淺談仿真軟件在電子電路教學(xué)中的應(yīng)用

翁華萍

[摘 要] 利用仿真技術(shù)可以提高計(jì)算機(jī)快速準(zhǔn)確地進(jìn)行電子線路分析，不僅解決了實(shí)驗(yàn)室儀器和元器件帶來(lái)的限制，同時(shí)也在一定程度上打破了時(shí)間與空間的限制。將分析仿真軟件在電子電路技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程教學(xué)、課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

[關(guān) 鍵 詞] 仿真軟件；電路電子教學(xué)；輔助設(shè)計(jì)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）14-0214-02

在電子工程方面，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為該領(lǐng)域提供了很大的幫助，其中仿真技術(shù)的使用為電路設(shè)計(jì)和分析帶來(lái)了便利。電子技術(shù)是電子專(zhuān)業(yè)中基礎(chǔ)性課程，傳統(tǒng)的電子技術(shù)教學(xué)是將實(shí)驗(yàn)和教學(xué)分開(kāi)的，加上理論教學(xué)比較抽象，學(xué)生理解起來(lái)比較困難，在實(shí)驗(yàn)課上更不會(huì)將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作，最終造成學(xué)生學(xué)習(xí)效果不理想。仿真軟件使用在電路教學(xué)中，可以實(shí)現(xiàn)快速地進(jìn)行電路性能分析，該技術(shù)可以為實(shí)際教學(xué)提供一個(gè)更加直觀的教學(xué)模式，從而提高電路電子教學(xué)的效率。

一、電路仿真軟件概述

目前，電路仿真軟件包括兩種：（1）是以Spice為主的電路仿真軟件，比如，ORCAD配套軟件中的PSpice軟件，它含有較多的元器件庫(kù)，可以對(duì)瞬態(tài)、電路直流的特性、交流特性的功能進(jìn)行分析，同時(shí)獲得較為精確的電路性能參數(shù)，將結(jié)果通過(guò)波形曲線或是文本的方式展示出來(lái)。而且PSpice可以實(shí)現(xiàn)功能參數(shù)掃描，分析元器件變化的參數(shù)給電路性能造成的影響，可以進(jìn)行最壞情況和蒙托卡諾情況分析。另外，這種仿真軟件也可以對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中，分散性的元器件參數(shù)造成的分散性電路特性進(jìn)行仿真，從而總結(jié)電路分散特性變化的規(guī)律。（2）一種電子虛擬工作臺(tái)EWD，之后改革成為Multisim仿真軟件，這種軟件顯著的優(yōu)勢(shì)就是使用計(jì)算機(jī)建立一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，該軟件具有一種電子儀器，可以對(duì)多種電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，比如，函數(shù)發(fā)生器、示波器等，同時(shí)種顯示器件可以提供更加直觀性的電力實(shí)驗(yàn)。另外，計(jì)算機(jī)電子仿真包括：系統(tǒng)級(jí)、電路級(jí)、物理級(jí)三個(gè)層次的電子仿真。在實(shí)際仿真實(shí)驗(yàn)中，電路級(jí)仿真比較多，這種仿真環(huán)境需要元器件模型作為支持，將輸出的波形和仿真信號(hào)代替實(shí)際電路中的示波器和信號(hào)源調(diào)試，從而進(jìn)行仿真。

二、分析電路的仿真軟件基本方法

使用PSpice分析仿真電路軟件包括四個(gè)步驟。在仿真技術(shù)分析中，繪制電路的正確性是基本要求，對(duì)仿真參數(shù)和類(lèi)型進(jìn)行設(shè)置，是進(jìn)行電路仿真的關(guān)鍵步驟，它關(guān)系到仿真的結(jié)果。使用Multisim進(jìn)行電路仿真分析，與PSpice基本過(guò)程類(lèi)似，就是電路圖繪制中需要包括所有實(shí)驗(yàn)用到的儀器，建立一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)電路。在仿真數(shù)字電力或是模擬電路瞬態(tài)時(shí)，需要對(duì)電路實(shí)驗(yàn)參數(shù)和類(lèi)型進(jìn)行仿真，將虛擬電源打開(kāi)，就可以進(jìn)入仿真狀態(tài)，之后得到仿真結(jié)果。電路仿真的基本分析步驟包括：（1）電路原理圖繪制；（2）設(shè)置仿真的參數(shù)和類(lèi)型；（3）使仿真軟件PSpice處于仿真狀態(tài)；（4）顯示仿真結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。想要使用PSpice仿真軟件輔助實(shí)際教學(xué)，需要對(duì)仿真電路語(yǔ)言進(jìn)行學(xué)習(xí)，就是PSpice語(yǔ)言，同時(shí)就是掌握電路仿真軟件的操作原理和方法。電路仿真技術(shù)包括元器件模型、參數(shù)設(shè)置、仿真軟件設(shè)計(jì)界面、定義變量、選項(xiàng)分析、電源描述等內(nèi)容，這些內(nèi)容可以結(jié)合視頻教程，讓教師和學(xué)生掌握仿真的操作流程。

三、仿真軟件在電子電路教學(xué)中的實(shí)踐

（一）電子技術(shù)課程輔助教學(xué)

在電路教學(xué)中使用仿真軟件，可以根據(jù)理論對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，使教學(xué)更加生動(dòng)，也能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的記憶，提高教學(xué)效率。例如，在分析正弦波振蕩電路時(shí)，該電源電壓是±12V，而且根據(jù)理論，如果滿足起振條件，而R2+R3+>2R1時(shí)，振蕩器會(huì)傳遞出正弦波信號(hào)。所以，在實(shí)際仿真中，隨機(jī)取5個(gè)R3值（見(jiàn)下表）進(jìn)行仿真研究。從PSpice仿真結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在R2+R3+>2R1>2R1，電路會(huì)出現(xiàn)振蕩情況，如圖1所示，如果正弦波信號(hào)輸出幅度大小和穩(wěn)幅時(shí)間與R3有很大的關(guān)系，這時(shí)可以得到會(huì)與二極管中的D2、D1產(chǎn)生穩(wěn)幅作用的結(jié)論。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在B點(diǎn)（379.011，9.2282）和A點(diǎn)（372.717，9.1695）中，對(duì)正弦波振蕩器的頻率進(jìn)行計(jì)算：1/（0.379011-0.372717）=158.9Hz，這與理論分析一致。

（二）虛擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在電路實(shí)驗(yàn)中是采取虛擬電子技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)建立實(shí)驗(yàn)華景，之后構(gòu)建電路，并分析電路的功能，從而達(dá)到理想實(shí)驗(yàn)效果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一般會(huì)用到仿真軟件中的阻容元件、電路數(shù)字門(mén)芯片、元器件庫(kù)中的晶體管等，還有儀器庫(kù)中的示波器、多個(gè)數(shù)字表、掃頻儀、信號(hào)數(shù)字發(fā)生器、邏輯分析儀等儀器，之后打開(kāi)開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)物實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比，虛擬電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)物操作，而且實(shí)物實(shí)驗(yàn)參與性比較強(qiáng)，另外，電子仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)可以結(jié)合計(jì)算機(jī)，提供快速準(zhǔn)確、直觀性的實(shí)驗(yàn)，也能實(shí)現(xiàn)資源共享，這種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)，極大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

在Multisim環(huán)境下的計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)案例。使74LS161計(jì)數(shù)器處于技術(shù)狀態(tài)，同時(shí)對(duì)時(shí)鐘參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將數(shù)碼管開(kāi)關(guān)打開(kāi)，這時(shí)就可以獲取計(jì)數(shù)器狀態(tài)以及輸出的進(jìn)位。之后對(duì)圖中的DBCA連線進(jìn)行調(diào)整，把計(jì)數(shù)器74LS16轉(zhuǎn)變成16進(jìn)數(shù)以下的任何數(shù)值。

（三）電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)應(yīng)用

傳統(tǒng)的電子電路教學(xué)都是學(xué)生根據(jù)學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行電路理論模擬，根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)電路的規(guī)模和功能。而教師會(huì)一個(gè)一個(gè)檢查學(xué)生設(shè)計(jì)的電路是否符合預(yù)設(shè)要求或是預(yù)設(shè)的技術(shù)指標(biāo)，這樣不僅會(huì)增加教師工作量，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)很多遺漏或是差錯(cuò)，進(jìn)而影響實(shí)際教學(xué)質(zhì)量。如果在課前進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，使用電路仿真技術(shù)，這樣學(xué)生也需要搭建電路、準(zhǔn)備元器件等，只需要利用仿真軟件檢查電路的設(shè)計(jì)情況，同時(shí)也能隨時(shí)對(duì)電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，這樣也不會(huì)給實(shí)驗(yàn)儀器造成破壞。使用仿真軟件可以讓學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，這樣才能加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的印象，從而提高教學(xué)效率。

使用仿真軟件幫助電子電路教學(xué)，可以及時(shí)驗(yàn)證理論內(nèi)容，而且仿真軟件可以為實(shí)際教學(xué)提供虛擬電子技術(shù)，操作者可以根據(jù)自己的實(shí)際需求進(jìn)行仿真電路的調(diào)整，這些實(shí)際實(shí)驗(yàn)提供了很大的便利。學(xué)生只需要掌握這種仿真軟件是怎樣操作的就行，實(shí)際操作比較簡(jiǎn)單，同時(shí)達(dá)到的教學(xué)效果非常顯著。

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