EDA仿真技术设计在实验课程的应用.doc

eda仿真技术设计在实验课程的应用摘要： 虚拟技术的发展使电子线路的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。这样，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进电子线路实验教学的现代化。关键词：eda仿真 电子技术 实验教学应用 创新教学一电子线路虚拟实验概述虚拟技术是近年发展起来的，利用计算机模仿真实过程的实用技术。电子线路虚拟实验是利用计算机构造一个实验模拟环境，通过电路的建立和对数据与电路功能的分析，达到实验效果和目的的一种新的实验方法。eda技术是一种以计算机为基本工作平台，以高级语言描述、具有系统级仿真和综合能力的软件工具。软件有多种，其中multisim软件是较常见的电子技术设计和实训的工具。通常工具软件的元器件库储存有许多大公司的晶体管、阻容元件、集成电路和数字门电路芯片等元器件，仪器库则有万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换等仪器，接通开关就可以进行和实物实验一样的测试分析了。但这类软件的缺点是元件均是以电路符号实现的,与实物试验差别很大.我们所完成的多媒体电子技术实验系统软件的突出优点是:元件及仪表均以实物形式重现,直观性强,可操作性高。它不仅为电子技术设计人员提供了“自顶向下”的设计理念，同时也为教学提供了一个极为便捷的、科学的实验教学平台。电工电子类专业课程中的电工基础、模拟电子技术、数字电子技术都可以通过eda仿真软件，进行电路图的绘制、设计、仿真试验和分析。应该说将eda仿真软件应用到电工、电子类专业的教学中是一种教学手段的创新，也是提高教学质量的优选方法。二电子线路虚拟实验的实现2.1实行虚拟实验的必要性电子线路是一门较为抽象的理论型课程。在学习电路理论时必须理论联系实际，抓好教学中的实验环节，让学生能根据自己的实际情况，结合教师的教学要求进行实验操作，验证所学到的电路原理。但是，学生在实验中出现的种种现象又不尽人意，暴露了传统实物实验的一些固有缺陷。例如：（1）学生不熟悉电路连接，还没有掌握好锡焊技术，所以连接电路时极易出错。（2）电路连接错误，易造成电子元器件及测试仪器的损坏。学生不熟悉仪器操作也是造成仪器容易损坏的原因。（3）学生不能根据自己的学习进度安排实验时间，更不能像做家庭作业一样在课余时间进行练习。有限的教学时数与学生技能的提高矛盾突出。（4）实验的元器件离散性大，环境变化引起的温漂、干扰等因素会造成实验数据的偏差。（5）传统的电子技术实验是以实物为主的，设备易磨损老化，需要定期更新；教学实验室的设备配置与教学大纲的教学要求相对应，随着教学要求的提高及电子技术的飞速发展，实验设备的技术水平也不断提高，数量也要有所增加，这要消耗我们有限的教学经费。eda技术恰好能够弥补实验的不足。它的优点是：（1）在计算机上即可完成和实现电路的电气连接，检测电路的电性能。例如，显示检测点的电压电流波形及对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等多种分析，及时获得实验结果。（2）评估元器件参数变化（包括故障）对电路造成的影响。分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（noise）、频谱（fourier）、器件灵敏度（sensitivity）、温度特性（temperature）分析等。（3）可以在短暂的实验时间里快速完成较复杂的电路连接、测试工作。（4）可以很容易地实现对学生的量化评估。2.2实验室的建构作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。一方面继承实物实验可操作性、参与性强的优点，另一方面又可利用计算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验教学方式，进一步提高教学效率。系统配置是：一台多媒体计算机+多媒体电子技术实验系统应用软件。三、multisim2001在实验教学中的应用现以“设计直流稳压电源”为例，说明具体实验在虚拟实验室中是怎样开展的。实验中进行了一系列参数设置、波形观察和数据读取，以验证虚拟实验的可操作性。试用三端式稳压器设计并制作一直流稳压电源，指标要求如下：（1） 输出电压uo=(90.5)v;（2） 最大输出电流iomax=1a（3） 输出纹波（峰峰值）小于4mv(iomax=1a时)；（4） 其他指标要求同三端式稳压器。设计与制作步骤如下：1） 画电原理图（或直接画仿真电路图）电路如图1所示。该电路是78*系列作为输出电压uo固定的典型电路。正常工作时，输入、输出电压差为23v。电路中接电容c2、c3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激震荡和抑制电路引入的高频干扰；c4是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰；d5是保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器c3一个放电通路，防止c3两端电压作用于调整管的b-e结，造成调整管b-e结击穿而损坏。2） 元器件及参数选择注意，这里的元器件应为实元器件，设计和计算的顺序一般为由后向前。（1）三端稳压器选择7809，其输出电压和输入电流均满足指标要求。（2）d5、c2、c3和c4 d5可选小功率二极管1n4001，c2、c3和c4取值如图1所示（主要根据工程经验而得到），其中，c2、c3一般为瓷片电容，c4一般为电解电容，耐压可取16v或25v（大于输出电压的1.5倍）。（3）电压u1和u2 u1和u2的取值决定了相关元器件及参数的选择。一般情况下，u1应比uo高3v左右（太小影响稳压；太大稳压器功耗大，易受热损坏），所以可取u1=12v，考虑电网电压10%的波动，最终取u1=13.5v。根据公式可取变压器次级电压有效值u2为：u2=u1/1.1=13.5/1.1=12.3v受变压器规格的限制，实际应选u2=12v。（4）滤波电容c1 根据公式rlc1=5t/2，则c1=5t/2rl式中，t 为市电交流电源的周期，t=20ms；rl为c1右边的等效电阻，应取最小值，由于iomax=1a，因此rlmin=u1/ iomax=1.1*12/1=13.2。所以取c1=5t/2rlmin=3760（f）可见，c1容量较大，应选电解电容。受规格的限制，实际的容量应选为4700f，其耐压值可取25vc1的最后取值还需根据纹波电压的要求调整并确定。（5） 整流二极管d1-d4 整流二极管的参数应满足最大整流电流if1.5iomax=1.5a；最大反向电压ur2u2=34v特别应该指出的是，电容滤波使电路被接通的一瞬间整流管的实际电流远大于iomax。如果if较小，很可能在电路被接通时就损坏，因此，一般取if 5iomax=5（a）（6）变压器t 由u2值选变压器输出电压为12v 考虑到电网电压10%的波动，稳压电路的最大输入功率pimax=1.1u1iomax=14.5w考虑变压器和整流电路的效率并保留一定的余量，选变压器输出功率为20w3）电路仿真调试在完成电路的初步设计后，在对电路进行仿真调试，目的是为了观察和测量电路的性能指标并调整部分元器件参数，从而达到各项指标的要求。固定式直流稳压电源的仿真调试调用multisim仿真，画出图2 所示仿真电路。电路中各元器件应为实元件。 测量输出电压和最大输出电流并判别是否满足指标要求，如不满足，则可能是输入电压u1、变压器输出功率p2或整流二极管最大整流电流if过小而造成，应进行相应的调整。 测量输出纹波电压并判断是否满足指标要求，如不满足，则应加大滤波电容值其他指标与三端稳压器相同，一般无须测量。4)pcb图设计与生成（1） 由仿真电路直接生成网络表（2） 调用protel-pcb，并进行元器件合理布局（3） 调用网络表，并自动布线。（4） pcb图的人工调整（5） 打印输出5）电路焊接与装配6）实际电路测试与改进四、充分发挥eda仿真技术在教学中的应用，培养更多适应新技术要求的人才。 基于上述理念，现代教育的职能已成为为学习者服务，为用人单位服务。人才需求的变化，技术的发展之快更是需要教育工作者有着人才培养的超前意识。这一意识必须是科学的、崭新的、快速的、甚至是跳跃的。特别是技工学校人才的培养需要有掌握新技术的专业教师，还要有新技术的设备才能满足人才培养的要求。新技术、新设备的大量投入可能会影响到进入人才市场最前沿的机遇。这就需要我们思维创新，教学手段创新。本作者认为学校实验教学就应该以eda仿真技术为突破口，引入计算机辅助教学手段。将被誉为当代十大杰出工程技术之一的cad（计算机辅助设计）技术完全的引入到各专业的教学中，如电工电子专业、机械制造专业、汽车等专业的仿真技术化。利用计算机各种强大功能，实现教学形象化、多媒体化、各科的仿真技术化。利用计算机各种软件功能制作多媒体课件，取代原始的教学设备，提高教学的质量，解决部分实践性环节教学难题，从而加快高素质人才培养的速度。 综上所述，由于eda仿真技术的先进性、实用性和通用性，因