首页 -> 2007年第6期
在电子技术教学中引入虚拟实验的尝试
作者：董学义
[关键词] 虚拟实验 电子技术 EWB
一、引言
电子技术是高等职业学校应用电子、机电、自动控制、计算机等专业的专业基础课。然而，调查显示，该专业基础课的实际教学效果总体上很差，老师感觉难教，学生感觉难学，造成这种局面的原因之一，是课程本身理论性强、枯燥乏味。加强实验教学是解决这一问题的一种途径，然而从提高教学效率和减少教学成本的角度考虑，引入虚拟实验是一种更好的做法。
高职院校的培养目标是培养应用型技术人才，这就要求在教学中突出电子技术的应用性和实践性，通过强化训练来提高学生的实际应用能力。近年来，随着计算机的普及与EDA技术的发展，基于PC平台开发的SPICE相关电路模拟软件层出不穷，例如Electronics Workbench---EWB、Pspice、IsSpice、MicroCap等软件。这些软件的出现为在教学中引入虚拟实验来强化训练提供了技术上的保障。
Electronics Workbench具有功能强大、界面友好和使用方便等优点，是目前教育与工业界流行的电路辅助设计软件。不少高职院校在开设电子技术课的同时开设了Electronics Workbench电路设计，如果能把这两门课有机的整合，它们将会相互促进，相得益彰。本文以Electronics Workbench与电子技术的整合为例，介绍在电子技术教学中引入虚拟实验的做法。
二、EWB分析功能的引入
EWB可提供14种不同的分析，除了基本的直流分析、交流分析、暂态分析外，还有多种进阶分析，如傅立叶分析、失真分析、转移函数分析、梦特卡罗分析等。可见，高职电子技术主要教学内容都可以借助EWB进行教学。下面仅就基本分析功能进行论述。
1．静态工作点的分析。
静态工作点分析的目的是确定静态工作点。此处把这种分析引入教学，目的是突破“为什么要设置静态工作点及怎样设置合适的静态工作点”这一教学难点。明确了目的，具体的分析就有了针对性。
首先启动EWB，进入EWB主窗口，建立待分析放大电路的电路图，设置元件参数。在进行直流分析时，将AC电源设为零。在稳态条件下，使电容断路、电感短路，然后计算静态工作点。最后，选择Analysis|DC Operating Point菜单，启动模拟分析。
设置不同于前的元件参数，重新计算、分析、模拟，可使学生认识到设置合适静态工作点的意义。
2．交流频率分析。
在交流频率分析中，所有的非线性元件都用它的线性小信号模型处理。所以，EWB首先计算静态工作点以得到各非线性元件的线性化小信号模型。其次，根据电路建立一个复变函数矩阵。要建立矩阵，所有直流电源均需设为零，交流电源、电容、电感则由它们的交流模型来取代，这些模型是由静态工作点得到的。交流分析主要分析输入与输出关系相对于频率变化的影响。在上述步骤完成后，交流分析接着计算电路随频率变化的交流响应。
交流分析的执行：①选择Analysis | AC Frequency菜单命令，弹出AC Frequency Analysis对话框，设定Analysis 各项目内容。②单击对话框中的Simulate按钮开始分析（按ESC可以退出分析）。
交流频率分析的结果，可用两种图形显示：增益对频率变化图及相角对频率变化图。这些图形将在分析完成后显示。
3．暂态分析。
EWB计算电路对时间的影响，是将每一输入周期分割为无数的时间间隔，而在周期中的每个时间点执行一直流分析。因此，每一个节点的电压由一个完整周期中的各个时间点的电压来决定。直流电源具有常数值，交流电源具有与时间相关值，电容及电感由能量储存模型来描述，而数值积分方法则被用来计算在每一时间间隔中能量的转换量。
如在后面将提到的对话框中选择Calculate DC Operate point则EWB先计算电路的静态工作点。直流分析的结果被用作暂态分析的初始条件。假如Set to zero被选定，则暂态分析以零当作初始条件。假如User defined initial condition被选定，则分析将由元件特性对话框中的设定来启动模拟。
分析的执行：①先确定要分析的节点。选择Analysis | Transient 菜单命令，弹出TransientAnalysis对话框。②输入或改变对话框中的项目。③单击 Simulate按钮（按ESC可以停止分析）。
暂态分析的模拟结果以电压对时间的变化曲线图形显示。另外，假如将虚拟示波器连接在电路上，只要启动电源，将执行类似的分析。
三、EWB虚拟仪器的引入
EWB提供了6种与实际仪器相近的虚拟常用仪器，分别是数字万用表、函数信号发生器、示波器、频率特性仪、字信号发生器和逻辑分析仪。除此之外，还提供了一个现实中不存在的虚拟逻辑转换器。利用这些仪器，可以对已经建立好的电路进行仿真测试、观察分析或验证。其一般步骤是：①连接所需仪表到已建立的电路中。②启动电路。③储存电路。下面以借助字信号发生器和逻辑分析仪对半加器电路的仿真分析为例，进行介绍。
半加器电路已建立（图略）。其后的步骤是：
1. 单击仪器库图标调入字信号发生器到工作区，置于输入侧。按顺序选字信号发生器的3个输出端与全加器输入端连接。调入逻辑分析仪到工作区并连接，把输入信号和输出信号依相应的顺序排列。
2. 设置字信号发生器：双击字信号发生器图标, 显示字信号发生器面板, 再进行以下的编辑。①编辑字信号, 从0 号地址开始, 分别输入0000H、0001H、0004H、0005H。均是16 进制数, 其最低位分别对应二进制数为0000、0001、0100、0101。它们对应输入信号A、B 为00、01、10、11。②编辑字信号输出地址范围为0000——0003, 在Initial 文件框中输入0000，在Final文本框中输入0003。③选择输出方式：单帧输出。按BURST 钮即可。④设定输出频率: 可默认系统设置为1KHZ。
3. 设置逻辑分析仪。可默认系统设置。只需在运行后，适当调整水平时间刻度数值。
4. 单击运行开关，启动电路运行。双击逻辑分析仪图标, 显示其面板，适当调整水平时间刻度数值，可看到波形。
据此波形可进行半加器逻辑功能的教学分析。
参考文献：
[1] 吕国泰,吴项.电子技术[M].北京:高等教育出版社,2001.160～161.
[2] 钟文耀,段玉生等.EWB电路设计入门[M].北京:清华大学出版社,2000.76～80.
[3] 杨志忠.数字电子技术[M].北京:高等教育出版社,2003.336～346.