淺談EDA技術在電類實驗教學中的應用

宋 放

（江蘇科技大學蘇州理工學院， 江蘇 鎮江 212004）

引言

現代社會是電子科技高速發展的時代，各種新元件、新方法、新技術層出不窮，工程師們開發的電子系統也越來越復雜、越來越龐大、要求也隨之越來越高，要分析、設計復雜的電子系統，原始的人工方法已不能滿足要求，為適應這種情況，日趨完善的EDA技術正在逐步取代傳統的電子設計方法。目前最新最全面的電子設計技術還是EDA技術，它的出現為電子設計工程師提供了一種全新的設計理念和方法，因此，掌握好EDA技術是適應新時代電子設計方面工作的基本技能，當下為了能滿足社會對高新技術人才培養的需要，靠傳統的實驗教學已遠遠不夠，必須把EDA技術融入實驗教學中，使學生能掌握EDA技術的發展，適應信息社會對設計人員的要求。

EDA技術是一門融合了現代電子與計算機技術，以計算機為平臺對電子電路、系統或芯片進行設計、仿真開發的計算機輔助設計技術，Multisim軟件的出現讓實驗室進入課堂成為可能。教師可以根據講課需求，通過操作計算機運行軟件，模擬各種類型實驗，并根據需要復制，使“實驗結果”可以重現，達到實驗演示與教師講解“同步”進行；通過顯示器屏幕的直觀化展示，使一些抽象的概念形象化，將一些方式、方法以動態方式圖解；也可以由學生實際操作，運用Multisim軟件進行仿真實驗，得到“實驗結果”。在整個過程中，學生自始至終都能保持極高的學習積極性。這樣的教學方式活潑生動，極大調動了學生的積極性，鞏固了學生的理解和記憶，大大提高了課堂教學效率。

1 電類傳統實驗教學中的問題

當前所采用的傳統實驗教學方式在實驗設施、實驗方式、實驗課時和實驗教師等方面存在著不少困難和問題。

第一，現在高校的招生規模每年不斷擴大，存在現有實驗室的設備型號陳舊，經費缺乏、實驗場地緊張等困難，這些問題直接影響到電類實驗的正常運行，如果得不到及時的解決就不能滿足學生人數的增長對實驗教學提出的要求。如果要滿足每人一組的要求幾乎更是不可能的。兩人一組或多人一組的實驗效果必然會大幅下降。

第二，從目前采用實驗方式看，我們采用了一定比例驗證性的實驗形式。由實驗指導書講解某個儀器儀表的原理，或某個電路定理；接著詳細闡述該實驗的詳細操作步驟和方法。學生只需要依據實驗指導教材連接實驗箱或者實驗板，最后對測試點加以測量就可以了。采用實驗方式，學生基本不回去主動思考，所以不利于培養他們獨立思維和創新的能力。而且由于形式陳舊，也影響了學生對實驗的興趣。

第三，目前每個電類實驗的時間只分配了2個課時。在這樣的時間里學生完成電路連接，參數測試和計算，以及結論的分析是非常緊張的。學生必須課前進行充分、細致的準備，不然很可能出現的情況是當實驗電路調試不成功、時間又所剩無幾的時候，學生干脆放棄實驗，而去直接抄襲或者編造實驗數據。這樣的實驗效果是非常不理想的。

第四，學生人數的增長，直接導致實驗老師的工作量大幅增加，使得擔負實驗教學的老師疲于應付，沒有更多的時間、精力投入科研和創新工作當中。并且重復性工作太多，也會直接影響到教學的質量和效果。

2 Multisim軟件的功能及基本特點

Multisim是加拿大IIT公司出品的板級電路仿真軟件，適用于模擬和數字電路的設計。該工具包含了電路圖輸入Spice仿真、HDL設計輸入和仿真、可編程邏輯綜合及其他設計能力。增加了大量的VHDL元件模型，可以仿真更復雜的數字元件，在保留了EWB形象直觀等優點的基礎上，大大增強了軟件的仿真測試和分析功能，大大擴充了元件庫中的元件的數目，特別是增加了大量與實際元件對應的元件模型，使得仿真設計的結果更精確、更可靠、更具有實用性。

它的主要特點有：

（1）采用直觀的電路圖輸入方式。繪制電路圖需要的元件、電路仿真需要的虛擬儀器都可以直接從圖形界面的工作平臺上選取。

（2）具有豐富的元件庫。按照邏輯關系分為14個元件箱，而每個元件箱內又包含大量元件模型。用戶還可以自行編輯或者創建新的元件。

（3）充足的虛擬儀器。Multisim不但提供11種常用測試儀表，并且所有儀器都與實物相似，所有儀器都可以多臺同時調用

（4）完整的分析方法。Multisim提供了15種常用的電路仿真分析方法。這些分析方法基本能滿足一般電路分析設計的要求

（5）操作方便，易學易用。Multisim與時間元件對應的元件模型非常豐富，增強了仿真的實用性。并且給用戶提供了自行創建和修改元件的工具。

3 Multisim軟件用于教學的優點

3.1 多用途，節省資金及空間

傳統的電類實驗要用到很多儀器設備，而且各種實驗所用的儀器也不盡相同，開設綜合性實驗用到儀器更多，過多的儀器設備不僅成本高，體積大，所需空間大，而且連接也十分繁瑣。為了很好地解決這個問題可以使用虛擬儀器系統。不僅虛擬儀器工作平臺的電腦變成多用途，而且實驗室也可以多用途，節約了設備成本，還可解決高校實驗室空間不足的問題。

3.2 實驗速度快，效率高

Multisim軟件具有快速、高效的特點，用它可以使學生的實驗電路只需虛擬調試成功即可組裝電路，節約了實驗時間，可以更好的開展各種設計型性實驗，而且打印機可直接打印出電路原理圖、實驗結果據和測試曲線，可以很好地對測試結果進行各種分析。

3.3 測量精度高，避免產生各種機械故障

傳統儀器是物理實體，儀器長時間使用以后，操作面板上的各種開關、旋鈕、按鈕會出現接觸不良等機械故障。而虛擬儀器的各種功能是由軟件實現的，用鼠標、鍵盤對其進行操作，避免了出現類似于傳統儀器的各種機械故障。另外，一般傳統儀器的指針式儀表測量誤差較大，而虛擬儀器的測量精度很高。

4 Multisim軟件在電類實驗教學中的應用

利用Multisim仿真軟件，可以進行各種實驗電路的設計、調試，如：單管放大電路、穩壓電路、多諧振蕩電路等。Multisim仿真軟件在電類實驗中的應用可分為以下幾個方面：

4.1 電類虛擬實驗

利用Multisim仿真軟件，可以進行各種實驗相關電路的設計與測試，例如：要做虛擬的單管放大電路實驗時，只要在電腦上將用到的“虛擬元件”和測試用的“虛擬儀器儀表”，“擺放”到實驗平臺的仿真區域，再根據原理圖，用鼠標操作連接好電路。然后用開啟仿真開關，進行虛擬測試。實驗中對電路元器件的各種參數修改很方便，用鼠標左鍵雙擊元件圖標，即可彈出元件參數修改窗口。如晶體管的型號參數、電阻的阻值、電容的容值、二極管的型號等均可根據所需重新設置，因此，大大提高了實驗效率。

4.2 實驗演示及考核

使用Multisim仿真軟件對電路進行設計和測試時不但可以使實驗效率大大提高，而且在實驗課中，可以很直觀、便捷地進行虛擬實驗和演示各種設計電路的工作原理。這樣理論課中學生難于理解吃透的重點和難點問題，可以通過虛擬實驗的演示來幫助理解。另外使用仿真軟件可以很方便的對學生實驗能力進行考察，如利用仿真軟件的電路故障設置功能，在電路中設置一些故障，用以考核學生對故障的排除能力。故障排除可以幫助學生加深對理電路原理的理解，高效地培養學生分析問題、解決問題的能力。

4.3 網絡虛擬實驗

如果將虛擬實驗室聯網，則可以實現網絡虛擬實驗。例如脈沖產生、整形電路，老師利用網絡對實驗室外的學生進行講解，然后學生通過連接學校的虛擬實驗室系統，運行仿真應用程序，就可以進行虛擬實驗，通過調用器件庫畫出電路原理圖，更換元件，更改信號參數，觀察、分析仿真的測試結果，將結果存盤，在電腦上與理論值進行比較，分析各種結論，寫出實驗報告。老師可以通過網絡收集和批改學生的報告，再向學生發送實驗成績。這有助于解決遠程教學中實驗難的問題。

4.4 進行電路設計，培養學生的創新能力

虛擬電類實驗室更好的為學生營造了良好的實驗環境，對構建以學生為主體的教學模式非常有利，更好的培養了學生的創新能力。如果將虛擬電類實驗室建設成開放性實驗室，學生就可以自由上機進行電路設計和虛擬實驗，除了課程中必須完成的驗證性實驗和綜合性實驗以外，學生還可以自己設計電路和選做一些感興趣的實驗。例如在“數電實驗”中，學生不僅可以完成規定的“譯碼器及應用”、“定時器及應用”等實驗，還可以自行設計一些趣味性的電路，如交通燈控制、彩燈控制等控制電路以及各種報警電路等，這樣既增強了學習氣味性，又可提高學生的主動設計能力，有利于提高教學質量。利用虛擬電類實驗室還能完成較大難度的綜合性或設計性實驗，如數字鐘實驗，這是數電實驗中計數、分頻、譯碼、顯示及時鐘脈沖振蕩器等組合邏輯電路與時序邏輯電路的綜合應用，通過綜合性或設計性實驗，進一步提高了學生研究和動手能力。

結語

用Multisim仿真軟件進行電類實驗教學非常方便，結果精確、圖像清晰、現象直觀，對電類實驗教學是非常好的輔助手段。并且，還為學生進行綜合性、創造性實驗提供了一個平臺，隨著Multisim仿真軟件的推廣和深入，其必將在電子工程、信息工程、電氣工程、自動控制等領域的輔助教學中發揮重要作用。

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