《电子技术》教学中应用的EDA技术

EDA技术在《电子技术》教学中的应用

武汉东湖学院机电工程学院　陈尹萍

针对《电子技术》课程教学中存在的教学效果差、学生学习困难的现象，本文提出了将电子设计自动化（EDA）技术应用于《电子技术》教学。文中列举了将EDA技术用于放大电路频率响应的讲解的教学实例。教学实践表明，在《电子技术》教学中，合理应用EDA技术可以突破教学重点和难点，提高教学效率和质量。

《电子技术》课程是电气、自动化、电子信息等电类专业的一门重要的专业基础课。这门课程的学习效果对学生后续课程的学习有重要的基础性作用，并对学生毕业后在专业领域的发展有较大的影响。然而，《电子技术》课程由于教学内容多，概念抽象，往往使教师感觉教学难度大，学生感觉学习困难、学习效果差。因此，改进《电子技术》课程的教学方法，降低学习难度，提高教学效果，是每个担任该课程教学任务的教师应该积极思考和探讨的课题。

目前，《电子技术》课程教学方法的改革手段很多。例如，采用PPT辅助教学方法，利用PPT课件操作简单、演示功能强大的特点，直观地展现较为抽象的教学内容，使教师易于讲授，学生易于理解；采用项目教学法，围绕项目中的问题进行指导，让学生独立思考，动手实践，在实践中掌握知识；采用EDA技术，即时地以图形、数字或曲线的形式来显示理论课程中难以用语言、文字表达或难以理解的现象及复杂的变化过程，以加深学生对电子电路本质的理解，突破理论教学中的重点和难点，提高课堂教学效果。采用以上教学方法，在实际教学中都能够提高教学效果。本文重点阐述EDA技术在《电子技术》教学中的应用，并举例说明。

一、EDA技术及其应用

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写。EDA技术就是以计算机为工具，设计者利用EDA软件完成电子系统设计，然后由计算机自动地完成电子电路仿真、性能分析、PCB设计和IC设计等工作。EDA软件按其主要功能或主要应用场合，可分为电子电路设计与仿真软件、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其他EDA软件。

《电子技术》教学中最常使用的EDA软件是电子电路设计与仿真软件。针对要讲解的电子电路，教师可以使用电子电路设计与仿真软件在计算机中搭建出该电路；对电路进行仿真，用虚拟示波器观察电路的输入、输出信号波形；改变电路中的元件参数，观察参数变化对电路性能的影响。此外，还可以进行敏感度分析、失真分析、温度扫描分析等在许多高等院校现有的实验室中难以实现的电路分析。通过对电子电路进行仿真，可以增强学生对抽象概念的认知和理解，还可鼓励学生自己利用电子电路设计与仿真软件进行电路设计，从而培养学生学习的兴趣和能力，达到提高教学效果的目的。

常用的电子电路设计与仿真工具有SPICE和multiSIM等。SPICE是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件，1998年被定为美国国家标准。SPICE是功能强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，最新版本PSPICE9.1可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出，并可以在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。SPICE还可以自行建立元器件及元器件库。

multiSIM是20世纪末推出的一种电路仿真软件，最新版本为multiSIM10。multiSIM具有对模数电路的混合仿真功能，几乎能够100%地仿真出真实电路的结果。相对于其他EDA软件，multiSIM 具有更加形象直观的人机交互界面。该软件提供常见的各种建模精确的元器件，如电阻、电容、电感、三极管、二极管、继电器、可控硅、数码管等；模拟集成电路方面有各种运算放大器、其他常用集成电路；数字电路方面有74系列集成电路、4000系列集成电路等；还支持自制元器件。其仪器仪表库中的各仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全一样，包括万用表、信号发生器、电压表、电流表、瓦特表、示波器、波特仪（相当实际中的扫频仪）、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪、网络分析仪、I-V分析仪（相当于真实环境中的晶体管特性图示仪）等。

SPICE和multiSIM都是功能强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，在《电子技术》教学中可利用这两种电子电路设计与仿真软件帮助学生消化课堂的理论知识，加深对理论知识的理解和掌握。

二、应用举例

本文以共发射极放大电路的频率响应为例，介绍EDA技术在《电子技术》课堂教学中的应用。

频率响应是放大电路的频域分析方法，在工程上应用较普遍，理论上通常用等效电路法求放大电路的频率响应，过程复杂繁琐，不易理解和掌握。频率响应和带宽是放大电路的重要性能指标之一，概念比较抽象，大部分学生理解起来有困难。在讲解放大电路的频率响应这节内容时，利用EDA技术，可以降低讲解难度，提高教学效果。(www.xing528.com)

本文所用的电子电路设计与仿真软件为Orcad Pspice 9.2。首先，利用Pspice软件选取元器件，搭建出共发射极放大电路，并设置好元件参数。进行静态工作点分析，得到放大电路的静态工作点，如图1所示。该放大电路I_BQ=33.15μA， I_CQ=1.4mA，V_CEQ=V_CQ－V_EQ=7.38V－1.863V= 5.517V。

图1　放大电路的静态工作点

然后进行交流分析，仿真得到放大电路的幅频响应和相频响应如图2所示。其中，图2（a）为放大电路的幅频响应，图2（b）为放大电路的相频响应。由图可知，放大电路对不同频率的正弦信号具有不同的放大能力，其电压增益的大小和相移均会随频率而变化。根据如图所示的频率响应曲线，可将信号频率分成三个区域：低频区、中频区和高频区。对中频区的信号，放大电路电压增益的大小和相移基本为常数；对低频区的信号，放大电路电压增益随信号频率的降低而减小，相移减小；对高频区的信号，放大电路电压增益随信号频率的增大而减小，相移增大。通过仿真结果，可以帮助学生理解放大电路频率响应的概念，掌握用电路仿真软件求频率响应的方法，并加深对下限频率、上限频率、带宽等性能指标的理解。

图2　放大电路的频率响应

最后，还可以进行参数分析。设置射极旁路电容C_e为1μF、5μF、10μF、20μF、50μF、80μF和100μF，得到放大电路的幅频响应如图3所示。图3中有七条幅频响应曲线，从左到右，C_e的取值依次增大。由图可知，C_e影响放大电路的下限频率，而对上限频率无影响。C_e越大，下限频率越低，带宽越大。另外，C_e取值大于50μF后，再继续增大，对下限频率的影响不大，故设计电路时可取C_e为50μF。通过参数分析，可让学生了解参数变化对放大电路性能的影响，并让学生掌握在设计电路时，如何利用参数分析方法选择合适的元件参数，从而使电路具有较好的性能，满足设计要求。

图3　射极旁路电容对下限频率的影响

三、总结

综上所述，在《电子技术》教学中运用EDA技术，有利于突破教学重点和难点，提高课堂效率和教学效果，值得在教学实践中普遍推广。另外，除本文介绍的应用实例外，EDA技术在《电子技术》教学还有很多应用方法可以进一步深入探索。例如，利用EDA技术创建电子技术课程虚拟实验环境，进行电子技术实验教学；利用EDA技术模拟仿真常用电子电路性能，提高学生的学习兴趣和创新能力等。总之，教师在《电子技术》教学中应积极运用EDA技术，可以提高教学质量，并培养出专业基础扎实又具创新能力的人才。

【参考文献】

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