計算機仿真軟件在電子信息工程專業實驗教學中的研究分析

王棟?王蕊?李艷玲?朱曉菲

摘要：電子信息工程專業課程內容抽象，學生學習困難，因此需要加設課程對應的實驗教學。傳統的實驗教學往往依賴于硬件實驗平臺，存在設備老舊、設備短缺和人員維護有限等缺點，在一定程度上影響實驗教學的效果。隨著電子信息技術的不斷發展，計算機仿真軟件應運而生，成為傳統實驗教學的強大支撐。從發揮計算機仿真軟件在實驗教學中的功能和優勢出發，提出基于計算機仿真軟件的實驗教學方法改進措施，用于提升學生的綜合素質和實踐動手能力，達到提高實驗教學質量的目的。

關鍵詞：電子信息工程；計算機仿真軟件；實驗教學

一、前言

在電子信息工程專業課程設置中，傳統的實驗模式是基于實驗板、實驗箱的實體實驗，這種實驗模式存在設備老舊、設備短缺和人員維護有限等問題。而計算機仿真軟件的使用，可以很好地解決上述問題，提高實驗教學的設計性，達到理論聯系實際的目的，同時還能夠激發學生對計算機仿真軟件的使用熱情，為以后的科研實踐打好基礎[1]。

二、計算機仿真軟件介紹

計算機仿真軟件是一種專門用于仿真的計算機軟件，與仿真硬件同為仿真工具。它的發展依賴于仿真應用、算法、計算機建模等技術的發展。常見的電子信息類仿真軟件有MATLAB/Simulink、Multisim和HFSS等。

（一）MATLAB/Simulink簡介

MATLAB（矩陣實驗室，Matrix Laboratory的簡稱）是一款著名的計算機仿真軟件，由美國MathWorks公司發布。它主要應用于工程計算、信號處理、控制設計、信號檢測、圖像處理等相關領域。為科研、設計以及有效數值計算等眾多科學領域提供一個解決方案。除了MATLAB本身軟件外，MathWorks公司還有一個基于模型設計的產品Simulink，它可以用于嵌入式系統、動態模型系統等多個領域的仿真。Simulink是MATLAB中的一個可視化、模塊化的仿真工具，是一個基于MATLAB軟件的可視化環境，實現的動態系統建模、仿真和分析的軟件包[2]。此外，MATLAB可以在多種操作系統上運行，適用于Windows、MAC以及Linux操作系統，在各個領域得到了更加廣泛的應用。

（二）Multisim簡介

Multisim是一個完整的電子設計工具系統，由美國國家儀器（NI）有限公司研發推出，在Windows平臺上運行，適用于板卡級別的數字/模擬電路設計。它提供了簡單易用的圖形輸入接口來滿足使用者對電子電路設計的需求，該軟件把原理圖、仿真和可編程邏輯器件集成在一起，使用者可以方便地對電子電路進行設計，不用太多考慮不同供應商產品性能不同導致數據傳輸時出現的問題[3]。Multisim易學易用，便于教師、工程技術人員、學生學習和進行綜合性的電子設計，有利于培養各種人員的綜合分析能力、開發能力和創新能力，廣泛應用于電子相關領域中。

（三）HFSS簡介

HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美國Ansys公司推出的一款著名的3D電磁仿真軟件。它提供了一個簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場解器、擁有功能強大的電磁性能分析能力的處理器，可以計算出任意形狀三維無源材料的全波電磁場和S參數。其提供了從部件級到電路級乃至系統級快速且精確的仿真設計方法，基本上包含了高頻電路設計的所有內容，目前經歷了三十多年的不斷發展，已經是電磁仿真人員不可或缺的仿真工具，在射頻、微波、天線等多個領域得到了廣泛的應用[4]。

三、計算機仿真軟件在電子信息工程專業課程中的應用

（一）MATLAB/Simulink仿真軟件使用

在數字信號處理中，濾波器被經常用到，濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號順利通過，而抑制另外一部分頻率的信號。那么如何設置濾波器的參數，就需要使用MATLAB軟件來對濾波器進行仿真，進而分析得到濾波器的參數，完成對濾波器的設計。常見的物理可實現濾波器有巴特沃斯濾波器（Butterworth filter）、切比雪夫濾波器（Chebyshev filter）和貝塞爾濾波器（Bessel filter）等。以巴特沃斯低通濾波器為例，來展示MATLAB仿真軟件在數字信號處理領域的應用。圖1為巴特沃斯低通濾波器的幅頻響應仿真結果，其階數分別為2、5和10，可以根據仿真結果來選擇相應的參數，進而完成對相應濾波器的設計。

（二）Multisim仿真軟件使用

在電子信息領域中，基本運算器有三種，分別是加法器、乘法器和積分器。所以說，積分運算電路在電子電路中會被經常用到，那么就可以通過Multisim軟件對積分運算電路進行仿真分析，通過設置相應參數完成對所需積分電路的設計[5]。圖2為用Multisim設計的積分運算電路，運算放大器的型號為LM324A，是意法半導體公司推出的一款面向模擬器件市場的高性能雙運算放大器芯片，采用正負5V雙電源供電，本文在仿真時只用到了其中一個運算放大器。電阻R1為10KΩ、R2為1KΩ，反饋電容C1為1μF。

XFG1為信號發生器，設置輸入頻率為200 Hz的方波信號，占空比為50%，如圖3所示。

XSC1為示波器，A通道連接積分運算電路的輸出，B通道連接信號發生器的輸出。通過理論分析可知，當輸入為方波信號時，積分電路的輸出應該為三角波。圖4為仿真結果，下面的波形為輸入信號波形，上面的波形為輸出信號波形，可以看出在輸入為200Hz，占空比為50%的方波情況下，該積分器的輸出波形為三角波信號，因此該電路可以完成對輸入信號的積分運算，達到了預期的設計目的。但是，如果輸入信號發生變化（如信號波形、信號頻率等），輸出結果有可能達不到積分運算的效果，需要對電路中電容或電阻的參數進行重新設置，以此達到預期目的。

（三）HFSS仿真軟件使用

八木天線又稱為引向天線，是一種結構相對簡單、波束寬度較寬、定向性較好的天線，由一個半波有源振子、一個反射振子和若干個引向振子組成，被廣泛應用于當前各種電子通信系統當中。在實際教學中，該部分內容也是要求學生重點掌握的內容，但是，由于該部分理論十分抽象、數學公式推導較多，學生不容易理解，使用HFSS軟件對該部分內容進行仿真，可以加深學生對天線理論的理解，提高教學效果。

八木天線的設計指標較多，包括天線的尺寸、主瓣寬度、增益、旁瓣電平以及工作頻段等指標[6]，通過HFSS軟件對八木天線進行仿真分析之前，需要先確定這些指標，然后利用經驗公式對天線進行初步設計，最后利用HFSS軟件對設計好的天線進行參數微調，就可以獲得滿足指標要求的仿真結果，圖5為使用HFSS軟件對八木天線進行仿真界面。

通過對設計的天線進行仿真分析，就可以獲得其仿真結果，圖6是八木天線的天線方向性圖函數仿真結果，可以直觀地展示出天線在各個方向的增益，能夠加深學生對天線中各個參數的理解，提高學生的學習興趣。

四、實驗教學方法改進措施

為提高電子信息工程專業學生的實踐綜合應用能力，必須加強學生理論與實際結合的培養工作。計算機仿真軟件具有可以實時更新、軟件充足、不需要額外人員進行維護等特點，可以克服傳統實驗教學中的問題。那么就需要借助計算機仿真軟件對實驗教學方法進行改進，由此來提升實驗教學質量，具體改進措施如下：

第一，在課程開始前，首先，教師需要針對課程內容選用適當的計算機仿真軟件，例如，“模擬電子電路”“數字電子電路”“電子測量技術”等課程可以選用Multisim作為仿真軟件?！靶盘柵c系統”“數字信號處理”等課程可以選用MATLAB/Simulink作為仿真軟件?！拔⒉夹g與天線”“天線與電波傳播”等課程可以選用HFSS作為仿真軟件。其次，教師需要根據該課程內容編排，不斷更新實驗教學內容，尤其是對理論課程內容比較抽象、乏味的內容，可以作為實驗教學內容，達到提高學生學習興趣的目的。最后，教師需要根據實驗內容編寫或修訂實驗指導書，指導書可以包括實驗目的、實驗原理、實驗方法、實驗內容、實驗要求等內容，實驗目的是經過本次實驗后學生知識或操作能力應該能夠達到的水平。實驗原理是本次實驗設計所依據的理論根據，如公式、定理、公理等，能夠指導實驗，又能經受實驗的考驗。對于實驗方法，由于采用的是計算機仿真方法來進行實驗，所以對于計算機仿真實驗來說，實驗方法是在本次實驗中可能用到的仿真庫、仿真模塊、仿真流程圖等，以達到可以完成實驗內容的目的。實驗內容是根據課程的需要，學生在本次實驗中需要進行的實驗操作。實驗要求是學生在實驗操作當中需要注意的地方。

第二，在實驗課開始前，教師需要提前給學生相應仿真軟件的使用說明文檔，或者在理論課中簡要說明仿真軟件的使用方法，以確保學生基本會使用該仿真軟件。學生需要了解仿真軟件的基本使用方法以及完成相應的實驗預習，主要包括對實驗目的、實驗原理、實驗方法的了解。

第三，在實驗課中，教師要向學生講述相應內容的實驗原理，同時要讓學生明白實驗過程中每一個步驟的功能、作用及達到什么效果，并強調實驗中需要注意的地方，確保學生能夠獨立地完成相應的實驗內容。在實驗操作階段，學生應該獨立完成，但是，對于學生仿真不下去、仿真困難或者仿真容易出錯的地方，教師要再進行統一講解，讓學生能夠把實驗進行下去。

第四，在實驗課后，教師可以利用計算機辦公軟件將學生的實驗預習、實驗操作以及實驗報告書寫情況記錄下來[7]，及時掌握學生實驗操作能力，給出對應的實驗成績，根據計算機辦公軟件對評價結果進行對比分析，解決學生在實驗學習中所遇到的難點問題，并有針對性地修正更新實驗指導書及仿真程序，為后續教學的提升提供依據。

五、結語

實驗教學是理論課程內容的補充，在電子信息專業課程中，將理論與計算機仿真軟件結合起來，可以解決在傳統實驗教學中存在的問題，讓學生在較短的時間內直觀地掌握理論課程中相關的知識內容，同時也能夠使學生的計算機軟件使用能力得到鍛煉，提升學生的科研實踐水平，達到提高實驗教學質量的教學目的。

參考文獻

[1]李建柳. 計算機輔助軟件在電子信息工程專業實驗教學中的應用研究與實踐[J]. 電腦知識與技術， 2021（11）：63-64.

[2]李獻，駱志偉，于晉臣. MATLAB/Simulink系統仿真[M]. 北京：清華大學出版社，2017.

[3]田金鵬，王瑞. 電子電路軟件仿真實驗教程[M]. 北京：清華大學出版社，2020.

[4]徐興福. HFSS射頻仿真設計實例大全[M]. 北京：電子工業出版社，2015.

[5]程春雨，商云晶，吳雅楠.模擬電路實驗與Multisim仿真實例教程[M]. 北京：電子工業出版社，2020.

[6]李莉. 天線與電波傳播[M]. 北京：科學出版社，2009.

[7]徐禮長.分析計算機輔助軟件在電子信息工程專業實驗教學中的運用[J].中國金屬通報，2021（10）：171-172.

作者單位：中國人民解放軍火箭軍工程大學

責任編輯：張津平