（信号与信息处理专业论文）《电路原理》课程仿真实验系统的研究与开发.pdf

东南大学硕士研究生学位论文 电路原理课程 仿真实验系统的研究与开发 摘要 本文就我国职业学校电路课程教学仿真的现状及发展趋势，通过对电路仿真 的历史及现有理论和应用的深入研究，展示了电路仿真教学的全貌。根据对当今 多种仿真软件的比较分析，找出适合我国职业教育的电路仿真软件。 通过对教育理论的研究以及教学实践的总结，提出了职业学校电路课程教学 中几种仿真教学模式；并介绍了电路课程教学仿真的实施。 本文从对c a i 理论的研究，说明了仿真c a i 实验系统在教学中的重要作用并 依据教学实践开发电路仿真c a i 系统的经验，阐述了仿真c a i 的开发制作过程。 本系统的制作目标是将其制作成一个开放的体系，可以不断的扩展，跟踪行业技 术最新发展动态，重点解决职业学校学生实习难的问题。 通过对多媒体应用技术的研究，讨论了运用多媒体采集工具获取图、文、声、 像等多媒体素材以及运用多媒体集成工具进行系统集成的方法和经验。 最后根据仿真c a i 系统在教学中的应用效果分析，对制作教学c a i 的前景做 出展望，并指出今后制作中应注意解决的几个问题。 关键字：仿真、电路、e w b 、计算机辅助教学( c a i ) 、a u t h o r w a r e 。 东南大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o no nt h es y s t e mi nt h e c o u r s ea b o u tt h et h e o r yo fe l e c t r i cc i r c u i t a b s t r a c t i ti sa n a l y s e dt h a tt h ec u r r e n c ya n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h e s i m u l a t i o na n dr e a l i z a t i o ni nt h ecourseo ft h et h e o r y o fe l e c t r i cc i r c u i ti nv o c a t i o n a ls c h o o l ，t h r o u g hl u c u b r a t i n go ft h eh i s t o r y o fe l e c t r i cc i r c u i ts i m u l a t i o na n dt o d a y st h e o r ya n da p p l i c a t i o n ，t h e e l e c t r i cc i r c u i ti sl a i do u t a c c o r d i n gt oc o m p a r i s o na n da n a l y s i so fv a r i o u s e l e c t r i cc i r c u i t ，t h e p r o p e re l e c t r i c c i r c u i ts o f t w a r ei s f o u n d t h r o u g h s t u d y i n go ft e c h i n gt h e o r y a n dc o n c l u s i o no ft e a c h i n gp r a c t i c e ，s o m e e l e c t r i cc i r c u i tm o d e li sp r o m t e d ；t h ep r o p e ri n t r o d u c ea b o u th o wt oc a r r y i to u ta l s o a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i e n c eo fa u t h o r sp r a c t i c e ，t h ep r o c e s so f d e v e l o p m e n to fe l e c t r i cc i r c u i tc a i ，h a sb e e nd i s p l a y e d t h r o u g hr e s e a r c h i n go ft h em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，l o t s o fm e t h o d sa n de x p e r i e n c ea r ei n t r o d u c e dw h i c hc a nh e l pu sm a k i n g s t r u c t u r ed e s i g n ，s c r i p td e s i g n ，m o d e l d e s i g na n da n i m a t i o nd e s i g n i nt h ee n do ft h et h e s i s ，t h ep r o s p e c ta b o u th o wt om a k ee l e c t r i c c i r c u i tc a ii sl o o k e da h e a da n ds o m ep r o b l e m sw h i c hs h o u l db ep a yn o r e a t t e n t i o nt oa r ep o i n t e do u t ，a l s o k e y w o r d s ：s i m u l a t i o n ，e l e c t r i cc i r c u i t ，c a i ，a u t h o r w a r e i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垂i 主鏖 日期：己! ! g ：f ? 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借蒯，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：壶l 主熬 导师签名：盔垒硅日期：乙，q 东南太学硕士研究生学位论文 第一章绪言 l _ 1 课题的研究背景 在电工学和电子学等电路原理类课程的教学中，教师要经常展示电路图和数 据波形图但刚于受示波器性能和实验用元器件的限制，报难清楚地显示电路的各 种电学状态，电无法将仪器屏幕上显示的电路波形进行存储和扣印，更难以演示如 频谱分析、波形的叠j 日合成等复杂的电学过程，教学中许多教师只能用w i b d o w s 所带的“画图”工具这一类绘图软件来绘制电路图和数据线圈，以满足直观教学 的需要。但是这些人工绘制的图线，并不包含真正的电学意义，更谈不上实现交 互式工作。也就是说不可能通过临时改变电路数据而得到新疗勺分析波形。这种教 学方法显然缺乏说服力，从传授科学知识的思想和方法t 也是不可取的。 现在，通过电路仿真软件不但可以轻松地解决以上难题，还可以为多媒体教 学以及远程教育提供教学素材，并可以在网上开设远程虚拟电路实验 另一方面，电学实验仪器的缺乏和老化也是教学单位的共同难题。仪器品种 短缺、数量“i 足、精度过低、允许的参数范尉小、易损坏和缺少配件是电学实验 室常见的问题。在电子测量技术飞速发展的今天，靠有限的实验经费实在难以跟 e 电子仪器更新换代的步伐。些高精度的电了仪器如逻辑分析仪、网络分析仪 之类更难进入普通学校之中。由于缺乏必要的仪器设备，很多教学实验无法进行。 然而使用电路仿真软件则可大大缓解这一矛盾。只要是和电工、电子学有关的实 验大都可咀用电路仿真软件米实现。 所以，研究和探索l u 类课程的仿真教学是当今职教系统亟待解决的重要问题， 它能为电类课程的教学提供积极的有益的技术支持。自2 0 0 2 年下半年，作者已在 教学工作中引入仿真教学系统，进行这方面工作的具体研究。 1 2 电路仿真软件的应用 传统的手工埕训电子电路，一般是根据经验和成熟的电路数据来预定电路参 数，采用简化的电路和器件模型估计电路特性，通过搭建实验电路加以验证。搭 建电路实验所需费用比较高：一般还要进行多种电路方案、调用不同型号或误差 等级的兀器件避行比较实验，使电路实验周期变得很长：对电路进行温度分析、 容差分析和最坏情况分析等统计研究也要耗费大量的人力。面采用电路仿真技术 后，这些工作都变得十分容易。上述的各种实验只要设置若下参数，在两分钟 内即可得到结论。用计算机仿真代替_ | 若建实验电路，可以大大减轻力案验证阶段 的工作量，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据。在e d a ( e e e f t o n i cd e s i g na u t o n a t j o n ) 即电子设计自动化系统中，更可以保存大量 的单元f 乜路、元器件的模型和参数，并可供设计者方便地调用这些数据。采用这 些仿真软件能满足整个产品设计及验证过程的自动化，完成电路设计后，可生成 二【_ ：程制造所需的各种数据和报表文件。 虽然电路仿真可蛆在很大程度上模拟真实电路，但不能完全取代对最终电路 实物的测试。因为实际元器件的参数不可能和模型完全样。更重要的是所有的 元什必须安装在印刷电路板上，电路板的元件布局和铜箔布线对电路性能的影响 很大，特别是在电路的工作频率比较高时。所以使用电路仿真软件并不是要敬消 仪器，而是在制成实际的工程样品前就能保证电路有大致正确的参数属性，丽溅 东南大学硕士研究生学位论文 少设计中不必要的弯路，提高设计的成功率。1 第二章教学仿真的模式b 2 1 传统型教学模式 所谓教学模式，是指在一定的教育思想、教学理论、学习理论指导下的教学 活动进程的稳定结构形式。也就是按照什么样的教育思想、理论来组织你的教学 活动进程，它是教育思想、教学理论、学习理论的集中体现。敦学模式的改变必 然会触动教育思想、教学观念、教与学的理论等根本性的问题。 传统的教学系统是由教师、学生和教材这三个要素构成的，在现代化教学环 境下还要多增加一个要素，这就是教学媒体。既然是一个教学系统，从系统论的 观点考虑，几个要素就不是简单地、孤立地拼凑在一起，而是彼此相互联系、相 互作用而形成的有机整体。所谓教学模式正是这四个要素相互联系、相互作用而 形成的教学活动进程的稳定结构形式，是四个要素相互联系、相互作用的具体体 现。 基于传统型的电路课的教学，无外乎就是采用课堂讲授法和实验教学法，教学 中只有把二者有机地结合起来，才能获得较理想的教学效果。但对于一些实习、 实验条件较差的学校，特别是一些中等职业学校，由于缺少较精密的实验仪器， 导致相当数量的实验实习只能在“黑板”上或“书本”上进行，缺少教学的互动 性环节，直接影响教学效果。该教学模式重点在于传授教材上的理论知识，并通 过教材匕的实验内容来验证理论知识。学生在学习过程中完全受教师和教材的束 缚，缺少创新精神和学以致用的教学目标。 2 。2 验证型教学仿真模式 近年来随着多媒体计算机教学的普及与发展，为电路课程的教学仿真及其推 广应用创造了必要的硬件准备。9 0 年代后期，一些电路仿真软件开始进入校园， 由于仿真软件元件库中元件非常丰富，自身携带的测试仪器十分完备，对于一些 实验条件要求非常高的实习项目，完全可以利用教学仿真软件进行模拟仿真，并 可将仿真结果进行打印或拷贝保存，特别是一些如示波器、波特图示仪等仿真仪 器可以真实地显现出电路中任何测试点的波形，从而对课堂教学所传授的理论知 识迸一步加以验证。 这种教学模式，实质上是采用了课堂讲授、实物搭建实习、多媒体计算机辅 助教学仿真三个教学环节，后一环节是前一教学环节的验证和补充。其教学目的 就是通过实习或仿真来验证书本上的理论知识，不具备创新教育的性质。 2 3 基础维修型教学仿真模式 东南大学硕士研究生学位论文 这种教学模式，是在验证型教学模式的基础上的进一步引中和发展。它必须 在理论知识深入到一定程度时，且对基础知识、基本技能有较系统掌握的情况下， 为培养学生对具体电路的维修技能，由教师对某一功能电路进行人为故障设置， 要求学生在规定的时间内，通过各种仪器仪表的使用，最终查找出故障点并加以 排除的一种实习教学方法。 该仿真教学模式具有以下优点： a 、故障设置的隐蔽性： 普通电路板故障设置，是以往电路课程普遍采用的一种教学实习方式。但当 在电路板上设置故障时不可避免的会在电路板上留下痕迹，这就等于为学生排查 故障指明了方向，不利于学生技能的掌握与提高。而象e w b 这样的仿真软件，对 电路中任意一个元件都可以设置短路、断路、漏电等三种隐蔽故障，且不会留下 任何痕迹，学生故障检修完毕后，开启仿真功能，通过电路输出结果及其波形图 即可判定学生检修是否成功。 b 、故障排查的安全性： 电路实习所使用的电压并非全为低压直流，有些电路中部分功能电路往往带 数千伏的高压，实物线路板的故障检查需十分小心，应有教师进行监护，杜绝触 电事故的发生。而象e w b 这样的仿真软件，设置故障后，学生只在计算机上进行 电路分析、故障排除，所以绝对没有触电的可能。另一方面，仿真过程中，也不 会出现由于操作不当造成元器件损坏的现象。 c 、便于考核与评分： 职业学校中专业技能的实操考试是教学中的重要一环，纯线路板式的考试， 以其准备工作费时、耗材需求量大、评分工作繁杂而著称。由于贵重仪器、仪表 数量有限，致使每场只有少部分学生参加，并且考后应立即评分，以免影响下一 场学生考核使用。而在多媒体教室中，教师可以通过网络从题库中随即为每一位 学生调出考核题目，学生考试结束后把自己的考核结果以文件的形式储存起来， 发给评分教师，等待评分，大大减轻了以往考核的艰巨性。 2 4 综合设计型教学仿真模式 综合设计型教学仿真，是职业学校毕业生进行毕业设计时采用的一种实习环 节。它要求学生对所学习的电路知识要有比较全面的掌握，能够根据基本的功能 电路，设计并制作出可完成一定具体功能要求的电子装置。并以此来检测学生对 所学的专业知识的综合运用能力。 综合设计型教学仿真只是学生毕业设计中的一个环节。它在学生解决电路大 框架的基础上，对具体电路部分通过计算机进行设计、调试、多级连接、误差分 析、频率分析、温度分析等一系列设计分析过程，在满足电路参数的情况下，对 电路进行定型、绘制电原理图，并通过仿真软件进行p c b 设计，最终得出印刷电 路板图，并加以打印绘图，制作线路板，装配成成品器件，完成实习工作。 东南大学硕士研究生学位论文 第三章电路仿真教学及研究现状 3 1 当今流行的电路仿真软件及其特性 电路仿真属于电子设计自动化( e d a ) 的组成部分。一般把电路仿真分为三个 层次：物理级、电路级和系统级。教学中重点运用的为电路级仿真。 电路级仿真分析由元器件构成的电路性能，包括数字电路的逻辑仿真和模拟 电路的交直流分析、瞬态分析等。电路级仿真必须有元器件模型库的支持，仿真 信号和波形输出代替了实际电路调试中的信号源和示波器。电路仿真主要是检验 设计方案在功能方面的正确性。电路仿真技术使设计人员在实际电子系统产生之 前，就有可能全面地了解电路的各种特性。目前比较流行的电路仿真软件大体上 说有：o r c a d 、p r o t e l 、m u l t i s i m 、t i n a 、i c a p 4 、c i r c u i t m a k e r 、m i c r o c a p 平口 e d i s o n 等一系列仿真软件。”。 电路仿真软件的基本特点： 仿真项目的数量和性能： 仿真项目的多少是电路仿真软件的主要指标。各种电路仿真软件都有的基 本功能是：静态工作点分析、瞬态分析、直流扫描和交流小信号分析等4 项； 可能有的分析是：傅里叶分析、参数分析、温度分析、蒙特卡罗分析、噪声分 析、传输函数、直流和交流灵敏度分析、失真度分析、极点和零点分析等。仿 真软件如s i m e x t r i x 只有6 项仿真功能，而t i n a 6 0 有2 0 项，p r o t e 、o r c a d 、 1 ) _ c a d 等软件的仿真功能在1 0 项左右。专业化的电路仿真软件有更多的仿真 功能。刘电予设计和教学的各种需求考虑的比较周到。例如t i n a 的符号分析、 p s p c e 和i c a p 4 的元件参数变量和最优化分析、m u l t i s i m 的网络分析、 c i r c u i t m a k e r 的错误设置等都是比较有特色的功能。 p s p i c e 语言擅长于分析模拟电路，对数字电路的处理不是很有效。对于 纯数字电路的分析和仿真，最好采用基于v h d l 等硬件描述语言的仿真软件， 例如，a 1 t e r a 公司的可编程逻辑器件开发软件m a x + p u s i i 等。 仿真元器件的数量和精度： 元件库中仿真元件的数量和精度决定了仿真的适用性和精确度。电路仿真 软件的元件库有数千个到1 2 万个不等的仿真元件，但软件内含的元件模型总 是落后于实际元器件的生产与应用。因此，除了软件本身的器件库之外，器件 制造商的网站是元器件模型的重要来源。大量的网络信息也能提供有用的仿真 模型。设计者如果对仿真元件模型有比较深入的研究，可根据最新器件的外部 特性参数自定义元件模型，构建自己的元件库。对于教学工作者来说，软件内 的元件模型库，基本上可以满足常规教学需要，主要问题在于国产元器件与国 外元器件的替代，并建立教学中常用的国产元器件库。 电路仿真软件的元件分类方式有两种：按元器件类型如电源、二极管、7 4 系列等分成若干个大类；或按元器件制造商分类，大多数仿真软件有电路图形 符号的预览，便于选取使用。 各电路仿真软件对元件的p s p i c e 模型都作了简化。如p s p i c e 的电阻模型 有一阶、二阶和指数等3 个温度系数。多数软件只定义了前两个温度系数，只 有t i n a 定义了电阻的3 个温度系数，而p r o t e l 的电阻没有定义温度系数；又 比如双极型晶体管有4 0 个p s p i c e 模型参数，m u l t i s i m 规定了全部的参数、t i n a 4 东南大学硕上研究生学位论文 也有3 2 个，p r o t e l 只有2 2 个。对仿真精度安求比较高的设计要采用高精度的 元件模型，或根据实际元件修正参数模型。”。 数据显示和处理能力： 运行仿真后会得剑大量的数据。仿真数据的显示方式有列表和图线两种。 如计算静态工作点后，p r o t e l 将节点电压、支路电流、元件消耗能量和电源端 等效电阻等数据以列袁显示：p s n ic e 和m i c r o c a p 可将电压、电流和功率标识 在电路图中。瞬态分析、直流扫描、交流小信号分析一般以图示显示结果。图 线可以被打印或保存为特定格式的文件：部分软件可将波形保存为通用的p e l ( 以时间一电学量数对组表示的) 格式文什，或导出到e x c e l 中。也u j 以复制图 线，把它粘贴到w l n d o w $ 的“画图”中，处理后保存为图片文件：或直接把图 线* # 贴到w d 、p o w e f p o n ：、a u t h e r w a r e 等软件的文档中。 各电路仿真软件对波形图线的处理能力不一j 。但一般都有如下数据处砰功 能： 1 波形；【4 4 量：显示为不同类型的坐标刻度( 线性、列数、幅度、分贝等) ，测出 图线的有效值、方均根值、峰峰值、平均值、最大值、最小值、 周期等。 2 图线计算：埘圈线进行加、碱、乘、除、微分、积分等运算，或将图线变量 作为数学函数的自变量，得到新的数学变量。 3 修饰图线：使图线更美观、更吝易被理解。可更改图线的粗细、颜色、式样 和标记；添测量数据点标志和数据标签；政变图线的背景色、 坐标的式样和颜色等。有些软件允许在图线画面中输入说明性的 文字，甚至可以是中文文本。 虚拟仪器和教育功能： 形象化的虚拟仪器是电路仿真软件的一个特色。最典型的例子是m u l t 】s l m ， 珐软件的虚拟仪器无论界面的外观还是内在的功能，都达到了同类软件的最高水 平。其它设置有虚拟仪器的软件还有t i m a 、g d is o n 等。 虚拟仪器可以帮助学习者了解电子仪器的作用，深入理解电子测量的方法和 技术要领。掌握电子仪器的各种操作方法，特别是各种控制按钮、旋钮的功能。 m u t js i m 和t i n a 虚拟仪器的功能实际上超过了p s p i c e 奉身，比较典型的晨网络 分析仪和逻辑分析仪。网络分析仪是分析射频组件和射频阚络参数的专用仪器； 而m u l t is i m 的逻辑分析仪具有真正的数字电路分析功能，符合实际数字系统分析 的技术要求。部分软件还有虚拟的机电元件，如灯泡、按钮、继电器、接触器等 电气元件，调用这些元件可构建机电控制电路。软件元件库中的数学和模拟控制 器件可用予自动控制原理分析。 为适应教育单位对电路原理教学的需求，有的牧件设置了教育功能。主要是 允许使用者对元器件设置一些隐蔽的错误。如m u l t is l m 和t i n a 可对组件设置开 路、短路和漏电阻三项参数；而a 1 t 1 u l l l 公司的c i r c u i t m n k e r 可以对组件和电路 做更多的教学设置，并且可以加上密码，直接作为实训课的考试工亘。 3 2 主要仿真软件的比较 一、e l e c t r o n i c sw o r k b e n c he d a , t 以下简称e w b ) ： e w b 软件是加拿大交互图像技术有限公司( i n t e r a c t i v ei m a g et e c h n o l o g i e s 5 东南大学硕士研究生学位论文 l t d ) 在九十年代初推出的e d a 软件，但在国内开始使用却是近几年的事，现在普 遍使用的是在w i n 9 5 环境下工作的e w b 5 o ( 在国内曾见过6 0 的演示版，注：e w b 5 0 也可以在w i n d o w s 3 1 环境下使用，但需安装w i n g 3 2 工具) ，相对其它e d a 软件而 言，它是个较小巧的软件，只有1 6 m ，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字 电路的混合仿真，但你绝对不可小看它，它的仿真功能十分强大，可以几乎1 0 0 的仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生 器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中 则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没 有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路仿真软件中，e w b 是最容易上 手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同 个窗口内，未接触过 它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来既，它是个 极好的e d a 工具，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元 器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学 软件使用，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。e w b 的兼容性也较 好，其文件格式可以导出成能被o r c a d 或p r o t e l 读取的格式，该软件只有英文版， 在中文版的w i n d o w s 9 8 下它的一些图标会偏移两个位置( 在w i n d o w s 9 5 下正常) ， 但不影响它的使用。 二p r o i e l ： p r o t e l 是澳大利亚的p o r t e l 公司在8 0 年代末推出的e d a 软件，在电子行业 的c a d 软件巾，它当之无愧地排在众多e d a 软件的前面，是电子设计者的首选软 件，它较早就在国内丌始使用，在国内的普及率也最高，有些学校的电子专业还 专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘 电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用p r o t e l 。早期的p r o t e l 主要作 为印制板自动布线工具使用，运行在d o s 环境，对硬件的要求很低，在无硬盘2 8 6 机的1 m 内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功 能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的p r o t e l 己发展到p r o t e l 9 9 s e ，是 个庞大的e d a 软件，完全安装有2 0 0 多兆，它工作在w i n d o w s 9 x 环境下，是个完 整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混 合信号仿真、多层印制电路板设计( 包含印制电路板自动布线) 、可编程逻辑器件 设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有c 1 i e n t s e r v e r ( 客 j 服务器) 体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如o r c a d ， p s p i c e ，e x c e l 等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度p c b 的1 0 0 布通 率。 三p s p i o e ： p s p i c e 是较早出现的e d a 软件之一，1 9 8 5 年就由m i c r o s i m 公司推出，在电 路仿真方面，它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用，现在使用较多的 是p s p i c e 6 2 ，工作于w i n d o w s 环境，占用硬盘空间2 0 多兆，整个软件由原理图 编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是 一个整体，但各个部分各有各的窗口。p s p i c e 发展至今，已被并入o r c a d ，成为 o r c a d p s p i c e ，但p s p l c e 仍然单独销售和使用，新推出的版本为p s p i c e 9 1 ，工 作于w i n d o w s 9 5 9 8 n t 平台上，要求是奔腾以上c p u 、3 2 m 内存、5 0 m 以上剩余 硬盘空间、8 0 0 x 6 0 0 以上显示分辨率，是功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真 e d a 软件，它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控 6 东南大学硕士研究生学位论文 制、波形输出、数据输出、并在同一个窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果， 无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括i g b t 脉宽调制电路、模数转换、数 模转换等，都可以得到精确的仿真结果，对于库中没有的元器件模块，还可以 自已编辑。 以下图表3 1 为目前1 0 个具有代表性的电路仿真软件主参数的统计。表中安 装容量是指软件安装后在硬盘中所占的空间，p r o t e l 的安装包括了p c b 设计组件； 电源种类的多少和软件对电源的分类有关，如有的软件将同一电源分别放在多个 目录下，有的软件将5 种瞬态分析源放在一个图标中；p s p ic e 的正式版的仿真元 件数为1 6 万。 表3 i 电路仿真软件比较表 安 电仿虚 模图 装拟数混线 样 容 源 真拟 处 例 软件名称、版本 量 种 分字口 文兀设 析仿仿理 件类件备 种 真真能 e 数数数数 一 类力 b 2s p i c ea di 5 v 4 6 66 7 无 17 有有良 6 4 万 0 6 c ir cu i t m a k e i - 12 2 921o 有有 优8 4 万 1 4 l c a p 4 v 8 7 10 2 36 3 无 l 1 有有优 2 4 万 0 3 l v e x s d ic e134 无 8 有 无良16 万 i 5 m ic r 0 c a dv 71 13 4 无 8 有有优 15 0 万 1 6 m u l t is i m2 0 0 1 18 32 81 118 有有优 3 1 万 0 6 p r 0le l9 9 s e2 5 92 4 无 1 0 无有优 3 9 万 p s d ic e 4 l4 02 8 0 无 1o 有有良 10 v 9 1s t u d e n t 0 5 s i m e x t r ix1314 无 6 有有优 9 2 瓦 t in a 6 08 31 82 万52 0有 有 优2 0 7 由以上图表比较可知，在常用的电路仿真软件中，m u l t i s i m 2 0 0 1 的性能比较突 出，无论从仿真元件库中元件的数量上，还是虚拟设备的种类以及虚拟分析的种 类上都比别的软件要好，尤其是电路故障的隐蔽设置，更为教学提供了极大的方 便。顺便指出，m u l t i s i m 2 0 0 1 是有名的仿真软件e w b 的升级版本，其性能又比e w b 提升许多倍。 东南大学硕士研究生学位论文 3 3 教学中选取相关软件的原则及研究现状 目前，市场上推出和比较流行的电路仿真软件可谓种类繁多。在职业学校电 路课程的教学中究竟选用那种仿真软件，并在教学中能被学生认可与接受，且能 有效地提高学生的理论水平与实际操作能力，真正体现与突出多媒体教学的优势， 最大限度地利用教育资源，是目前职业教育界的一个重要问题。本文认为，在电 路课程的教学中选取仿真软件应遵循以下原则： 1 必须具有接近于实际操作的仿真过程 当仿真软件进行仿真模拟实验时，应实现实验过程非常接近实际操作的效果。 仿真软件应提供选择范围很广的元器件，且参数修改方便，不应向实际操作那样 多次的把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。软件应使电路调试变得快捷方便； 软件应能对电路课程中的绝大部分电路都能应用，不仅能用于对单个电路特性和 原理进行验证，也能用于多级的组合电路。 2 必须具有各种丰富的调试测量工具 仿真软件不但提供各种丰富的分立元件和集成电路等元器件，还应提供调试 测量工具，如各种电压表、电流表、示波器、指示器、分析仪等。应是一个开放 性的仿真实验和课件制作平台，为我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技 术实验室。可以在任意组合的实验环境中搭建实验，可用常规的调试方法如测量 各点电压、电流、波形等来调试和测量电路。对于较大规模的电路，可分级接线 和调试。 3 必须具有通用性和兼容性 仿真软件应可以读入p s p i c e 格式的电路网表文件，进行模拟分析，同时其输 出文件还可以很方便的转换成别的常用仿真软件的电路网表文件，供其它电路软 件使用。 4 必须具备开放及远程教育功能 采用的仿真软件应使学生可在网上进行电路的仿真实验，甚至可以进行大型 的专题作业和课程设计，应用这样的仿真实验课件进行网上电路理论学习、仿真 实验、网上习题和网上答疑。 由于职业学校的培养目标是造就具有验证型、维修型及具有初级设计能力的 技术人员，在教学仿真软件的遴选中应摒弃那些适应于深层次电路分析或学生使 用困难的软件。目前，职业教育界在电路课程的教学中很少采用仿真系统来辅助 教学。即使个别学校采用仿真系统，也没有从学生的具体情况出发，根据教师的 爱好随便找一种软件应用于教学中，取得不了应有的教学效果。笔者经过大量的 比较与分析，同时结合职业学校学生的具体特点，决定采用e w b 和p r o t e l 这两款 软件作为实施教学仿真的主要软件。 东南大学硕士研究生学位论文 第四章教学仿真的实施 4 1 仿真软件在电路课程教学中的应用 4 1 _ 1 教学中运用仿真技术所必备的软硬件条件 硬件条件：多媒体教窜一庠，内设能满足一个标准班使用的多媒体计算机，且 学生机与教师机由网络互联，学生可通过网络向教师进行询问，教师也可以埘 学生机进行监控，随时进行辅导。计算机的基本配置要求：p i i 处开器、3 2 m 内存( 推荐6 4 m ) 、至少1 0 0 m 的硬盘空问、8 0 0 x 6 0 0 的蠼低屏幕分辨率、 w lr l 【i o w s 9 8 2 0 k t 的操作系统。 软件条件：安装e w b 50 ( e 1 e o t r o o i c sw o r k b e n c h 5 0 ) 软件。该软件的特 性及操作界面如下 电子工作平台e 1e c t r e n ic gw 0 1 k b e n c h ( e w b ) ( 现称为u l t i s jm ) 软件是加拿 大i n t e r a c t i v ei m a g et e c h n e l o g je s 公司于八十年代末、几十年代初推出的电子 电路仿真的虚拟电子上作台软件，它具自这样一些特点： a 采用直观的图形界而创建电路：在计算机屏幕r 模仿真实实验室的工作台， 绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选 取； b 软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，i j 咀实时显示测量结 果。 c e i g b 软件带有丰富的屯路元件库提供多种电路分析方法。 d 作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。 e e w b 还是个优秀的电了技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比 实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常 用电子仪器测量方法。 4 1 2e w b 在电路原理课程仿真教学中的应用1 6 1 长期以来，电路原理课程教学是以理论课教学、课程实验和课程设计等教 学环竹构成。在教学实践的过程中，结合理论教学的进程，利用计算机的电子设 计自动化软件e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ( e w b ) 在计算机上进行基础验证模拟实验， 作为教学的补允。使学生增强对电路的感性认识，掌握各种仪器的基本使用、电 路参数的测试方法。教学中采用工作在w i n d o w s 操作系统、r 台上的e w b 5 0 软 件。实验可由教师结合教学内容通过多媒体教学平台演示完成也可由学生在课外 参照有关习题完成。通过人机对话的方式，能使每个人都能亲自动手接触电路，进 行元件接线，参数设定。操作过程中边连线，边测试，边修改，边分析，并与理论 计算结果进行对照。通过e w b 软件的“c o m p o n e n tp r o p e r l i e s ”( 组成部件属性) 可 随时调整和修改元器件参数，分析各元件参数对电路的作用与影响：调试和测量过 程就是最好的学习过程。在这样的实验巾，把实验与理论有机的结合起来。加深了 学生对理论的认识。 9 东南大学硕士研究生学位论文 根据对电路原理实验内容的深入分析，并结合中等职业学校电类专业的 教学计划，本文特精选了教学实验中具有典型效果且十分重要的电路予以仿真分 析，进而说明仿真技术在电类课程教学中的作用。 具体的实验方法如实验流程图1 示，结合具体的教学内容，在理论教学过程 中穿插进行。根据所学电路的 舒斩豫嘲 璃艇电蹲 电饕淼艘雕 罔e 赡横瓤琏臻l u 黪 确定正伴磐数 i ”e 雌蟪 _ c l 仪 器测鬟- 梭数嚣 人 蜜毁端 j f 确省7 数据分擀霹骢掇佟 蛹嫩 臻醣溅秣煳1 原理图，用e w b 模拟连接电路，确定电路中的各元器件参数，使用e w b 虚拟仪器 进行在线测量。对照电路设计要求更改相关元件参数，观察所得的变化。最后与 理沦计算进行对照比较。以下是几个实际的例子： 一、单级放大器放大特性的研究：”j 图2 所示为单级阻容耦合共射放大电路电原理 东南大学硕士研究生学位论文 图2 单级放大电路原理图 图中，各元件参考值为：三极管选取3 d g 4 4 a ，= 3 0 ，r 。= 5 kq ，r 。= 4 7 0 kq ，r o = r l2 5k q ，c 1 2 c f 5 0uf ， u - = 1 0 m v i k h z ，v c c = + 1 2 v ，u b 。= 0 7 5 v ，rh d 。调节r b 可调整 放大器的静态工作点。由图可算得静态工作点： l b = ( e 。一u b 。y r b f 1 ) l c q = 0i b + i bi b 一( 2 ) u c e o = e c c q r c - f 3 ) 其中i 。，。为集电极静态工作电流，u 。为集电集静态工作电压。在中频段不需 要考虑耦合电容和分布电容、晶体管结电容的影响。利用微变等效电路法可得三 极管输入端的微变等效电阻： r b e = r b b 斗( 】+ d ) 2 6 i “( 4 ) 中频段电压放大倍数： a u = u o u p - br i7 ( r s + r h 。) ( 5 ) 其中等效负载电阻： r l = r c r ( r c + rj ) ( 6 ) 由a 。表达式可知当r 。、i 。变化时，a 。随之变化。 i 、测量不同 矗时的i i 。、和u 。的值并与理论值进行比较，并填充完成 表格内容。根据实验电原理图，用e w b 软件进行模拟连线，在基极和集电极串接 + 内阻( 1n q ) 可不计的模拟电流表，在集电极和发射极并联一内阻为1g q 的模拟 电压袭。实际测试的e w b 计算机模拟界面如图3 所示： 图3 单级放犬电路的测试 依次改变r b 的值将测试结果和理论计算值填入表中。 表4 1 实验数据表 r 。值( k q ) 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 参数名称 i 。理论a 5 6 ，34 5 03 7 ； 3 2 12 8 12 5 02 2 5 i 。测量ua 5 5 9 54 4 8 53 7 4 13 l9 72 7 9 8 2 48 7 2 2 4 3 i 。理论融 16 8 91 3 5 01 1 2 50 9 6 3 0 8 4 30 7 5 0毡6 7 5 忆。测量“ l - 6 8 013 4 5l1 2 3 0 9 5 808 4 0 207 4 6 l06 7 1 5 东南大学硕士研究生学位论文 _ 【】。理论v3 5 8 55 2 5 06 3 7 5 7 1 8 5 77 8 5 8 2 5 08 6 2 5 | 【1 。测量v3 5 9 7 c52 7 1 96 3 8 9 5 7 2 0 4 87 7 9 082 6 6 78 6 3 9 9 可以看出，测试结果与理论计算具有很好的一致性。 2 、以r b = 2 7 0 kq ，输入信号频率为i 千赫，幅度为1 0 毫伏。测量放大器的 电压放大倍数并与理论值进行比较。并讨论放大电路参数变化对倍数的影响。 根据实验电原理图，用e w b 软件进行模拟连线后的测量电路及结果如图4 所 刀i ： 图4 放大电路测量电路图 通过交流毫伏表m v 测得输出电压u 。，与输入电压比较可以算得电压放大倍数 a 。= 12 8 5 1 0 = 12 8 5 倍。而电压放大倍数的理论值由( 1 ) 一( 6 ) 式计算可得：r 。= 2 7 0k q ， i 。= 0 0 4 2 m a ，i 。= l _ 2 5 m a ，r b o = 8 2 4q ，a 。= 1 2 8 8 倍，理论计算与模拟实验具有 很好的一致。 通过模拟双踪示波器可观察放大器的输入与输出波形，其中红色线条为输入 波形，黑色线条为输出波形，二者有一相位差n 。图4 电路还可用来考察放大电 路参数的变化对放大倍数的影响，现分别讨论之。 ( 1 ) 集电极电流变化的影响。在其它参数不变条件下，通过改变r 。分别获得不 同的i 。，测出放大倍数与集电极电流之间的关系如下表示。从表中可反映二点： 当集电极电流大于某值，即三极管处于饱和时，电路的电压放大倍数小于1 ，当管 子处于正常放大状态时，随着i 。的减小，电路的电压放大倍数随之减小。 r b ( k 0 )1 0 01 3 01 5 06 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 i 。测量值 2 3 7 72 3 6 92 2 3 8 0 5 6 0 0 3 3 90 2 2 5o 1 6 3 ( 1 t 【a ) a 。( 倍) o 1 4 60 6 8 31 3 4 71 1 3 69 9 68 6 37 6 2 ( 2 ) 负载电阻对放大倍数的影响。取i 。= 1 2 5 m a ，分别测出r e = r 。= 3k q 和 r 。= r ，- 5 kq 的放大倍数分别为7 7 1 倍和1 2 8 5 倍。即随着负载电阻的减小，放大 倍数随之减小。 3 、放大器的最佳工作点与晶体管最大允许输入电压的研究 ( 1 ) 在图4 实验电路中取r 。= 5 kq ，调节r 。使得当输入电压逐渐加大时，输出 东南大学硕士研究生学位论文 波形正负向同时出现削波，即表示这时放大器的静态工作点已选择在动态特性曲 线的中点。记录此时的i 。值和u 。值分别为1 5 6 ( m a ) 和4 2 0 ( v ) 。测出当输出电 压最大而不失真时放大器输入电压u 。的值为2 3 0 m v ( 晶体管的输入电压u 。为3 9 讯v ) ， 此时放大器的动态范围最大。 ( 2 ) 在上述电路中再改变r e 的值，当增大r 。时出现正向削波，说明晶体管出现 了截止失真。当减小r t 时出现反向削波，说明晶体管出现了饱和失真。 二、谐振荡器与波形变换 图5 多谐振荡器电路图 下面作一些简要介绍。图5 是多谐振荡器用e w b 进行模拟实验的接线图及测 量波形图。三极管t 1 、t 2 选用3 d g 4 4 a 其余元件参数如图示。示波器x 轴设置为 o1 0 m s d i v 。 l 、 测量振荡周期与波形：蓝色线条所示为多谐振荡器输出波形。红色线条 为多谐振荡器输出端通过个微分电路后得到的一正一负二