí)稱之為截止失真。

消除方法：適當(dāng)調(diào)小基極電阻。

知識(shí)點(diǎn)7：當(dāng)三極管進(jìn)入飽和區(qū)后電流放大關(guān)系式不再成立。

（6）當(dāng)Rb=40K，改變的負(fù)載RL后，觀察輸出波形有什么變化。

在仿真電路中分別設(shè)置負(fù)載為3K、30K、300K，將仿真輸出波形記錄在表3中。

表3 負(fù)載改變對(duì)輸出波形影響記錄表

知識(shí)點(diǎn)8：從表3中可以看出，三極管的電壓放大倍數(shù)與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載增大，電壓放大倍數(shù)增大。

3.3 總結(jié)并布置作業(yè)

對(duì)以上仿真過程進(jìn)行總結(jié)，特別是電路的仿真步驟，及其由此得到相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。最后布置相應(yīng)作業(yè)，要求同學(xué)們除了用理論的方法計(jì)算分析結(jié)果外，還用仿真的方法驗(yàn)證分析，使學(xué)生進(jìn)一步學(xué)以致用，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的密切結(jié)合。

4 結(jié)語

由上述案例可觀察出，EDA仿真技術(shù)融入《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》的課堂教學(xué)，不僅革新了教學(xué)手段與方式，變順序講授為問題發(fā)現(xiàn)、探究式，還能激發(fā)學(xué)生的興趣、培養(yǎng)學(xué)生的思維，變枯燥的理論為探究的結(jié)論。其教學(xué)效果也是截然不同的，學(xué)生厭倦的死記硬背少了，觀察思考的多了，課堂氣氛“百舸爭流”的局面多了，讓師生都能告別曾經(jīng)的無奈?？傊瑧?yīng)用DEA仿真技術(shù)輔助《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)能使抽象的知識(shí)形象化、具體化，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解與掌握，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到提升教學(xué)效果的目的。

注釋及參考文獻(xiàn)：

[1]陳爽,陳雷．EDA仿真軟件引入課堂的教學(xué)改革[J]．邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010(3):12-14．

[2]劉夫江．基于EDA仿真技術(shù)的《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程輔助教學(xué)[J]．臨沂師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005,(6):99-101．

[3]聶典,丁偉．Multisim10計(jì)算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2009．

[4]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(6):104-105．

Teaching Method ofAnalog Electronic TechnologyBased on EDASimulation Technology

WU Xue-jun
(School of Physics and Electronic Engineering,Hubei University of Arts and Science,Xiangyang，Hubei 441053)

Analog Electronic Technology is an important and basic professional course,which has strong theoretical property and practicality.By analyzing the shortcomings of traditional teaching methods and the advantages of EDA simulation in teaching,this article expounds an effective way to combine EDA simulation technology theory and teaching practice,shows the EDA simulation examples in the teaching of basic amplifier circuit analysis.The purpose of this teaching method is to improve teaching effect by stimulating students’learning interest and improving students'practice ability.

EDA simulation;teaching ofanalog electronic technology;Multisim;simulating demonstration

TP391.9；G642.0

A

1673-1891（2015）01-0157-04

2014-10-15

湖北省教育廳教研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012362）；湖北文理學(xué)院教研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JY201136）。

吳學(xué)軍（1975-），男，湖北漢川人，碩士，講師，研究方向：電子技術(shù)與信號(hào)處理。