虚拟仿真在电子与信息技术专业教学中的应用研究

    陈长春 李木清 黄银资

    

    

    

    摘 ?要 在分析职业学校电子专业教学现状及EDA技术在教学中的优势的基础上，通过实例阐述虚拟仿真技术在电子与信息技术专业教学中的应用，以期为一线教学提供借鉴和参考。

    关键词 电子与信息技术;虚拟仿真技术;电子产品自动化设计平台;EDA;Multisim;Proteus

    中图分类号：G712 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）11-0031-04

    1 前言

    虚拟仿真技术是一种利用计算机软件构建的虚拟环境来模仿真实环境之技术。电子工程领域常用的仿真技术是电子产品自动化设计平台（Electronics Design Auto-mation），简称EDA。目前，许多EDA软件不仅可以用于电子产品的电路设计和印制电路板制作，而且具有电路分析、电路仿真等多种功能，因此又被称为电子工程师虚拟实验室，在电子信息科研和教学实践中得到广泛应用。

    2 电子与信息技术专业教学现状分析

    电子与信息技术专业是一个理论性和实践性很强的专业。当前职业学校电子专业课程的教学基本上都采用单向传授、被动接受的填鸭式传统教学模式，教学内容枯燥而抽象。由于教学对象学习基础较差，分析能力和思维能力欠缺，这种教学模式也造成大多数学生不想学或学不好，更不谈不上创新能力的培养。在教学活动中，教师通常采用一些演示实验来增强学生对知识的理解，但是由于电子电路的复杂性和电子元件的细微性，往往存在演示不直观、耗费时间过长或是实验硬件配置不足等问题，从而影响了课堂教学效率，难以达到预期效果。

    3 电子与信息技术专业常用的EDA软件及其特点

    电子技术领域能实现电路设计和仿真的软件很多，在我国具有代表性的主要有澳大利亚Altium公司推出的Pro-tel、Altium Designer，英国Lab Center Electronics公司开发的Proteus，美国国家仪器（NI）公司的Multisim和LabVIEW。这些软件具有操作界面直观、元器件库丰富、仪表仪器多样、电路仿真功能强大等特点，因此，不仅是电子工程师设计电路和制作PCB必备的工具，还是各院校教学和中等职业学校技能大赛中相关赛项的指定软件。

    Multisim绘制电路方便、操作简单、数据分析直观，软件中的3D组件、视听演示以及元件故障预设功能，不仅能有效提升学生的实践创新能力，还能激发学生的学习兴趣;Altium公司的Protel和Altium Designer在电路原理图的绘制、自动布线和PCB设计制作方面表现较强;Proteus软件不仅具备电子电路的设计、电路分析、PCB自动布线和电路仿真功能，在数字电路、单片机仿真和嵌入式系统开发方面更是技高一筹。

    4 仿真技术在教学中的应用

    据上所述，不同的EAD软件功能有所区别。在教学中，教师可以根据不同学科或知识内容选择相应的软件，将仿真技术融入教学相关环节，如设计电路、分析原理、演示功能、测试参数等;学生也可以利用仿真软件来练习电路搭接、原理分析、数据与定理验证、简单电路设计等工作。

    Multisim在教学中的应用 ?推荐版本：Multisim 14.0。

    Multisim 14.0是基于Windows的EAD仿真工具，软件不仅具备大量的电气和电子组件，还提供了多样化的指示器和标准化仿真分析仪，具有良好的图形输入界面、强大的电路设计和电路仿真能力，对电路基础、电子线路、电子产品设计安装与调试等学科的电路都能进行建模和仿真。下面用两个案例来说明。

    1）三极管VA特性曲线的仿真与测试。晶体管是构成电子电路的最基本的元件之一。三极管的VA特性既是教学中的重点，也是教学难点，应用传统VA实验法授课存在电路连接耗时长、故障率高、测试数据不易调整、测量误差大等问题，不妨借助Multisim仿真来解决。

    利用Multisim 14.0仿真晶体管的VA特性主要有晶体管图示仪测试、IV分析仪测试、直流扫描测试和VA法测试四种方法。其中，晶体管图示仪测试操作简单，但不能仿真三极管的输入特性;IV分析法仅能仿真VCE=0 V的输入特性曲线;VA法比较烦琐，不利于教师演示讲解，但非常适用于学生在课后做验证性实验，让学生通过操作、读数和画图获得特性曲线，更好地理解三极管的电流放大作用，进一步培养学生的分析理解能力;直流扫描分析法是一种比较全面的分析方法，教学中采用该方法较为理想，操作方法如下。

    ①输入特性曲线。在Multisim 14.0设计界面中创建图1所示电路，点击菜单栏仿真下的analyses and simula-

    tion或工具栏中的interactive simulation图标，在对话框中选择直流扫描→分析参数标签。这里将VBE作为横坐标（将源1设为V1），VCE作为第二变量（将源2设为V2并勾选使用源2），再设置好源1和源2的仿真电压起始和停止值以及增量（本例取VBE为0～1.2 V，增量为0.01 V;VCE

    为0～3 V，增量为0.5 V），点击输出标签，选择输出变量（纵坐标）为IB，按添加按钮将其添加到输出变量中，点击Run，即可得到三极管不同VCE时的输入特性曲线，如图2所示。

    ②输出特性曲线。将图1中的电压源V1改为电流源IB，并适当增大V2电压（如图3所示），打开直流扫描，将VCE作为横坐标（源1设为V2），IB作为第二变量（源2设为IB），调整好VCE和IB的仿真参数（本例取VCE为0～8 V，增量为0.1 V;IB为0～100 μA，增量為20 μA）和输出变量IC，点击Run，即可得到三极管不同IB时的输出特性曲线，仿真结果如图4所示。

    2）OTL功率放大器的仿真与测试。功率放大器在日常生活中应用十分广泛，用Multisim提供的仿真环境开展教学，可以使学生更好地理解功放电路的原理，掌握功放电路的分析与检测方法，提高学生的电路排故能力。首先，在Multisim 14.0的设计窗口创建一个OTL功放电路，在引领学生认识电路的基础上连接好相关仪器，如图5所示。

    ①直流参数分析。OTL电路主要直流参数有中点电位和功放级的静电流。中点电位主要用于衡量输出波形峰值的对称性，功放级静态电流用于改善交越失真和电路效率，功放级静态电流过小，电路存在交越失真;电流过大则电路效率低。

    图5中，RW1为中点电位调整元件，RW2用来调整管静态电流。首先调整RW1，使U3=UCC/2;再调整RW2，使推动管Q2发射结偏置电压约为0.5 V，仿真调整后的参数如表1所示。打开analyses and simulation中的直流分析工具，可以看到电路相应的直流参数，如图6所示。此时功放管Q4、Q5的静态电流很小，三极管处于微导通状态，电路效率较高。

    ②交越失真分析。给放大器输入f=1 kHz，Vp=5 mV的正弦信号，仿真后发现电路还存在一定的交越失真，说明功放管子的导通角偏小，此时用失真分析仪XDA测得失真度为0.69%。增大RW2，观察示波器可以发现，当Q2管的VBE动态电压达到0.52 V时，交越失真消失，XDA指示的失真度为4.5%。

    ③观察自举电路的作用。在上例中，断开自举电容C2，用示波器观察，发现输出电压峰值从原来的6.35 V下降到1.12 V，实测输出功率从2.74 W下降8.83 mW。由此可知，自举电路能提高电路的功率增益。

    ④观察输出耦合电容的作用。教材中提出C4的主要作用是耦合和充当半电源。将电容器C4短接，示波器的电压类型选择直流，此时会发现输出波形向上位移9 V。由此可知，没有C4隔直，负载RL两端包含有9 V的直流成分，这样就很容易把扬声器烧坏。至于C4充当电源的作用，在波形中无法体现，但断开Q5，发现输出波形没有改变，说明如果没有C4，Q5是不会工作的，从而反证了C4充当电源的作用。同时，通过仿真还可以验证C4过小造成输出信号减小以及产生严重失真的情况，得出功放电路的输出耦合电容应足够大。

    ⑤分析功放电路性能。功放电路性能一般包括放大器的频率响应、输入输出电阻、最大不失真输出功率、电路转换效率等。

    a.放大器的频率响应。利用Multisim提供的波特测试仪XBP，可以很方便地测出放大器的幅频特性和相频特性。在本例中将测试仪的IN+接OTL电路的输入端，OUT+接电路输出端，双击XBP将频率范围设为I/1 kHz，F/200 MHz。点击幅值，可以得到该放大器的最大增益64 dB。实测，fBW=1.12 M+78.5 Hz≈1.2 M。由此可知，该功放基本上能满足音频放大要求。在对话框中点击相位，即可获得该放大器的相频特性，实测该放大器对1 kHz信号的相移为145°。

    b.最大不失真输出功率与电路转换效率。在上例中取负载电阻为8 Ω，将失真度控制在5%，利用相应的仪表仪器测得功放级不同静态电流条件下的最大不失真输出功率和电路转换效率，如表2所示。

    由以上测试获得的数据及计算结果可知，功放管Q点较低时，电路效率较高，与乙类功放电路的理想值78.5%比较接近;但输出信号存在交越失真现象，且输入信号越

    小，失真越严重。为获得更好的电路性能，必须牺牲一定的电路效率来消除交越失真。在本电路中将功放级电流调至

    130 mA时，示波器显示小信号交越失真完全消失，此时电路获得的最大功率为3.89 W，电路效率达到62.6%。

    ⑥电路验证。利用LabVIEW仪器中的麦克风和扬声器，可以验证OTL电路的工作情况。如果功放电路正常，在设置好相关参数后，运行仿真便可以听到麦克风的录制声音，这样更能体现仿真的真实性，从而提高学生的学习兴趣。

    Protues在教学中的应用 ?Proteus软件不仅在电子电路的设计、电路仿真和PCB自动布线方面表现出色，还提供多种主流MCU和丰富的通用外设模型，如LCD显示模块、数码管显示模块、LED点阵、键盘按键、步进电机、电子温度计、I/O口扩展等，并支持RS232、虚拟终端以及与计算机的双向通信，可以更好地实现单片机原理、嵌入式系统等课程的仿真分析。该软件自带编程器，与第三方主流编程工具（如Keil、IAR）的兼容性也很好，从而为相应课程的仿真与分析创造了良好的条件。同时，软件中的逻辑动画和断点调试功能对程序分析与调试也有很大的帮助。

    在传统的单片机教学中，学生使用的一般都是实验箱或实验模块，内部电路均已连接好，只要进行简单的端口连线，程序编写也是在教师指导下完成，不利于培养创新能力。利用虚拟仿真教学可使该问题得到圆满解决。图7是利用Protues 8.0构建的DS18B20温度检测系统，教师可以利用仿真让学生在计算机上完成电路作图，理解温度检测电路原理，并基于电路编写程序，利用仿真验证程序书写的正确性。在修改程序时，还可以通过观察仿真电路中器件引脚的逻辑状态来确定程序的错误语句的位置。

    目前，我国参加单片机技能大赛的选手使用的是YL-236考核装置，该装置采用模块式结构，学生对模块内部电路的组成缺乏理解，在程序编写和调试上受到一定的制约。指导教师可以将设备的相关模块制作成仿真电路，这样不仅可以增进学生对模块结构的理解，还可以让选手将实验平台装进U盘，以随时随地学习，提高赛前训练效率。

    5 结语

    职业教育担负着为社会培养高素质技术人才的使命，提高课堂教学质量和教学效率也是一线教师追求的目标。教学实践证明，将EDA虚拟仿真引入电子与信息技术专业课堂，不仅可以有效解决学校实训设备和实验条件难以满足教学要求的问题，而且软件中多样化的电子元器件和齐全的电路分析工具，还能帮助师生更快更好地连接和分析电路，节省大量的课堂操作时间，提高教学效率。同时，虚拟仿真还有利于通过网络构建轻松活泼的师生互动平台，改变以往的“单向传授，被动接受”教学模式，让学生通过边做、边学，第一时间获取工作信息，更好地提升动手能力和创新能力，激发学习兴趣，真正走上乐学之道。总之，将仿真技术应用于电子专业相关课程教学，对于培养学生的创新思维能力、全面提升学生的专业素质具有重要意义。

    参考文献

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