姜亞萍,韓金玉,辛志鋒

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué),天津 300350)

引言

隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要,電子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到通信、交通、節(jié)能減排、醫(yī)學(xué)等人類生活和生產(chǎn)中的各個方面。作為一所重基礎(chǔ)強實踐的應(yīng)用技術(shù)型本科院校,培養(yǎng)學(xué)生既要具備扎實掌握基本概念、基本定理和基本分析方法三個基本的理論分析能力,更要具備對于復(fù)雜電路的設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用能力。模擬電子技術(shù)課程是我校自動化專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課之一,課程教學(xué)中如何兼顧大學(xué)生的理論分析和實踐動手能力的培養(yǎng)就顯得尤為重要。

近年來,隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,電子設(shè)計自動化技術(shù)(Electronic design automation,縮寫EDA)的發(fā)展也日趨成熟。Multisim就是一種功能強大且廣泛使用的電子設(shè)計自動化(EDA)工具,被廣泛應(yīng)用于電子工程領(lǐng)域。尤其借助Multisim仿真工具進(jìn)行模擬電路的分析、設(shè)計和仿真,最為實用方便。不僅能夠為學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)模擬電路及后續(xù)的數(shù)字電路等知識打下堅實的實踐基礎(chǔ);又因虛擬仿真既能快速準(zhǔn)確地測量靜態(tài)結(jié)果,能直觀清晰地觀察動態(tài)波形,給深度理論分析和實際工程設(shè)計帶來很大便利。本文以典型uA741集成芯片為例,詳細(xì)分析同相、反相比例運算放大電路和過零電壓比較器的虛擬仿真過程與方法,完美地和理論分析、實驗環(huán)節(jié)深度融合,幫助學(xué)生將難點知識突破,同時提高學(xué)生的設(shè)計開發(fā)和工程實踐創(chuàng)新能力,使得該門課程的教學(xué)效果顯著提高。

一、課程概況

模擬電子技術(shù)為我校本科自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課之一,其教學(xué)以市場需求、學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向,目的主要是通過對常用電子器件、典型模擬電路的分析和應(yīng)用的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握必要的電子技術(shù)方面的基本知識、基本理論和基本技能,能夠分析基本的電子線路,并具備一定的電路開發(fā)設(shè)計和應(yīng)用的工程實踐創(chuàng)新能力,為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工作打下扎實的基礎(chǔ)。該門課程在自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案中定位為專業(yè)基礎(chǔ)課程,既有理論環(huán)節(jié),又有實驗環(huán)節(jié)。實驗環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生理解模擬電路的工作原理、讀懂電路圖、連接電路和調(diào)試,培養(yǎng)學(xué)生測量分析的能力、常用電子儀器的使用能力,在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法、開拓學(xué)生創(chuàng)新意識、激發(fā)學(xué)生工程實踐創(chuàng)新能力、提高學(xué)生的綜合能力等方面,具有傳統(tǒng)課堂理論板書加多媒體式教學(xué)所無法替代的作用。

(一)教學(xué)現(xiàn)狀

教學(xué)現(xiàn)狀從教師層面和學(xué)生層面兩個方面分析。教師層面:傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)課程一般采用填鴨式灌輸方式教學(xué),內(nèi)容也大都依賴于刻板的多媒體靜態(tài)課件,缺少動畫動態(tài)演示及與行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)滲透,學(xué)生感受不到學(xué)有所用的成就感,從而失去對該門課程持續(xù)學(xué)習(xí)的興趣和動力。實驗大都在實驗室對已有的電路板塊進(jìn)行有針對性的電路連接測試,僅僅對理論知識加以驗證,缺乏一定的工程實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)環(huán)節(jié)。學(xué)生層面:我校自2016年招收第一屆本科生以來,自動化專業(yè)學(xué)生入校的整體素質(zhì)和學(xué)習(xí)儲備能力逐年提高。學(xué)生整體的學(xué)習(xí)求知欲較高,態(tài)度端正,積極向上,上課全神貫注,課下積極鞏固拓展。大部分學(xué)生具備一定的、扎實的電路知識基礎(chǔ),對于電路的基本概念理解比較到位,但也有少部分同學(xué)存在理論基礎(chǔ)和動手實踐能力弱、工程思維意識淡薄等不足。

根據(jù)對師生兩方面的綜合分析,再針對我校自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案中對該門課程的定位,模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)不再單單是電子元器件的工作原理、公式推導(dǎo)、波形分析,而是能夠運用所學(xué)理論知識對模擬電路進(jìn)行分析,并能夠根據(jù)實際的要求完成模擬電路的開發(fā)與設(shè)計。

(二)存在問題

我校本科自動化專業(yè)學(xué)生雖具備一定的理論基礎(chǔ),但在模擬實驗電路原理分析、實驗電路搭建及故障排除、實際電路的設(shè)計等方面存在一定困難。僅僅針對實驗指導(dǎo)書中的實驗電路圖的結(jié)構(gòu)及其工作原理部分學(xué)生進(jìn)行電路分析仍然比較困難。只有少部分學(xué)生能夠完全不通過老師指導(dǎo)獨立完成整個實驗的電路搭建、調(diào)試及測試分析等環(huán)節(jié),大部分學(xué)生需要通過老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助才能完成整個實驗測試環(huán)節(jié)。出現(xiàn)這種情況的主要原因是整體的教學(xué)內(nèi)容體系雖強調(diào)理論和實踐并重,但總體教學(xué)學(xué)時只有64學(xué)時,其中包括有限的16學(xué)時實驗。一方面在這種課時相對緊張的情況下,要進(jìn)行全面系統(tǒng)的教學(xué),要注重理論的深度分析,又要強調(diào)動手實踐的應(yīng)用能力,就會使得獨立自主學(xué)習(xí)能力一般的同學(xué)跟不上節(jié)奏,感到模擬電路非常難學(xué);另一方面在實驗室搭建電路難免會出現(xiàn)易耗元器件,需要隨時替換占用一些實踐探索時間。

鑒于上述情況分析,為一定程度上的節(jié)約成本綠色教學(xué),又能實時作為理論教學(xué)、課內(nèi)實驗的補充拓展學(xué)習(xí),EDA虛擬仿真使用迫在眉睫。作為日趨成熟的仿真工具,只要學(xué)生在個人電腦安裝Multisum工具就可以隨時應(yīng)用分析;目前,最新版本更新到Multisim14.0。也可以在開放實驗室自行獨立運行操作,安全系數(shù)非常高,不用擔(dān)心因短路造成元器件損壞或者因線路接錯造成不必要的安全隱患。

(三)教學(xué)內(nèi)容

該門課程的學(xué)習(xí)主要圍繞“基本電子元器件—基本放大電路—多級放大電路—集成運放線性和非線性應(yīng)用—反饋放大電路—功率放大電路—直流穩(wěn)壓電路”這一主線深入分析。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,集成電路也從小規(guī)模集成發(fā)展到中規(guī)模、大規(guī)模及超大規(guī)模集成,不僅集成的元器件成千上萬,更重要的是功能也越來越多。模擬電路已滲透到消費類電子產(chǎn)品、計算機(jī)、汽車、通信等各個領(lǐng)域。因此,對于實際電子電路的設(shè)計,尤其結(jié)合實際工程需求利用集成電路進(jìn)行的設(shè)計,必將是每一個工程師必備的基本技能。

集成運算放大電路,簡稱集成運放,是一個高性能的直接耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算,故而得名。

集成運算放大器電路有兩個輸入端:反相輸入端為uN,同相輸入端為uP和一個輸出端uo,輸出端的電壓與同相輸入端同相,而與反相輸入端反相。此外,運算放大器工作所需要的電源有+VCC端、-VEE端和接地端,一般情況下不畫出。理想情況下,集成運放的開環(huán)電壓增益為Auo≈∞、輸入電阻為Ri≈∞。

1.集成運放線性應(yīng)用

假設(shè)集成運放工作在線性區(qū),根據(jù)其理想?yún)?shù)可以推導(dǎo)出下面兩條重要的分析法則:

(1)虛短。由于Auo≈∞。根據(jù)電壓放大增益的定義可得:Auo=uo/ui≈∞。又因為集成運放輸入電壓為兩個輸入端的電壓差,即ui=uP-uN。所以可得,輸入端之間的電壓(uP-uN)應(yīng)為零,即uP≈uN。相當(dāng)于兩輸入端之間短路,即“虛短”。

(2)虛斷。由于Ri≈∞。根據(jù)輸入電阻定義式,可知理想運放的兩輸入端不吸取電流,即ip≈iN≈0。相當(dāng)于兩輸入端之間是開路的,即“虛斷”。

利用“虛短”和“虛斷”分析集成運放的各種應(yīng)用電路,將大大簡化復(fù)雜電路的分析與計算。

2.集成運放非線性應(yīng)用

當(dāng)集成運算放大器處于開環(huán)或者正反饋狀態(tài)時,其工作在非線性區(qū)。在非線性工作區(qū),兩個輸入端誰的電位高,輸出就反映誰的特征,即當(dāng)uP>uN時,輸出Uo趨于正向飽和;當(dāng)uP

下面以典型uA741集成芯片為例,設(shè)計開發(fā)同相比例運算放大電路、反相比例運算電路和過零電壓比較器三大模塊內(nèi)容,通過課上教師借助虛擬仿真教學(xué)演示及學(xué)生課下無限時間自主探索研究,完美地和理論、實驗環(huán)節(jié)深度融合,有效輔助學(xué)生理解重難點理論并能很大程度提升學(xué)生的電路設(shè)計與開發(fā)、故障調(diào)試及測試分析等工程實踐創(chuàng)新能力。

二、同相比例運算放大電路

(一)理論與實驗

以集成運放uA741為核心元器件設(shè)計的工作在線性區(qū)的典型應(yīng)用電路之一是同相比例運算放大電路。其理論原理圖與實驗測試圖,如圖1所示。

圖1 同相比例運算放大電路

首先,理論分析如下:

在N節(jié)點根據(jù)KCL列節(jié)點電流方程如下:(0-uN)/R1=(uN-uo)/RF+iN

在同相輸入端可以列流入到同相端的電流方程如下:ip=(ui-up)/R2

因為根據(jù)理想集成運放工作在線性區(qū),虛斷,可以得到:ip≈iN≈0所以,可得:ui≈up

又因為理想集成運放工作在線性區(qū),虛短,可以得到:uP≈uN所以,可得:ui≈up≈uN

最終,可以得到該電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式為:Af=uo/ui=(1+RF/R1) =(1+100/10)=11

由上式可知,Af只與電阻Rf和R1有關(guān),由于比值Rf/R1必為正。因此,同相比例放大器的Af>1,不會小于。

其次,實驗測試過程:根據(jù)電路原理圖,選取合適的芯片uA741,對其功能引腳做出正確判斷;然后選取合適的電阻10k(2個)、100k(1個) 進(jìn)行正確的連接。以輸入為+1V 為輸入測試信號,再將萬用表對其輸出電壓進(jìn)行上電測試?？梢灾庇^讀取測量結(jié)果并將理論計算結(jié)果和實驗測量結(jié)果匯總到表1中。

表1 同相比例運算放大電路的輸出電壓結(jié)果

(二)仿真分析

Multisim是模擬電子電路設(shè)計競賽時經(jīng)常用到的電子設(shè)計自動化軟件仿真工具,操作簡便,使得抽象乏味的實驗變得生動形象,可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,深化學(xué)生對理論知識的理解,增強學(xué)生的實踐動手能力,降低實驗成本。

該工具首先具有豐富的元件庫,諸如電源庫、基本元件庫、二極管庫、晶體管庫、TTL元件庫、CMOS元件庫等,無論搭建多么復(fù)雜的模擬電路,都能找到相應(yīng)的元件進(jìn)行電路設(shè)計;其次包含萬用表、信號發(fā)生器、示波器、失真分析儀、頻譜分析儀等類型豐富的常用儀器,方便快捷地對各種電路的不同測量需求提供便利;然后,電路連接界面直觀清晰、操作簡單,模擬真實的實驗電路搭建;最后,通過點擊運行,根據(jù)設(shè)計和測量需求,實時雙擊各類常用儀表,并可以快速準(zhǔn)確直觀清晰地記錄仿真結(jié)果。

首先,打開Multisim14.0界面創(chuàng)建空白工作文件;其次,在工作臺區(qū)間元件庫選取10K(2個)、100K(1個)、+12V和-12V各一個、+1V輸入電壓一個、地線一個和儀表庫選取萬用表一個;然后,按照圖1的同相比例運算放大電路原理圖進(jìn)行合理布局、正確連線;最后,將萬用表并聯(lián)在輸出端兩側(cè)并運行測試,如圖2所示。仿真分析同樣以輸入為+1 V為仿真測試信號為例。

圖2 同相比例運算放大仿真電路搭建及輸入為+1V時的輸出電壓的值

通過實驗和仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),同相比例運算放大電路的輸出與輸入關(guān)系基本和理論分析保持一致,符合Af=uo/ui=(1+RF/R1) =(1+100/10)=11的比例關(guān)系。

(三)對比分析功能

若想繼續(xù)分析同相比例運算放大電路對動態(tài)交流輸入信號的影響,可以通過改變輸入信號來觀察輸出信號的變化,如圖3所示。假設(shè)給定輸入信號頻率為1 kHz,振幅為10 mV的正弦交流信號。當(dāng)萬用表測得輸入信號電壓為7.071 mV,根據(jù)理論分析,其輸出電壓大小應(yīng)為輸入電壓的11倍且相位相同。

圖3 同相比例運算放大電路輸入為交流信號時的輸入輸出波形

通過仿真測試,不僅能快速準(zhǔn)確地讀取萬用表測量結(jié)果,仿真測得輸出電壓為77.767 mV,基本和理論分析結(jié)果保持一致;還能深入分析其波形變化,直觀看到波形由原來的通道A波形放大為通道B顯示的波形且相位同相位。為此,學(xué)生可以借助仿真平臺任意修改電路參數(shù)進(jìn)行故障設(shè)置和擬設(shè)計電路前的分析判斷,很大程度激發(fā)學(xué)生的自主探索意識和科研分析能力,從而進(jìn)一步提高了課堂教學(xué)效果。

三、反相比例運算放大電路

和同相比例運算放大電路大同小異,只是將輸入信號連接到反相端,同相端接地。按照理論分析其輸出信號與輸入信號大小存在一定的比例關(guān)系且相位相反。

仿真分析如下:

首先,打開Multisim14.0 界面創(chuàng)建空白工作文件;其次,在工作臺區(qū)間選取和同相比例運算放大電路同樣大小的元器件并進(jìn)行合理布局、連線,構(gòu)成反相比例運算放大電路;最后,將需要測量輸入輸出電壓波形的示波器并聯(lián)在輸入輸出端兩側(cè)并運行測試,結(jié)果如圖4所示。

圖4 反相比例運算放大電路輸入輸出波形

假設(shè)給定輸入信號為頻率為1 kHz,幅值為10 mV的正弦交流信號。當(dāng)萬用表測得輸入信號電壓為7.071 mV,根據(jù)反相比例運算放大電路理論分析,其輸出電壓大小應(yīng)為輸入電壓的10倍且相位相反。

通過仿真結(jié)果可以直觀看出,幅度較小的波形A通道為輸入信號,幅度較大的波形B通道為輸出信號,仿真測得輸出電壓為70.7 mV,同理論分析結(jié)果基本保持一致且其相位相反。

總體來看,學(xué)生不僅對同相比例運算放大電路和反相比例運算放大電路單獨進(jìn)行分析,將難點抽象知識化為具體數(shù)字結(jié)果和數(shù)字波形顯示,非常直觀地看到其相位是同相和反相,而且還能對其兩者進(jìn)行對比,激發(fā)學(xué)生靈活運用對比研究分析方法,更加深入分析每一個電路的特性和優(yōu)勢。從而提高學(xué)生開發(fā)和設(shè)計電路的工程思維意識和工程實踐能力。

四、過零電壓比較器

過零比較器是常見電壓比較器中典型的單限電壓比較器之一。它一般是將集成運放的同相端接地,反相端給定輸入電壓。根據(jù)比較輸入電壓的結(jié)果,在輸入信號過零點時輸出結(jié)果為正向或反向飽和電壓。當(dāng)輸入信號ui為正弦波時,ui每過零一次,比較器的輸出電壓uo將產(chǎn)生一次電壓跳變。輸出電壓uo的大小取決于輸出端接的穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值。

仿真分析如下:

首先,打開Multisim14.0界面創(chuàng)建空白工作文件;其次,在仿真電路搭建界面選取10k、5.1k各一個、+12V和-12V各一個、地線一個、02BZ2.2各一個、信號發(fā)生器一個、示波器一個;然后,按照過零電壓比較器的原理圖進(jìn)行合理布局、正確連線;最后,將萬用表和示波器并聯(lián)在輸出端兩側(cè)相應(yīng)測量輸出電壓并觀測示波器波形。假設(shè)給定的輸入信號為500 Hz 10V的正弦交流信號,根據(jù)過零電壓比較器理論分析,可得輸出應(yīng)為一個方波信號且每過零點就會發(fā)生跳變,如圖5所示。

圖5 過零電壓比較器的輸入輸出波形對比

通過仿真分析發(fā)現(xiàn),示波器顯示的正弦波信號為輸入信號,每過零點輸出電壓都會發(fā)生跳變。當(dāng)輸入信號為正半周大于0時,同相端電壓低于反相端電壓,所以輸出為反相端特性,其結(jié)果為負(fù)向飽和;反之,則正向飽和。同前面理論分析基本一致。同樣,可以直觀用萬用表測得輸出電壓的大小為2.905V。學(xué)生可以根據(jù)需求任意更換穩(wěn)壓二極管以便得到想要的輸出電壓值,為深入研究分析提供便利條件,也不必?fù)?dān)心由于元器件參數(shù)不合適燒壞元器件。

通過對同相比例運算放大電路的理論、實驗和虛擬仿真三合一的深入分析,學(xué)生將抽象問題化為具體,將難點知識突破并加深對于集成運放的理解,同時大大提高學(xué)生實驗電路動手連接、測試等實驗?zāi)芰?提高學(xué)生對于虛擬仿真的自主探索和大膽修改電路參數(shù)設(shè)計電路的工程實踐創(chuàng)新能力;通過同相和反相比例運算放大電路的對比研究分析方法,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力,從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)分析問題的思維和能力;EDA技術(shù)將難于理解抽象的過零電壓比較器轉(zhuǎn)化為直觀可見的波形的變化,并且通過自主探索實踐,很大程度增強學(xué)生自信心,激發(fā)學(xué)生對于學(xué)習(xí)無限可能的挖掘,培養(yǎng)學(xué)生自主研究學(xué)習(xí)能力。

五、教學(xué)效果

(一)仿真同理論、實驗深度虛實融合的多元化課程教學(xué)模式,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

作為應(yīng)用技術(shù)型本科院校,既要強調(diào)理論深層次分析的重要性,又要抓實踐應(yīng)用能力。但在有限的90分鐘內(nèi)根本不便于將實驗箱帶進(jìn)教室。為此,一直不斷探索將EDA技術(shù)融入模擬電子技術(shù)課程教學(xué)改革中,同理論、實驗深度虛實融合構(gòu)建多元化課程教學(xué)模式。豐富多樣化的教學(xué)內(nèi)容及形式大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生模擬電子電路設(shè)計開發(fā)與創(chuàng)造能力,提高大學(xué)生計算機(jī)的設(shè)計應(yīng)用水平,使得傳統(tǒng)的實驗測試數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析與計算機(jī)數(shù)據(jù)分析有機(jī)結(jié)合起來。

在有限90分鐘內(nèi),科學(xué)運用Multisim14.0仿真軟件授課,能夠快速、準(zhǔn)確地構(gòu)建出實驗原理圖,并能完美進(jìn)行仿真過程,實時顯示仿真測試結(jié)果,大大提高課堂教學(xué)效果和學(xué)生課堂吸收率。

(二)虛擬仿真打破時空界限,培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力,激發(fā)學(xué)生工程實踐創(chuàng)新能力

作為一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,僅靠64學(xué)時的教學(xué)學(xué)時,不能既全面系統(tǒng)又高精尖項目化設(shè)計并實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容,這就需要最大化豐富學(xué)生第二課堂無限時間,不局限于實驗室硬件設(shè)備的實驗測試。學(xué)生可以在課前預(yù)習(xí)時,提前在仿真平臺搭建電路測試運行,對于抽象概念可以有個初步的認(rèn)知和了解;然后帶著問題再聽課,事半功倍。這樣在滿足實驗要求與提高功能基礎(chǔ)上,一方面,大大降低實驗成本,每次的仿真過程與結(jié)果具有保存與反復(fù)應(yīng)用等諸多優(yōu)點;另一方面,學(xué)生獨立自主設(shè)計與運行仿真電路,很大程度上激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,培養(yǎng)學(xué)生自主探究和團(tuán)隊合作的科研能力。

(三)可任意設(shè)置故障(短路、斷路、漏電等)的虛擬仿真分析技術(shù),實現(xiàn)零安全事故,降低實驗成本

Multisim14.0具有豐富的元件庫,諸如二極管、三極管、集成運放等。一方面,可以幫助學(xué)生掌握模擬電路中常用到的三極管、集成運放等不同型號的性能,熟悉這些器件的關(guān)鍵核心參數(shù),進(jìn)一步理解它們的基本概念及其工作原理;另一方面,模擬電路的仿真運行不必?fù)?dān)心由于電路短路引起的元器件燒壞等問題,學(xué)生可以大膽嘗試并設(shè)置任意故障,諸如短路、斷路、漏電等,大大提高學(xué)生EDA仿真分析能力、敢于設(shè)計修改電路的開發(fā)創(chuàng)新能力和分析問題、解決問題的能力。

結(jié)語

通過不斷嘗試EDA技術(shù)在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的改革與應(yīng)用,實現(xiàn)理論、實驗和仿真三合一的緊密結(jié)合,進(jìn)行啟發(fā)探究式的教學(xué),借助計算機(jī)進(jìn)行輔助仿真分析,化難為簡,變抽象為具體,大大激發(fā)學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)興趣;可任意設(shè)置故障的仿真條件,不僅降低教學(xué)成本,實現(xiàn)零安全事故,還能增強學(xué)生大膽嘗試的勇氣和自信心,提高學(xué)生解決實際問題和工程實踐創(chuàng)新能力,進(jìn)而提高了模擬電子技術(shù)課程的整體教學(xué)質(zhì)量。