EDA技术在模拟电子技术课程教学中的应用与实践

姜亚萍,韩金玉,辛志锋

(天津中德应用技术大学,天津 300350)

引言

随着生产和科学技术发展的需要,电子技术的应用已经渗透到通信、交通、节能减排、医学等人类生活和生产中的各个方面。作为一所重基础强实践的应用技术型本科院校,培养学生既要具备扎实掌握基本概念、基本定理和基本分析方法三个基本的理论分析能力,更要具备对于复杂电路的设计开发与应用能力。模拟电子技术课程是我校自动化专业的核心专业基础课之一,课程教学中如何兼顾大学生的理论分析和实践动手能力的培养就显得尤为重要。

近年来,随着计算机仿真技术的不断发展,电子设计自动化技术(Electronic design automation,缩写EDA)的发展也日趋成熟。Multisim就是一种功能强大且广泛使用的电子设计自动化(EDA)工具,被广泛应用于电子工程领域。尤其借助Multisim仿真工具进行模拟电路的分析、设计和仿真,最为实用方便。不仅能够为学生更深入地学习模拟电路及后续的数字电路等知识打下坚实的实践基础;又因虚拟仿真既能快速准确地测量静态结果,能直观清晰地观察动态波形,给深度理论分析和实际工程设计带来很大便利。本文以典型uA741集成芯片为例,详细分析同相、反相比例运算放大电路和过零电压比较器的虚拟仿真过程与方法,完美地和理论分析、实验环节深度融合,帮助学生将难点知识突破,同时提高学生的设计开发和工程实践创新能力,使得该门课程的教学效果显著提高。

一、课程概况

模拟电子技术为我校本科自动化专业的专业基础课之一,其教学以市场需求、学习成果为导向,目的主要是通过对常用电子器件、典型模拟电路的分析和应用的学习,使学生掌握必要的电子技术方面的基本知识、基本理论和基本技能,能够分析基本的电子线路,并具备一定的电路开发设计和应用的工程实践创新能力,为后续专业课程的学习及从事电子技术领域的工作打下扎实的基础。该门课程在自动化专业人才培养方案中定位为专业基础课程,既有理论环节,又有实验环节。实验环节旨在培养学生理解模拟电路的工作原理、读懂电路图、连接电路和调试,培养学生测量分析的能力、常用电子仪器的使用能力,在培养学生科学思维方法、开拓学生创新意识、激发学生工程实践创新能力、提高学生的综合能力等方面,具有传统课堂理论板书加多媒体式教学所无法替代的作用。

(一)教学现状

教学现状从教师层面和学生层面两个方面分析。教师层面:传统的模拟电子技术课程一般采用填鸭式灌输方式教学,内容也大都依赖于刻板的多媒体静态课件,缺少动画动态演示及与行业相关领域的先进技术渗透,学生感受不到学有所用的成就感,从而失去对该门课程持续学习的兴趣和动力。实验大都在实验室对已有的电路板块进行有针对性的电路连接测试,仅仅对理论知识加以验证,缺乏一定的工程实践创新能力的培养环节。学生层面:我校自2016年招收第一届本科生以来,自动化专业学生入校的整体素质和学习储备能力逐年提高。学生整体的学习求知欲较高,态度端正,积极向上,上课全神贯注,课下积极巩固拓展。大部分学生具备一定的、扎实的电路知识基础,对于电路的基本概念理解比较到位,但也有少部分同学存在理论基础和动手实践能力弱、工程思维意识淡薄等不足。

根据对师生两方面的综合分析,再针对我校自动化专业人才培养方案中对该门课程的定位,模拟电子技术课程的教学目标不再单单是电子元器件的工作原理、公式推导、波形分析,而是能够运用所学理论知识对模拟电路进行分析,并能够根据实际的要求完成模拟电路的开发与设计。

(二)存在问题

我校本科自动化专业学生虽具备一定的理论基础,但在模拟实验电路原理分析、实验电路搭建及故障排除、实际电路的设计等方面存在一定困难。仅仅针对实验指导书中的实验电路图的结构及其工作原理部分学生进行电路分析仍然比较困难。只有少部分学生能够完全不通过老师指导独立完成整个实验的电路搭建、调试及测试分析等环节,大部分学生需要通过老师的指导和同学的帮助才能完成整个实验测试环节。出现这种情况的主要原因是整体的教学内容体系虽强调理论和实践并重,但总体教学学时只有64学时,其中包括有限的16学时实验。一方面在这种课时相对紧张的情况下,要进行全面系统的教学,要注重理论的深度分析,又要强调动手实践的应用能力,就会使得独立自主学习能力一般的同学跟不上节奏,感到模拟电路非常难学;另一方面在实验室搭建电路难免会出现易耗元器件,需要随时替换占用一些实践探索时间。

鉴于上述情况分析,为一定程度上的节约成本绿色教学,又能实时作为理论教学、课内实验的补充拓展学习,EDA虚拟仿真使用迫在眉睫。作为日趋成熟的仿真工具,只要学生在个人电脑安装Multisum工具就可以随时应用分析;目前,最新版本更新到Multisim14.0。也可以在开放实验室自行独立运行操作,安全系数非常高,不用担心因短路造成元器件损坏或者因线路接错造成不必要的安全隐患。

(三)教学内容

该门课程的学习主要围绕“基本电子元器件—基本放大电路—多级放大电路—集成运放线性和非线性应用—反馈放大电路—功率放大电路—直流稳压电路”这一主线深入分析。随着电子技术的发展,集成电路也从小规模集成发展到中规模、大规模及超大规模集成,不仅集成的元器件成千上万,更重要的是功能也越来越多。模拟电路已渗透到消费类电子产品、计算机、汽车、通信等各个领域。因此,对于实际电子电路的设计,尤其结合实际工程需求利用集成电路进行的设计,必将是每一个工程师必备的基本技能。

集成运算放大电路,简称集成运放,是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算,故而得名。

集成运算放大器电路有两个输入端:反相输入端为uN,同相输入端为uP和一个输出端uo,输出端的电压与同相输入端同相,而与反相输入端反相。此外,运算放大器工作所需要的电源有+VCC端、-VEE端和接地端,一般情况下不画出。理想情况下,集成运放的开环电压增益为Auo≈∞、输入电阻为Ri≈∞。

1.集成运放线性应用

假设集成运放工作在线性区,根据其理想参数可以推导出下面两条重要的分析法则:

(1)虚短。由于Auo≈∞。根据电压放大增益的定义可得:Auo=uo/ui≈∞。又因为集成运放输入电压为两个输入端的电压差,即ui=uP-uN。所以可得,输入端之间的电压(uP-uN)应为零,即uP≈uN。相当于两输入端之间短路,即“虚短”。

(2)虚断。由于Ri≈∞。根据输入电阻定义式,可知理想运放的两输入端不吸取电流,即ip≈iN≈0。相当于两输入端之间是开路的,即“虚断”。

利用“虚短”和“虚断”分析集成运放的各种应用电路,将大大简化复杂电路的分析与计算。

2.集成运放非线性应用

当集成运算放大器处于开环或者正反馈状态时,其工作在非线性区。在非线性工作区,两个输入端谁的电位高,输出就反映谁的特征,即当uP>uN时,输出Uo趋于正向饱和;当uP

下面以典型uA741集成芯片为例,设计开发同相比例运算放大电路、反相比例运算电路和过零电压比较器三大模块内容,通过课上教师借助虚拟仿真教学演示及学生课下无限时间自主探索研究,完美地和理论、实验环节深度融合,有效辅助学生理解重难点理论并能很大程度提升学生的电路设计与开发、故障调试及测试分析等工程实践创新能力。

二、同相比例运算放大电路

(一)理论与实验

以集成运放uA741为核心元器件设计的工作在线性区的典型应用电路之一是同相比例运算放大电路。其理论原理图与实验测试图,如图1所示。

图1 同相比例运算放大电路

首先,理论分析如下:

在N节点根据KCL列节点电流方程如下:(0-uN)/R1=(uN-uo)/RF+iN

在同相输入端可以列流入到同相端的电流方程如下:ip=(ui-up)/R2

因为根据理想集成运放工作在线性区,虚断,可以得到:ip≈iN≈0所以,可得:ui≈up

又因为理想集成运放工作在线性区,虚短,可以得到:uP≈uN所以,可得:ui≈up≈uN

最终,可以得到该电路的输出电压与输入电压的关系式为:Af=uo/ui=(1+RF/R1) =(1+100/10)=11

由上式可知,Af只与电阻Rf和R1有关,由于比值Rf/R1必为正。因此,同相比例放大器的Af>1,不会小于。

其次,实验测试过程:根据电路原理图,选取合适的芯片uA741,对其功能引脚做出正确判断;然后选取合适的电阻10k(2个)、100k(1个) 进行正确的连接。以输入为+1V 为输入测试信号,再将万用表对其输出电压进行上电测试。可以直观读取测量结果并将理论计算结果和实验测量结果汇总到表1中。

表1 同相比例运算放大电路的输出电压结果

(二)仿真分析

Multisim是模拟电子电路设计竞赛时经常用到的电子设计自动化软件仿真工具,操作简便,使得抽象乏味的实验变得生动形象,可提高学生的学习兴趣,深化学生对理论知识的理解,增强学生的实践动手能力,降低实验成本。

该工具首先具有丰富的元件库,诸如电源库、基本元件库、二极管库、晶体管库、TTL元件库、CMOS元件库等,无论搭建多么复杂的模拟电路,都能找到相应的元件进行电路设计;其次包含万用表、信号发生器、示波器、失真分析仪、频谱分析仪等类型丰富的常用仪器,方便快捷地对各种电路的不同测量需求提供便利;然后,电路连接界面直观清晰、操作简单,模拟真实的实验电路搭建;最后,通过点击运行,根据设计和测量需求,实时双击各类常用仪表,并可以快速准确直观清晰地记录仿真结果。

首先,打开Multisim14.0界面创建空白工作文件;其次,在工作台区间元件库选取10K(2个)、100K(1个)、+12V和-12V各一个、+1V输入电压一个、地线一个和仪表库选取万用表一个;然后,按照图1的同相比例运算放大电路原理图进行合理布局、正确连线;最后,将万用表并联在输出端两侧并运行测试,如图2所示。仿真分析同样以输入为+1 V为仿真测试信号为例。

图2 同相比例运算放大仿真电路搭建及输入为+1V时的输出电压的值

通过实验和仿真结果对比发现,同相比例运算放大电路的输出与输入关系基本和理论分析保持一致,符合Af=uo/ui=(1+RF/R1) =(1+100/10)=11的比例关系。

(三)对比分析功能

若想继续分析同相比例运算放大电路对动态交流输入信号的影响,可以通过改变输入信号来观察输出信号的变化,如图3所示。假设给定输入信号频率为1 kHz,振幅为10 mV的正弦交流信号。当万用表测得输入信号电压为7.071 mV,根据理论分析,其输出电压大小应为输入电压的11倍且相位相同。

图3 同相比例运算放大电路输入为交流信号时的输入输出波形

通过仿真测试,不仅能快速准确地读取万用表测量结果,仿真测得输出电压为77.767 mV,基本和理论分析结果保持一致;还能深入分析其波形变化,直观看到波形由原来的通道A波形放大为通道B显示的波形且相位同相位。为此,学生可以借助仿真平台任意修改电路参数进行故障设置和拟设计电路前的分析判断,很大程度激发学生的自主探索意识和科研分析能力,从而进一步提高了课堂教学效果。

三、反相比例运算放大电路

和同相比例运算放大电路大同小异,只是将输入信号连接到反相端,同相端接地。按照理论分析其输出信号与输入信号大小存在一定的比例关系且相位相反。

仿真分析如下:

首先,打开Multisim14.0 界面创建空白工作文件;其次,在工作台区间选取和同相比例运算放大电路同样大小的元器件并进行合理布局、连线,构成反相比例运算放大电路;最后,将需要测量输入输出电压波形的示波器并联在输入输出端两侧并运行测试,结果如图4所示。

图4 反相比例运算放大电路输入输出波形

假设给定输入信号为频率为1 kHz,幅值为10 mV的正弦交流信号。当万用表测得输入信号电压为7.071 mV,根据反相比例运算放大电路理论分析,其输出电压大小应为输入电压的10倍且相位相反。

通过仿真结果可以直观看出,幅度较小的波形A通道为输入信号,幅度较大的波形B通道为输出信号,仿真测得输出电压为70.7 mV,同理论分析结果基本保持一致且其相位相反。

总体来看,学生不仅对同相比例运算放大电路和反相比例运算放大电路单独进行分析,将难点抽象知识化为具体数字结果和数字波形显示,非常直观地看到其相位是同相和反相,而且还能对其两者进行对比,激发学生灵活运用对比研究分析方法,更加深入分析每一个电路的特性和优势。从而提高学生开发和设计电路的工程思维意识和工程实践能力。

四、过零电压比较器

过零比较器是常见电压比较器中典型的单限电压比较器之一。它一般是将集成运放的同相端接地,反相端给定输入电压。根据比较输入电压的结果,在输入信号过零点时输出结果为正向或反向饱和电压。当输入信号ui为正弦波时,ui每过零一次,比较器的输出电压uo将产生一次电压跳变。输出电压uo的大小取决于输出端接的稳压管的稳定电压值。

仿真分析如下:

首先,打开Multisim14.0界面创建空白工作文件;其次,在仿真电路搭建界面选取10k、5.1k各一个、+12V和-12V各一个、地线一个、02BZ2.2各一个、信号发生器一个、示波器一个;然后,按照过零电压比较器的原理图进行合理布局、正确连线;最后,将万用表和示波器并联在输出端两侧相应测量输出电压并观测示波器波形。假设给定的输入信号为500 Hz 10V的正弦交流信号,根据过零电压比较器理论分析,可得输出应为一个方波信号且每过零点就会发生跳变,如图5所示。

图5 过零电压比较器的输入输出波形对比

通过仿真分析发现,示波器显示的正弦波信号为输入信号,每过零点输出电压都会发生跳变。当输入信号为正半周大于0时,同相端电压低于反相端电压,所以输出为反相端特性,其结果为负向饱和;反之,则正向饱和。同前面理论分析基本一致。同样,可以直观用万用表测得输出电压的大小为2.905V。学生可以根据需求任意更换稳压二极管以便得到想要的输出电压值,为深入研究分析提供便利条件,也不必担心由于元器件参数不合适烧坏元器件。

通过对同相比例运算放大电路的理论、实验和虚拟仿真三合一的深入分析,学生将抽象问题化为具体,将难点知识突破并加深对于集成运放的理解,同时大大提高学生实验电路动手连接、测试等实验能力,提高学生对于虚拟仿真的自主探索和大胆修改电路参数设计电路的工程实践创新能力;通过同相和反相比例运算放大电路的对比研究分析方法,激发学生学习内驱力,从而培养学生科学分析问题的思维和能力;EDA技术将难于理解抽象的过零电压比较器转化为直观可见的波形的变化,并且通过自主探索实践,很大程度增强学生自信心,激发学生对于学习无限可能的挖掘,培养学生自主研究学习能力。

五、教学效果

(一)仿真同理论、实验深度虚实融合的多元化课程教学模式,激发学生学习兴趣

作为应用技术型本科院校,既要强调理论深层次分析的重要性,又要抓实践应用能力。但在有限的90分钟内根本不便于将实验箱带进教室。为此,一直不断探索将EDA技术融入模拟电子技术课程教学改革中,同理论、实验深度虚实融合构建多元化课程教学模式。丰富多样化的教学内容及形式大大激发学生学习兴趣,培养学生模拟电子电路设计开发与创造能力,提高大学生计算机的设计应用水平,使得传统的实验测试数据、数据分析与计算机数据分析有机结合起来。

在有限90分钟内,科学运用Multisim14.0仿真软件授课,能够快速、准确地构建出实验原理图,并能完美进行仿真过程,实时显示仿真测试结果,大大提高课堂教学效果和学生课堂吸收率。

(二)虚拟仿真打破时空界限,培养学生自主探究能力,激发学生工程实践创新能力

作为一门非常重要的专业基础课,仅靠64学时的教学学时,不能既全面系统又高精尖项目化设计并实现教学内容,这就需要最大化丰富学生第二课堂无限时间,不局限于实验室硬件设备的实验测试。学生可以在课前预习时,提前在仿真平台搭建电路测试运行,对于抽象概念可以有个初步的认知和了解;然后带着问题再听课,事半功倍。这样在满足实验要求与提高功能基础上,一方面,大大降低实验成本,每次的仿真过程与结果具有保存与反复应用等诸多优点;另一方面,学生独立自主设计与运行仿真电路,很大程度上激发学生的创新思维,培养学生自主探究和团队合作的科研能力。

(三)可任意设置故障(短路、断路、漏电等)的虚拟仿真分析技术,实现零安全事故,降低实验成本

Multisim14.0具有丰富的元件库,诸如二极管、三极管、集成运放等。一方面,可以帮助学生掌握模拟电路中常用到的三极管、集成运放等不同型号的性能,熟悉这些器件的关键核心参数,进一步理解它们的基本概念及其工作原理;另一方面,模拟电路的仿真运行不必担心由于电路短路引起的元器件烧坏等问题,学生可以大胆尝试并设置任意故障,诸如短路、断路、漏电等,大大提高学生EDA仿真分析能力、敢于设计修改电路的开发创新能力和分析问题、解决问题的能力。

结语

通过不断尝试EDA技术在模拟电子技术课程教学中的改革与应用,实现理论、实验和仿真三合一的紧密结合,进行启发探究式的教学,借助计算机进行辅助仿真分析,化难为简,变抽象为具体,大大激发学生对该门课程的学习兴趣;可任意设置故障的仿真条件,不仅降低教学成本,实现零安全事故,还能增强学生大胆尝试的勇气和自信心,提高学生解决实际问题和工程实践创新能力,进而提高了模拟电子技术课程的整体教学质量。