浅谈EDA技术在电类实验教学中的应用

2013-08-15宋放

中国新技术新产品 2013年20期

宋放

（江苏科技大学苏州理工学院，江苏镇江 212004）

引言

现代社会是电子科技高速发展的时代，各种新元件、新方法、新技术层出不穷，工程师们开发的电子系统也越来越复杂、越来越庞大、要求也随之越来越高，要分析、设计复杂的电子系统，原始的人工方法已不能满足要求，为适应这种情况，日趋完善的EDA技术正在逐步取代传统的电子设计方法。目前最新最全面的电子设计技术还是EDA技术，它的出现为电子设计工程师提供了一种全新的设计理念和方法，因此，掌握好EDA技术是适应新时代电子设计方面工作的基本技能，当下为了能满足社会对高新技术人才培养的需要，靠传统的实验教学已远远不够，必须把EDA技术融入实验教学中，使学生能掌握EDA技术的发展，适应信息社会对设计人员的要求。

EDA技术是一门融合了现代电子与计算机技术，以计算机为平台对电子电路、系统或芯片进行设计、仿真开发的计算机辅助设计技术，Multisim软件的出现让实验室进入课堂成为可能。教师可以根据讲课需求，通过操作计算机运行软件，模拟各种类型实验，并根据需要复制，使“实验结果”可以重现，达到实验演示与教师讲解“同步”进行；通过显示器屏幕的直观化展示，使一些抽象的概念形象化，将一些方式、方法以动态方式图解；也可以由学生实际操作，运用Multisim软件进行仿真实验，得到“实验结果”。在整个过程中，学生自始至终都能保持极高的学习积极性。这样的教学方式活泼生动，极大调动了学生的积极性，巩固了学生的理解和记忆，大大提高了课堂教学效率。

1 电类传统实验教学中的问题

当前所采用的传统实验教学方式在实验设施、实验方式、实验课时和实验教师等方面存在着不少困难和问题。

第一，现在高校的招生规模每年不断扩大，存在现有实验室的设备型号陈旧，经费缺乏、实验场地紧张等困难，这些问题直接影响到电类实验的正常运行，如果得不到及时的解决就不能满足学生人数的增长对实验教学提出的要求。如果要满足每人一组的要求几乎更是不可能的。两人一组或多人一组的实验效果必然会大幅下降。

第二，从目前采用实验方式看，我们采用了一定比例验证性的实验形式。由实验指导书讲解某个仪器仪表的原理，或某个电路定理；接着详细阐述该实验的详细操作步骤和方法。学生只需要依据实验指导教材连接实验箱或者实验板，最后对测试点加以测量就可以了。采用实验方式，学生基本不回去主动思考，所以不利于培养他们独立思维和创新的能力。而且由于形式陈旧，也影响了学生对实验的兴趣。

第三，目前每个电类实验的时间只分配了2个课时。在这样的时间里学生完成电路连接，参数测试和计算，以及结论的分析是非常紧张的。学生必须课前进行充分、细致的准备，不然很可能出现的情况是当实验电路调试不成功、时间又所剩无几的时候，学生干脆放弃实验，而去直接抄袭或者编造实验数据。这样的实验效果是非常不理想的。

第四，学生人数的增长，直接导致实验老师的工作量大幅增加，使得担负实验教学的老师疲于应付，没有更多的时间、精力投入科研和创新工作当中。并且重复性工作太多，也会直接影响到教学的质量和效果。

2 Multisim软件的功能及基本特点

Multisim是加拿大IIT公司出品的板级电路仿真软件，适用于模拟和数字电路的设计。该工具包含了电路图输入Spice仿真、HDL设计输入和仿真、可编程逻辑综合及其他设计能力。增加了大量的VHDL元件模型，可以仿真更复杂的数字元件，在保留了EWB形象直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中的元件的数目，特别是增加了大量与实际元件对应的元件模型，使得仿真设计的结果更精确、更可靠、更具有实用性。

它的主要特点有：

（1）采用直观的电路图输入方式。绘制电路图需要的元件、电路仿真需要的虚拟仪器都可以直接从图形界面的工作平台上选取。

（2）具有丰富的元件库。按照逻辑关系分为14个元件箱，而每个元件箱内又包含大量元件模型。用户还可以自行编辑或者创建新的元件。

（3）充足的虚拟仪器。Multisim不但提供11种常用测试仪表，并且所有仪器都与实物相似，所有仪器都可以多台同时调用

（4）完整的分析方法。Multisim提供了15种常用的电路仿真分析方法。这些分析方法基本能满足一般电路分析设计的要求

（5）操作方便，易学易用。Multisim与时间元件对应的元件模型非常丰富，增强了仿真的实用性。并且给用户提供了自行创建和修改元件的工具。

3 Multisim软件用于教学的优点

3.1 多用途，节省资金及空间

传统的电类实验要用到很多仪器设备，而且各种实验所用的仪器也不尽相同，开设综合性实验用到仪器更多，过多的仪器设备不仅成本高，体积大，所需空间大，而且连接也十分繁琐。为了很好地解决这个问题可以使用虚拟仪器系统。不仅虚拟仪器工作平台的电脑变成多用途，而且实验室也可以多用途，节约了设备成本，还可解决高校实验室空间不足的问题。

3.2 实验速度快，效率高

Multisim软件具有快速、高效的特点，用它可以使学生的实验电路只需虚拟调试成功即可组装电路，节约了实验时间，可以更好的开展各种设计型性实验，而且打印机可直接打印出电路原理图、实验结果据和测试曲线，可以很好地对测试结果进行各种分析。

3.3 测量精度高，避免产生各种机械故障

传统仪器是物理实体，仪器长时间使用以后，操作面板上的各种开关、旋钮、按钮会出现接触不良等机械故障。而虚拟仪器的各种功能是由软件实现的，用鼠标、键盘对其进行操作，避免了出现类似于传统仪器的各种机械故障。另外，一般传统仪器的指针式仪表测量误差较大，而虚拟仪器的测量精度很高。

4 Multisim软件在电类实验教学中的应用

利用Multisim仿真软件，可以进行各种实验电路的设计、调试，如：单管放大电路、稳压电路、多谐振荡电路等。Multisim仿真软件在电类实验中的应用可分为以下几个方面：

4.1 电类虚拟实验

利用Multisim仿真软件，可以进行各种实验相关电路的设计与测试，例如：要做虚拟的单管放大电路实验时，只要在电脑上将用到的“虚拟元件”和测试用的“虚拟仪器仪表”，“摆放”到实验平台的仿真区域，再根据原理图，用鼠标操作连接好电路。然后用开启仿真开关，进行虚拟测试。实验中对电路元器件的各种参数修改很方便，用鼠标左键双击元件图标，即可弹出元件参数修改窗口。如晶体管的型号参数、电阻的阻值、电容的容值、二极管的型号等均可根据所需重新设置，因此，大大提高了实验效率。

4.2 实验演示及考核

使用Multisim仿真软件对电路进行设计和测试时不但可以使实验效率大大提高，而且在实验课中，可以很直观、便捷地进行虚拟实验和演示各种设计电路的工作原理。这样理论课中学生难于理解吃透的重点和难点问题，可以通过虚拟实验的演示来帮助理解。另外使用仿真软件可以很方便的对学生实验能力进行考察，如利用仿真软件的电路故障设置功能，在电路中设置一些故障，用以考核学生对故障的排除能力。故障排除可以帮助学生加深对理电路原理的理解，高效地培养学生分析问题、解决问题的能力。

4.3 网络虚拟实验

如果将虚拟实验室联网，则可以实现网络虚拟实验。例如脉冲产生、整形电路，老师利用网络对实验室外的学生进行讲解，然后学生通过连接学校的虚拟实验室系统，运行仿真应用程序，就可以进行虚拟实验，通过调用器件库画出电路原理图，更换元件，更改信号参数，观察、分析仿真的测试结果，将结果存盘，在电脑上与理论值进行比较，分析各种结论，写出实验报告。老师可以通过网络收集和批改学生的报告，再向学生发送实验成绩。这有助于解决远程教学中实验难的问题。

4.4 进行电路设计，培养学生的创新能力

虚拟电类实验室更好的为学生营造了良好的实验环境，对构建以学生为主体的教学模式非常有利，更好的培养了学生的创新能力。如果将虚拟电类实验室建设成开放性实验室，学生就可以自由上机进行电路设计和虚拟实验，除了课程中必须完成的验证性实验和综合性实验以外，学生还可以自己设计电路和选做一些感兴趣的实验。例如在“数电实验”中，学生不仅可以完成规定的“译码器及应用”、“定时器及应用”等实验，还可以自行设计一些趣味性的电路，如交通灯控制、彩灯控制等控制电路以及各种报警电路等，这样既增强了学习气味性，又可提高学生的主动设计能力，有利于提高教学质量。利用虚拟电类实验室还能完成较大难度的综合性或设计性实验，如数字钟实验，这是数电实验中计数、分频、译码、显示及时钟脉冲振荡器等组合逻辑电路与时序逻辑电路的综合应用，通过综合性或设计性实验，进一步提高了学生研究和动手能力。