郭 映 秦娟 石艷梅

天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院 天津 300384

仿真軟件輔助模擬電子技術(shù)課程理論教學(xué)

郭 映 秦娟 石艷梅

天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院 天津 300384

以模擬電子技術(shù)教學(xué)難點(diǎn)—集成運(yùn)算放大器應(yīng)用電路為例，把仿真實(shí)驗(yàn)引入到理論教學(xué)中。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證及電路參數(shù)的調(diào)整，觀察輸出波形，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，加深對(duì)電路原理和變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以獲得更好的教學(xué)效果。

模擬電路；集成運(yùn)放；積分；仿真

模擬電子技術(shù)是電子、通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。該課程知識(shí)點(diǎn)繁多，且內(nèi)容抽象，具有工程性、實(shí)踐性特點(diǎn)，學(xué)生普遍感覺(jué)比較難學(xué)。為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地理解電路分析的各種基本方法，提高教學(xué)效果，引入仿真軟件輔助教學(xué)成為現(xiàn)今高校教學(xué)的一種趨勢(shì)[1,2]。

在眾多電路仿真軟件中，Multisim軟件以其界面友好、操作方便、元器件和測(cè)試儀器豐富、仿真和分析功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，被廣泛使用[2,3]。學(xué)生用鼠標(biāo)操作元器件，搭建電路，對(duì)其進(jìn)行各種性能仿真。通過(guò)虛擬儀器對(duì)電路進(jìn)行測(cè)量或驗(yàn)證，如同操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)，且無(wú)任何元器件的損耗和損壞。此外，學(xué)生還可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電路，通過(guò)仿真確定其參數(shù)及性能，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

1 電路仿真輔助教學(xué)

模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。運(yùn)放屬于集成單元，不同于分立元件，簡(jiǎn)單直接，一目了然。運(yùn)放組成的電路多種多樣，令人眼花繚亂。如果在理論教學(xué)的過(guò)程中，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，演示仿真結(jié)果，進(jìn)行分析說(shuō)明，則利于對(duì)抽象知識(shí)的深刻理解。

1.1 積分電路

盡管運(yùn)放的應(yīng)用電路多種多樣，由理論教學(xué)可知，運(yùn)放的工作區(qū)域只有兩個(gè)：線(xiàn)性區(qū)或非線(xiàn)性區(qū)[4]。對(duì)線(xiàn)性區(qū)運(yùn)放電路，可以運(yùn)用“虛短”和“虛斷”兩個(gè)重要概念進(jìn)行分析[4]。

積分電路屬于運(yùn)放線(xiàn)性區(qū)應(yīng)用。通過(guò)電路是否引入負(fù)反饋，判別運(yùn)放是否工作在線(xiàn)性區(qū)。圖1所示為典型的積分電路。運(yùn)放通過(guò)C1引入負(fù)反饋，其工作在線(xiàn)性區(qū)。理論分析可知，輸出電壓求解t1到t2時(shí)間段的積分值，當(dāng)uI是常量時(shí)，因此，當(dāng)輸入信號(hào)為方波時(shí)，經(jīng)過(guò)積分電路，可以獲得三角波輸出。

通過(guò)仿真測(cè)試驗(yàn)證理論分析。在圖1所示積分電路中，輸入頻率50 Hz、峰值電壓500 mV的方波。觀察示波器，輸出三角波，與理論分析一致。但波形整體上移，即出現(xiàn)積分漂移(如圖2所示)。

圖2 積分電路測(cè)試波形

分析原因，積分漂移的產(chǎn)生是運(yùn)放輸入失調(diào)所致。理想運(yùn)放利用“虛短”概念，兩輸入端電位無(wú)限接近，即正輸入端接地，負(fù)輸入端也為零，則得到積分函數(shù)。實(shí)際運(yùn)放非理想，存在輸入失調(diào)，輸入的偏移量也被積分，所以出 現(xiàn)了積分漂移。此概念若僅用語(yǔ)言描述十分抽象，缺乏直觀認(rèn)識(shí)，學(xué)生接受起來(lái)比較吃力。通過(guò)仿真波形的演示，形象地給出結(jié)果，更易理解。

對(duì)于積分漂移問(wèn)題的解決，可以通過(guò)閉合圖1中的J1開(kāi)關(guān)，即引入R3積分漂移泄放電阻。觀察波形發(fā)現(xiàn)，三角波下移，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，輸出波形穩(wěn)定，且以t軸對(duì)稱(chēng)，沒(méi)有漂移(如圖3所示)。

圖3 無(wú)漂移積分輸出波形

此外，理論分析輸出電壓公式，發(fā)現(xiàn)參數(shù)R1，C1以及輸入信號(hào)峰值和頻率都會(huì)對(duì)輸出三角波形產(chǎn)生影響。具體影響效果，可以通過(guò)調(diào)整仿真電路圖1中的參數(shù)，進(jìn)行觀測(cè)。如修改電路參數(shù)R1，保持其他參數(shù)不變，觀察輸出波形。隨著R1的增大，輸出三角波電壓幅值減小，最后輸出基本成一條直線(xiàn)；相反減小R1值，輸出三角波下移，幅值增大。當(dāng)R1大約2 kΩ時(shí)，輸出三角波以t軸對(duì)稱(chēng)，沒(méi)有漂移，且幅值可達(dá)±13.5 V，接近電源電壓。繼續(xù)減小R1值，輸出波形變?yōu)樘菪尾?，繼而方波(如圖4所示)。分析原因，積分時(shí)間常數(shù)，受輸出電壓的限制，不能選太?。环駝t，不到積分時(shí)間，運(yùn)放輸出就已飽和。

圖4 R1=200Ω時(shí)輸出波形

1.2 矩形波發(fā)生電路

矩形波發(fā)生電路是運(yùn)放非線(xiàn)性區(qū)應(yīng)用。若運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或僅引入正反饋，則其工作在非線(xiàn)性區(qū)，輸出高電平或低電平。

圖5所示是矩形波發(fā)生電路。R2和R4引入正反饋，電路中的運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)。由理論知識(shí)可知，當(dāng)運(yùn)放同相輸入端電位uP大于反相輸入端電位uN時(shí)，輸出高電平；當(dāng)uP＜uN時(shí)，輸出低電平。圖5中R3C1為延遲環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行充放電，改變運(yùn)放反相輸入端電位。同相輸入端電壓。輸出狀態(tài)發(fā)生跳變的條件取決于uP。仿真驗(yàn)證理論分析，改變R2的阻值，波形如圖6所示。在示波器中可明顯觀測(cè)到電容充放電幅值的變化及對(duì)周期的影響情況。

圖5 矩形波發(fā)生電路

圖6 矩形波發(fā)生電路輸出波形

此外，影響波形周期的因素還有R3C1充放電時(shí)間。即改變電容C1或R3的值，矩形波的周期會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

1.3 三角波-方波發(fā)生電路

由前面的分析可知，如果矩形波發(fā)生電路輸出方波，然后將其作為積分電路的輸入，即可得到三角波發(fā)生電路。實(shí)用電路中，將方波發(fā)生電路中的RC回路與積分電路中的RC回路合二為一[4]。電路如圖7所示。

圖7 三角波發(fā)生電路

理論分析[4]，三角波發(fā)生電路的振蕩頻率，輸出電壓。根據(jù)公式，調(diào)節(jié)電路中的R1，R2，R4阻值和C1的容值，可以改變振蕩頻率；調(diào)節(jié)R1和R2的阻值，可以改變?nèi)遣ǖ姆怠?/p>

利用軟件仿真，可以驗(yàn)證上述公式，并確定符合要求的電路參數(shù)。例如，設(shè)計(jì)輸出電壓頻率500 Hz、幅值±6 V的三角波。仿真電路波形如圖8所示，元件參數(shù)如圖7所示。仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中，先調(diào)整穩(wěn)壓管及R1，R2的比值，使輸出幅值先滿(mǎn)足要求，然后再調(diào)整C1或R4，使頻率滿(mǎn)足要求[5]。通過(guò)示波器觀測(cè)，R1=R2時(shí)，輸出電壓約±6 V；三角波周期2.118 ms，頻率約為472 Hz。基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 三角波發(fā)生電路輸出波形

2 結(jié)束語(yǔ)

將仿真軟件用于模擬電路教學(xué)，通過(guò)電路的搭建、電路參數(shù)的調(diào)整，觀察仿真輸出波形，進(jìn)行理論分析，將語(yǔ)言難以清楚表述，或現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)不易進(jìn)行的知識(shí)內(nèi)容，清晰、形象化地呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，使枯燥的課堂講授變得生動(dòng)有趣，化難為易，激發(fā)了學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣，加深了對(duì)電路理論知識(shí)的理解和記憶，有效地提高了課堂教學(xué)效率。

[1]陳曙光.仿真軟件在模擬電子技術(shù)項(xiàng)目教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2015(231):134-138.

[2]劉云琦.Multisim仿真與《模擬電子技術(shù)》教學(xué)[J].科技信息,2013(35):199-200.

[3]聶典.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.

[3]王元華,劉文斐,李娟. Multisim10仿真軟件在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù),2013(2):66-69.

[4]童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2015.

[5]褚麗娜,左先章,王瑾.Multisims在三角波發(fā)生電路教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2013(35):111-113.

Simulation Software Assists Analog Electronic Technology Course Theoretical Teaching

Guo Ying, Qin Juan, Shi Yanmei
School of Electrical and Electronic Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin, 300384, China

Integrated operational ampli fi er circuits which are the analog circuit teaching dif fi culties as an example, simulation experiment is introduced into the theoretical teaching. Through the simulation of the circuit and the adjustment of the circuit parameters, the output waveforms are observed and the experiment results are analyzed. Students can get a deeper understanding of circuit principle and the change rule. Their interests in learning can also be stimulated. Teaching effect is better than before.

analog circuit; operational ampli fi er; integral; simulation

郭映，博士，副教授。

天津理工大學(xué)教學(xué)基金。