计算机仿真软件在电子信息工程专业实验教学中的研究分析

王栋?王蕊?李艳玲?朱晓菲

摘要：电子信息工程专业课程内容抽象，学生学习困难，因此需要加设课程对应的实验教学。传统的实验教学往往依赖于硬件实验平台，存在设备老旧、设备短缺和人员维护有限等缺点，在一定程度上影响实验教学的效果。随着电子信息技术的不断发展，计算机仿真软件应运而生，成为传统实验教学的强大支撑。从发挥计算机仿真软件在实验教学中的功能和优势出发，提出基于计算机仿真软件的实验教学方法改进措施，用于提升学生的综合素质和实践动手能力，达到提高实验教学质量的目的。

关键词：电子信息工程；计算机仿真软件；实验教学

一、前言

在电子信息工程专业课程设置中，传统的实验模式是基于实验板、实验箱的实体实验，这种实验模式存在设备老旧、设备短缺和人员维护有限等问题。而计算机仿真软件的使用，可以很好地解决上述问题，提高实验教学的设计性，达到理论联系实际的目的，同时还能够激发学生对计算机仿真软件的使用热情，为以后的科研实践打好基础[1]。

二、计算机仿真软件介绍

计算机仿真软件是一种专门用于仿真的计算机软件，与仿真硬件同为仿真工具。它的发展依赖于仿真应用、算法、计算机建模等技术的发展。常见的电子信息类仿真软件有MATLAB/Simulink、Multisim和HFSS等。

（一）MATLAB/Simulink简介

MATLAB（矩阵实验室，Matrix Laboratory的简称）是一款著名的计算机仿真软件，由美国MathWorks公司发布。它主要应用于工程计算、信号处理、控制设计、信号检测、图像处理等相关领域。为科研、设计以及有效数值计算等众多科学领域提供一个解决方案。除了MATLAB本身软件外，MathWorks公司还有一个基于模型设计的产品Simulink，它可以用于嵌入式系统、动态模型系统等多个领域的仿真。Simulink是MATLAB中的一个可视化、模块化的仿真工具，是一个基于MATLAB软件的可视化环境，实现的动态系统建模、仿真和分析的软件包[2]。此外，MATLAB可以在多种操作系统上运行，适用于Windows、MAC以及Linux操作系统，在各个领域得到了更加广泛的应用。

（二）Multisim简介

Multisim是一个完整的电子设计工具系统，由美国国家仪器（NI）有限公司研发推出，在Windows平台上运行，适用于板卡级别的数字/模拟电路设计。它提供了简单易用的图形输入接口来满足使用者对电子电路设计的需求，该软件把原理图、仿真和可编程逻辑器件集成在一起，使用者可以方便地对电子电路进行设计，不用太多考虑不同供应商产品性能不同导致数据传输时出现的问题[3]。Multisim易学易用，便于教师、工程技术人员、学生学习和进行综合性的电子设计，有利于培养各种人员的综合分析能力、开发能力和创新能力，广泛应用于电子相关领域中。

（三）HFSS简介

HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美国Ansys公司推出的一款著名的3D电磁仿真软件。它提供了一个简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有功能强大的电磁性能分析能力的处理器，可以计算出任意形状三维无源材料的全波电磁场和S参数。其提供了从部件级到电路级乃至系统级快速且精确的仿真设计方法，基本上包含了高频电路设计的所有内容，目前经历了三十多年的不断发展，已经是电磁仿真人员不可或缺的仿真工具，在射频、微波、天线等多个领域得到了广泛的应用[4]。

三、计算机仿真软件在电子信息工程专业课程中的应用

（一）MATLAB/Simulink仿真软件使用

在數字信号处理中，滤波器被经常用到，滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利通过，而抑制另外一部分频率的信号。那么如何设置滤波器的参数，就需要使用MATLAB软件来对滤波器进行仿真，进而分析得到滤波器的参数，完成对滤波器的设计。常见的物理可实现滤波器有巴特沃斯滤波器（Butterworth filter）、切比雪夫滤波器（Chebyshev filter）和贝塞尔滤波器（Bessel filter）等。以巴特沃斯低通滤波器为例，来展示MATLAB仿真软件在数字信号处理领域的应用。图1为巴特沃斯低通滤波器的幅频响应仿真结果，其阶数分别为2、5和10，可以根据仿真结果来选择相应的参数，进而完成对相应滤波器的设计。

（二）Multisim仿真软件使用

在电子信息领域中，基本运算器有三种，分别是加法器、乘法器和积分器。所以说，积分运算电路在电子电路中会被经常用到，那么就可以通过Multisim软件对积分运算电路进行仿真分析，通过设置相应参数完成对所需积分电路的设计[5]。图2为用Multisim设计的积分运算电路，运算放大器的型号为LM324A，是意法半导体公司推出的一款面向模拟器件市场的高性能双运算放大器芯片，采用正负5V双电源供电，本文在仿真时只用到了其中一个运算放大器。电阻R1为10KΩ、R2为1KΩ，反馈电容C1为1μF。

XFG1为信号发生器，设置输入频率为200 Hz的方波信号，占空比为50%，如图3所示。

XSC1为示波器，A通道连接积分运算电路的输出，B通道连接信号发生器的输出。通过理论分析可知，当输入为方波信号时，积分电路的输出应该为三角波。图4为仿真结果，下面的波形为输入信号波形，上面的波形为输出信号波形，可以看出在输入为200Hz，占空比为50%的方波情况下，该积分器的输出波形为三角波信号，因此该电路可以完成对输入信号的积分运算，达到了预期的设计目的。但是，如果输入信号发生变化（如信号波形、信号频率等），输出结果有可能达不到积分运算的效果，需要对电路中电容或电阻的参数进行重新设置，以此达到预期目的。

（三）HFSS仿真软件使用

八木天线又称为引向天线，是一种结构相对简单、波束宽度较宽、定向性较好的天线，由一个半波有源振子、一个反射振子和若干个引向振子组成，被广泛应用于当前各种电子通信系统当中。在实际教学中，该部分内容也是要求学生重点掌握的内容，但是，由于该部分理论十分抽象、数学公式推导较多，学生不容易理解，使用HFSS软件对该部分内容进行仿真，可以加深学生对天线理论的理解，提高教学效果。

八木天线的设计指标较多，包括天线的尺寸、主瓣宽度、增益、旁瓣电平以及工作频段等指标[6]，通过HFSS软件对八木天线进行仿真分析之前，需要先确定这些指标，然后利用经验公式对天线进行初步设计，最后利用HFSS软件对设计好的天线进行参数微调，就可以获得满足指标要求的仿真结果，图5为使用HFSS软件对八木天线进行仿真界面。

通过对设计的天线进行仿真分析，就可以获得其仿真结果，图6是八木天线的天线方向性图函数仿真结果，可以直观地展示出天线在各个方向的增益，能够加深学生对天线中各个参数的理解，提高学生的学习兴趣。

四、实验教学方法改进措施

为提高电子信息工程专业学生的实践综合应用能力，必须加强学生理论与实际结合的培养工作。计算机仿真软件具有可以实时更新、软件充足、不需要额外人员进行维护等特点，可以克服传统实验教学中的问题。那么就需要借助计算机仿真软件对实验教学方法进行改进，由此来提升实验教学质量，具体改进措施如下：

第一，在课程开始前，首先，教师需要针对课程内容选用适当的计算机仿真软件，例如，“模拟电子电路”“数字电子电路”“电子测量技术”等课程可以选用Multisim作为仿真软件。“信号与系统”“数字信号处理”等课程可以选用MATLAB/Simulink作为仿真软件。“微波技术与天线”“天线与电波传播”等课程可以选用HFSS作为仿真软件。其次，教师需要根据该课程内容编排，不断更新实验教学内容，尤其是对理论课程内容比较抽象、乏味的内容，可以作为实验教学内容，达到提高学生学习兴趣的目的。最后，教师需要根据实验内容编写或修订实验指导书，指导书可以包括实验目的、实验原理、实验方法、实验内容、实验要求等内容，实验目的是经过本次实验后学生知识或操作能力应该能够达到的水平。实验原理是本次实验设计所依据的理论根据，如公式、定理、公理等，能够指导实验，又能经受实验的考验。对于实验方法，由于采用的是计算机仿真方法来进行实验，所以对于计算机仿真实验来说，實验方法是在本次实验中可能用到的仿真库、仿真模块、仿真流程图等，以达到可以完成实验内容的目的。实验内容是根据课程的需要，学生在本次实验中需要进行的实验操作。实验要求是学生在实验操作当中需要注意的地方。

第二，在实验课开始前，教师需要提前给学生相应仿真软件的使用说明文档，或者在理论课中简要说明仿真软件的使用方法，以确保学生基本会使用该仿真软件。学生需要了解仿真软件的基本使用方法以及完成相应的实验预习，主要包括对实验目的、实验原理、实验方法的了解。

第三，在实验课中，教师要向学生讲述相应内容的实验原理，同时要让学生明白实验过程中每一个步骤的功能、作用及达到什么效果，并强调实验中需要注意的地方，确保学生能够独立地完成相应的实验内容。在实验操作阶段，学生应该独立完成，但是，对于学生仿真不下去、仿真困难或者仿真容易出错的地方，教师要再进行统一讲解，让学生能够把实验进行下去。

第四，在实验课后，教师可以利用计算机办公软件将学生的实验预习、实验操作以及实验报告书写情况记录下来[7]，及时掌握学生实验操作能力，给出对应的实验成绩，根据计算机办公软件对评价结果进行对比分析，解决学生在实验学习中所遇到的难点问题，并有针对性地修正更新实验指导书及仿真程序，为后续教学的提升提供依据。

五、结语

实验教学是理论课程内容的补充，在电子信息专业课程中，将理论与计算机仿真软件结合起来，可以解决在传统实验教学中存在的问题，让学生在较短的时间内直观地掌握理论课程中相关的知识内容，同时也能够使学生的计算机软件使用能力得到锻炼，提升学生的科研实践水平，达到提高实验教学质量的教学目的。

参考文献

[1]李建柳. 计算机辅助软件在电子信息工程专业实验教学中的应用研究与实践[J]. 电脑知识与技术， 2021（11）：63-64.

[2]李献，骆志伟，于晋臣. MATLAB/Simulink系统仿真[M]. 北京：清华大学出版社，2017.

[3]田金鹏，王瑞. 电子电路软件仿真实验教程[M]. 北京：清华大学出版社，2020.

[4]徐兴福. HFSS射频仿真设计实例大全[M]. 北京：电子工业出版社，2015.

[5]程春雨，商云晶，吴雅楠.模拟电路实验与Multisim仿真实例教程[M]. 北京：电子工业出版社，2020.

[6]李莉. 天线与电波传播[M]. 北京：科学出版社，2009.

[7]徐礼长.分析计算机辅助软件在电子信息工程专业实验教学中的运用[J].中国金属通报，2021（10）：171-172.

作者单位：中国人民解放军火箭军工程大学

责任编辑：张津平