EDA仿真技术融入“电工学”课程教学

张雪辉， 刘素贞， 李 华

(河北工业大学 电气工程学院， 天津 300130)

EDA仿真技术融入“电工学”课程教学

张雪辉， 刘素贞， 李 华

(河北工业大学 电气工程学院， 天津 300130)

“电工学”课程内容涉及广，实践性强，传统教学模式有其局限性。将EDA仿真技术融入“电工学”课程教学，有助于学生对课堂内容的理解，学生可突破时间和空间的限制，课下进行仿真实验，真正融会贯通地掌握“电工学”课程知识。

EDA；Multisim；虚拟仿真技术

0 引言

“电工学”课程是高等学校非电类各专业的技术基础课程，在本科教学中占有重要的地位[1]。

EDA(Electronic Design Automation)，即电子设计自动化，是以计算机和软件为工具，完成各类电路从系统级到物理级的设计、仿真分析、电路综合的新型设计手段。EDA工具软件种类较多，包括Pspice、Multisim和LabView等，其中Multisim是美国NI(National Instrument)公司推出的电子电路仿真设计软件，是EWB的升级版，集电路设计和功能测试于一体，为设计者提供了一个功能强大、仪器齐全的虚拟电子工作平台，设计者可以利用大量的虚拟电子元器件和仪器仪表，进行模拟电路、数字电路、单片机和射频电子线路的仿真和调试[2]。

1 引入EDA的必要性

“电工学”课程包括电工技术和电子技术两部分，涉及电路、电机、继电接触器、模电和数电等内容。具有涉及面广、实践性强等特点。为使学生理解、掌握课堂教学内容，“电工学”配有相应的实验。但由于时间和空间的限制，加上学生的理解力存在差异，很难在课堂和实验室解决所有问题。

将EDA仿真技术融入课堂教学中，利用EDA软件进行现场仿真、演示，可以将抽象的理论形象化、复杂的电路实际化、枯燥的电路分析与设计变得生动、真实，便于提高学生的思维能力，活跃课堂气氛，让学生在课堂中就能感受到实验的魅力，更好地把理论与实验联系起来，达到事半功倍的教学效果。

EDA仿真技术不仅能融入课堂教学，还能使学生不受空间和时间的约束，在课下进行电路仿真实验。这样，不仅能促进学生牢固掌握“电工学”课程的理论基础知识，还能够锻炼他们电子电路设计、仿真和开发应用新技术的能力。有利于学生接触新技术以适应社会需要。

此外，将EDA仿真技术融入课程教学，可以提高实验的安全性，节约教育经费。例如，三相电路是“电工学”的重要部分，但是因为三相电路的电压较高，对实验人员有一定的危险，同时由于某些故障性实验可能会对元器件造成损坏，应用Multisim对三相电路系统进行仿真，不仅可以得到与真实情况相同的结果，而且直观形象，同时避免故障对元器件造成的损伤，既节约了实验成本，又保障了实验人员的安全。学生可以在课下先进行仿真实验，待完全掌握实验原理后，再进入实验室进行实际操作，从而有条不紊地实验，避免忙乱中出错，发生危险。

国内高校电工学教研室越来越重视EDA技术的应用，如清华大学电工教研室建立了自己EDA实验室，开设EDA电路设计、仿真实验，并在全校范围内开设了EDA选修课。河北工业大学电工与电子教学中心于2006年开始虚拟技术的研究，根据课程内容利用EWB仿真软件编制了典型电路案例，并在我校电工学网站共享。目前，EWB仿真软件已被Multisim软件取代，我们需要更新并充实案例，并以此为契机将EDA技术真正融入课堂教学。

2 EDA应用案例

基本放大电路的分析是模拟电子技术的一个难点，随着参数的改变，电路静态工作点移动，电路工作在截止、放大和饱和三个工作区[1]。利用Multisim12仿真，可实时测量放大电路静态、动态参数，观察电路输入、输出波形，形象直观。图1给出了仿真电路，其中晶体管为NPN型，信号发生器产生频率为1 kHz、幅值为UXFG1=707 mV的正弦波。改变基极电阻RB1，可获得不同工作状态下的输出波形。

图2(a)中，基极电阻RB1为68.4 kΩ。直流电路中，测得静态值UBE=0.741 V，UCE=3.943 V，IB=9.770 uA，IC=1.148 mA，可计算得到电流放大系数β=117.5。UBE>0，发射结正偏，UCE>UBE，集电结反偏，电路工作在线性放大区，示波器测得的输入、输出信号波形如图2(b)所示(上侧为输入波形，下侧为输出波形)，可看出输出与输入波形反相。

图1 基本共射放大电路

根据示波器测量，当输入信号Ui=13.790 mV时，输出信号Uo=270.654 mV，可计算得到电压放大倍数Au为19.63。

(a) 静态电路 (b) 动态波形 图2 电路工作在线性放大区

图3(a)中，基极电阻RB1=40 kΩ。静态值UBE=0.765 V，UCE=0.132 V，IB=0.031 mA，IC=1.687 mA。UBE>0V，发射结正偏，UCE<1V，UBC>0V，集电结也正偏，电路工作在饱和区。基极电流对集电极电流控制作用减小，电流放大倍数54.4，小于电路工作在放大区时的电流放大倍数β。此时，从图3(b)可看到：输出信号波形已经失真。从示波器输出可以看到，当输入信号Ui=12.830 mV时，输出信号峰值Uo=49.116 mV，电压放大倍数Au降为3.83。

增大输入信号，失真现象更为明显。图4所示为输入正弦波幅值UXFG1=10 V时，学生可清晰地看到放大电路输出信号饱和失真，正弦波下部削去。

图5中，基极电阻RB1=500 kΩ。静态值UBE=0.542 V，UCE=11.932 V，IB=0.111 uA，IC=3.553 uA。此时，静态值UBE<0.6 V,UCE≈VCC，集电极电流IC很小，电路工作在截止区。输出波形失真。

增大输入信号，失真现象更为明显。图6所示为信号发生器输入正弦波的幅值UXFG1=10 V时，

(a) 静态电路 (b) 动态波形图3 电路工作在饱和区

图4 饱和失真明显

(a) 静态电路 (b) 动态波形 图5 电路工作在截止区

可清晰地看到放大电路输出信号截止失真，正弦波上部削顶。

图7所示为基极电阻RB1 =25 kΩ，信号发生器输入正弦波幅值UXFG1=20 V时，可清晰地看到放大电路输出信号发生双向失真，正弦波上下部削平。

图6 截止失真明显

图7 双向失真

3 结语

将EDA仿真技术融入“电工学”课程教学，可以最大限度地利用教学资源，拓展学生的知识面，使本来难以解释的问题变得可视化，从而激发学生的学习兴趣，达到常规教学不能实现的教学效果。

[1] 秦曾煌主编. 电工学(第七版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009年6月

[2] 王冠华, 卢庆玲主编. Multisim12电路设计及应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2014年4 月

Integrating EDA Technology with Electrotechnics Teaching

ZHANG Xue-hui, LIU Su-zhen, LI Hua

(SchoolofElectricalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)

Wide range and strong practicality are characters of Electrotechnics course. The mode of traditional teaching has its limitation. Integrating EDA simulation technology with Electrotechnics teaching will help students′ understanding of the content. Breaking the limitation of time and space, students can do simulation experiments after classes. Then, they can master the knowledge of Electrotechnics completely.

EDA; Multisim; virtual simulation technology

2015-07-21;

2015-09- 25

张雪辉(1977-)，女，博士，讲师，主要从事电工基础理论教学和层析成像、信号处理与电力系统研究，E-mail：151694691@qq.com

G4

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1008-0686(2016)03-0140-03