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關(guān)鍵詞:仿真;差動(dòng)放大電路;共模抑制比;差模輸出
中圖分類(lèi)號(hào):TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2012)16-3884-03
模擬電子技術(shù)是電子信息類(lèi)專業(yè)的一門(mén)主干課程,該課程中的核心元件為二極管和三極管。這些器件不同于電阻和電容之處在于它們的非線性,以及分析的過(guò)程中往往交直流共存。加上學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間有限,缺乏直觀的認(rèn)識(shí),給學(xué)生的認(rèn)識(shí)帶來(lái)困難。該文以模擬電子技術(shù)課程中基本的差動(dòng)放大器電路為例,介紹了Proteus在電路仿真中的應(yīng)用,分析了電路參數(shù)的改變對(duì)電路的影響。在課堂教學(xué)中引入Proteus,使教學(xué)更加生動(dòng),貼近實(shí)際。對(duì)提高學(xué)生興趣,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力有非常好的促進(jìn)作用。
圖5 2.3輸出波形的觀察
在差模輸入時(shí),如果輸入信號(hào)的正極性端接T1管的基極,由于共射電路的倒相性,單端輸出從T1管的集電極對(duì)地的輸出電壓是和輸入差模信號(hào)倒相的,相反,對(duì)于同樣的輸入信號(hào),從T2管的集電極輸出電壓是和輸入電壓同相的,如圖5所示,分別是單端輸出時(shí)的兩個(gè)輸出電壓及差模輸入電壓。
雙端輸出時(shí),如果選擇T1管的集電極為輸出電壓的正極性端,則輸出電壓與輸入電壓同相,否則反相。
該文以模擬電子技術(shù)中的差動(dòng)放大電路為例介紹了Proteus軟件在電路模擬和仿真中的應(yīng)用,在課堂教學(xué)中使課堂更加生動(dòng),靈活,達(dá)到了幫助學(xué)生理解原理,提高分析問(wèn)題的能力。相信這種生動(dòng)的教學(xué)模式在電路分析,數(shù)字電路和單片機(jī)等課程的教學(xué)過(guò)程中會(huì)發(fā)揮更大的作用。
[1]華成英,童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社, 2006.
[2]羅映祥.Multisim電路仿真軟件在差分電路分析中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2008,1(1):169-173.
【關(guān)鍵詞】saber仿真;移相全橋DC/DC變換器
一、引言
SABER作為混合仿真系統(tǒng),可以兼容模擬,數(shù)字,控制量的混合仿真,便于在不同層面上分析和解決問(wèn)題,其他仿真軟件不具備這樣的功能。Saber軟件主要用于電路的仿真模擬,包括SaberSketch、SaberDesigner兩部分。SaberSketch用于繪制電路圖,而Saber-Designer用于對(duì)電路仿真模擬,模擬結(jié)果可在SaberScope和DesignProbe中查看[5][6]。由于移相全橋DC/DC變換器具有鮮明的特點(diǎn),最近在大功率多電飛機(jī)電源系統(tǒng)中備受關(guān)注。所謂的多電飛機(jī)是指提高使用電力同時(shí)將液壓和氣動(dòng)的使用降到最低。這種改變使多電飛機(jī)比傳統(tǒng)的飛機(jī)有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于多電飛機(jī)對(duì)電力的要求增加,它就需要一個(gè)更適合的配電和轉(zhuǎn)換系統(tǒng),因此電力電子在其中的分量不斷增加[1][2]。移相全橋DC/DC變換器可以為飛機(jī)提供電源,這種類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器拓?fù)湓试S所有的開(kāi)關(guān)設(shè)備在零電壓開(kāi)關(guān)下進(jìn)行操作,并且大大減小了開(kāi)關(guān)損耗。此外它能高頻率的操作開(kāi)關(guān)來(lái)提高功率密度,從而降低了轉(zhuǎn)換器的尺寸[3][4]。
二、移相全橋移DC/DC變換器
相全橋DC/DC變換器是一種典型的零電壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器,其基于全橋隔離變壓器模塊的轉(zhuǎn)換器。基本為:全橋開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、高頻變壓器、整流和LC濾波器?;ジ蠰S也顯示在圖表中。這個(gè)電感通常包括變壓器漏感和附加分離原件的電感,并且和變壓器是串聯(lián)的。C1-C4是瞬間關(guān)斷電容,可以和LS一起實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。Ci是輸入濾波電容。
一個(gè)循環(huán)的理想輸出電壓可以通過(guò)平均濾波輸出電壓Vdd簡(jiǎn)化計(jì)算得到。忽略互感Ls上的電壓波動(dòng),可以得到輸出電壓為:
(2.1)
其中:
(2.2)
輸出電壓化簡(jiǎn)為:
(2.3)
輸出電壓可寫(xiě)成:
(2.4)
(2.5)
對(duì)于所需的輸出電壓,占空比可通過(guò)以下計(jì)算:
(2.6)
三、理想開(kāi)關(guān)電路模型仿真
理想化的開(kāi)關(guān)模型參數(shù)設(shè)置如下:
輸入直流電壓:Vin=270v;
換流電感:Ls=580μH;
開(kāi)關(guān)頻率:fs=20kHZ;
輸出濾波電感:Lf=94μH;
輸出濾波電容:Cf=558μF;
輸入濾波電容:Ci=0.4μF。
二極管的電壓下降被設(shè)置為零,因此,它們是理想的。該變壓器是一種理想的DC/DC變壓器沒(méi)有任何損失,它的匝數(shù)比Ns/Np為0.2。開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻Ron被設(shè)為0.001Ω因?yàn)榇穗娮璞辉O(shè)為0時(shí)saber軟件將無(wú)法仿真,由于它的值很小我們可以忽略它的開(kāi)關(guān)損耗。要取得28V的輸出電壓和所需的輸出功率,其等效電阻設(shè)置如表3.1所示。由方程可以計(jì)算出每一種情況下的占空比。
給定開(kāi)關(guān)電路占空比,變換器波形如圖3.1所示。
圖3.1(a)為全橋開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓VAB、一級(jí)側(cè)電流Ip和整流輸出電壓Vdd的波形。很明顯看可以看出當(dāng)一次側(cè)電流逆轉(zhuǎn)時(shí)二次側(cè)占空比損失。這可能是由于換流時(shí)變換器振蕩造成的。從3.2(b)可以看出當(dāng)負(fù)載由100%變到10%時(shí)也發(fā)生了同樣的現(xiàn)象,于是比較這兩種負(fù)載下的波形圖由方程2.2可以推測(cè)二次側(cè)占空比損失隨著負(fù)載電流減小而減小。
四、總結(jié)
本文是對(duì)飛機(jī)直流電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器的模型中開(kāi)關(guān)電路的仿真,根據(jù)各種有關(guān)多電飛機(jī)的文獻(xiàn)選擇了選擇移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)的DC/DC變換器。DC/DC變換器的一個(gè)重要特點(diǎn)就是二次側(cè)占空比丟失,這是由于換向電感引起輸出電壓下降。
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】PROTEUS;單片機(jī);計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);仿真
由于微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,單片機(jī)作為電路設(shè)計(jì)的核心器件,其系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)2個(gè)方面,調(diào)試過(guò)程一般分為軟件調(diào)試、硬件測(cè)試、系統(tǒng)調(diào)試3個(gè)過(guò)程。如果采用作為單片機(jī)系統(tǒng)仿真軟件Proteus,則不用制作具體的電路板也能夠完成以上工作。毫無(wú)疑問(wèn),在使用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)虛擬開(kāi)發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作,必然可以提高開(kāi)發(fā)效率、降低開(kāi)發(fā)成本、提高開(kāi)發(fā)速度,而這些因素對(duì)于企業(yè)來(lái)講是非常重要的。
一、Proteus簡(jiǎn)介
Proteus軟件是英國(guó)Labeenter electronics公司的EDA工具軟件,是一個(gè)電子設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和創(chuàng)新平臺(tái),涵蓋了電工電子實(shí)驗(yàn)室、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、單片機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室等的全部功能。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上,可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路。
二、使用Proteus軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單電路的仿真
Proteus軟件仿真簡(jiǎn)單的橋式整流二極管穩(wěn)壓電路,軟件提供的虛擬測(cè)量?jī)x器,能夠簡(jiǎn)單方便的仿真測(cè)量電路各處的波形和電壓。
如圖是橋式整流二極管穩(wěn)壓電路的仿真圖。變壓器TRl初級(jí)放置兩個(gè)正弦波信號(hào)源,信號(hào)幅值設(shè)置為110V,相位分別設(shè)置為0度和180度,用來(lái)模擬220V正弦波交流電。變壓器TRl的初次級(jí)變比為10:1,次級(jí)兩端在虛擬示波器的顯示窗口可以看到幅值為20V左右的正弦波交流波形。
經(jīng)過(guò)D1-D4組成的橋式整流電路以后,正弦波交流電的負(fù)半周被整流橋翻轉(zhuǎn),變成脈動(dòng)直流,但是此時(shí)的直流分量非常低,直流電壓表指示接近0V。
加入濾波電容后,脈動(dòng)的直流電在電容兩端建立了直流電壓,大部分的交流分量被濾波電容濾除。
加入12V穩(wěn)壓二極管后,限流電阻后部的負(fù)載兩端電壓被穩(wěn)定在12V左右,電壓更加的穩(wěn)定平直。
使用Proteus進(jìn)行簡(jiǎn)單電路的仿真,能夠直觀方便的看到電路的運(yùn)行狀態(tài),各點(diǎn)的電壓波形,有助于增強(qiáng)對(duì)各類(lèi)基本電路的理解,為設(shè)計(jì)復(fù)雜電路打好基礎(chǔ)。
三、使用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)的仿真
Proteus軟件對(duì)常用的主流單片機(jī)仿真都有很好的支持,把電路調(diào)試和單片機(jī)仿真結(jié)合在一起,單片機(jī)的軟件可以直接加載到Proteus電路圖中的單片機(jī)中運(yùn)行和仿真。
仿真電路中放置兩片AT89C51單片機(jī),一片用來(lái)運(yùn)行爬行器主控程序,另一片用來(lái)模擬地面接收和指令發(fā)送。測(cè)量?jī)x表使用了四路虛擬示波器和虛擬串口窗口。
在四路虛擬示波器中,我們能夠監(jiān)視關(guān)鍵點(diǎn)的波形。虛擬串行窗口中,能夠顯示線路上傳輸?shù)拇行蛄写a,以16進(jìn)制方式分字顯示。
在電路圖中的單片機(jī)器件u1上雙擊,打開(kāi)編輯元件窗口,選擇需要加載的單片機(jī)程序文(MCU程序.hex),該文件是編譯好的十六進(jìn)制HEX文件;設(shè)定單片機(jī)的時(shí)鐘頻率(12Mhz);確定即可
單片機(jī)的各個(gè)端口,用藍(lán)色、紅色和灰色三種色塊表示當(dāng)前的端口電平,藍(lán)色代表低電平,紅色代表高電平,灰色代表電平不定,一般為高阻或者高頻變化。電路仿真中,根據(jù)程序的執(zhí)行情況,端口電平會(huì)不斷閃動(dòng)。
示波器窗口中顯示了關(guān)鍵點(diǎn)的波形,圖中分別顯示了收發(fā)邏輯、上傳編碼、模擬速度脈沖、溫度電平四個(gè)波形。能夠通過(guò)示波器的刻度,讀出300毫秒的發(fā)送、200毫秒接收的收發(fā)邏輯周期;選擇示波器上的時(shí)間旋鈕,還能夠清晰的展開(kāi)上傳數(shù)據(jù)的每一位,非常直觀方便。串行端口不斷閃動(dòng)的16進(jìn)制編碼,表示數(shù)據(jù)總線上接收到的串行序列數(shù)值,能夠直觀的判斷單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性。
關(guān)鍵詞:適時(shí)教學(xué);電路分析;主動(dòng)學(xué)習(xí);團(tuán)隊(duì)討論
中圖分類(lèi)號(hào):G642 ; ; ; ; ;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ; ; ; ; ;文章編號(hào):1007-0079(2014)17-0062-02
“電路分析”課程作為工科電氣相關(guān)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程,其內(nèi)容是介紹非時(shí)變集總電路的基本理論和方法。該課程知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容多、原理抽象、知識(shí)體系復(fù)雜,在有限的課時(shí)之內(nèi),傳統(tǒng)的“以教為主,以學(xué)為輔”的教學(xué)方式弊端日益顯現(xiàn)。許多學(xué)生或是不能正確理解一些理論概念,或是即使掌握了理論,但在涉及到具體電路設(shè)計(jì)時(shí)也存在諸多困難。因而,如何提升該課程教學(xué)質(zhì)量,使學(xué)生掌握電路分析的基本概念和基本原理,培養(yǎng)良好的電路分析和電路設(shè)計(jì)能力,是一個(gè)值得探索研究的問(wèn)題。本文從“適時(shí)教學(xué)”模式出發(fā),結(jié)合筆者自身教學(xué)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了探索。
一、適時(shí)教學(xué)模式
1.模式簡(jiǎn)介
Just-in-Time Teaching(國(guó)內(nèi)將它翻譯為“適時(shí)教學(xué)”或“及時(shí)教學(xué)”),是20世紀(jì)末在美國(guó)高校本科教學(xué)中出現(xiàn)的一種新型教學(xué)模式,是美國(guó)航空學(xué)院和普渡大學(xué)的物理學(xué)教授在解決教學(xué)問(wèn)題的過(guò)程中,經(jīng)過(guò)八年的實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的一種具有實(shí)效性的教學(xué)模式。[1]1999年,來(lái)自這兩所大學(xué)的四位教授在有關(guān)適時(shí)教學(xué)的第一本專著《適時(shí)教學(xué):主動(dòng)學(xué)習(xí)與Web技術(shù)的結(jié)合》(Just-in-Time Teaching: Blending Active Learning with Web Technology)中對(duì)這一概念進(jìn)行了具體闡釋:“適時(shí)教學(xué)”是建立在“基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)任務(wù)”和“以學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)為主的課堂教學(xué)”二者交互作用的基礎(chǔ)上的一種新型教與學(xué)策略。
適時(shí)教學(xué)模式的主要實(shí)施步驟大致包括:課前,教師在網(wǎng)上預(yù)習(xí)內(nèi)容,提出問(wèn)題(Warm-up Questions)供學(xué)生思考;學(xué)生在課前認(rèn)真預(yù)習(xí)之后向教師反饋問(wèn)題或提出建議;教師根據(jù)學(xué)生的反饋調(diào)整授課進(jìn)程、授課內(nèi)容和授課方法。基于這樣的一個(gè)反饋環(huán)節(jié),教師利用課堂開(kāi)展各式各樣的討論和辯論,以實(shí)現(xiàn)以學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)為主的主動(dòng)課堂。所以,該模式的核心是反饋環(huán)節(jié)。課后,教師組織學(xué)生自主開(kāi)展基于網(wǎng)絡(luò)的疑難問(wèn)題團(tuán)隊(duì)討論,以鞏固課堂教學(xué)。
2.適時(shí)教學(xué)模式是對(duì)電路分析課程教學(xué)理念的革新
目前,南京郵電大學(xué)對(duì)電路分析基礎(chǔ)課程實(shí)施層次化專業(yè)化教學(xué),[2]即對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生,對(duì)不同知識(shí)基礎(chǔ)與學(xué)習(xí)能力的學(xué)生提出不同的教學(xué)要求,施展不同的教學(xué)方法,力求做到因材施教,讓學(xué)生從學(xué)習(xí)中尋找各自的興趣點(diǎn)去切入點(diǎn),得到不同的預(yù)期收獲。但同時(shí),層次化教學(xué)也導(dǎo)致某些專業(yè),如電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的電路分析課程只有48學(xué)時(shí),在授課學(xué)時(shí)大幅度縮減的同時(shí),電路分析的基礎(chǔ)重要知識(shí)點(diǎn)不能減少,同時(shí)還要鼓勵(lì)學(xué)生盡可能多地參與實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)。與此同時(shí),隨著學(xué)科的交叉和滲透,邊緣學(xué)科的發(fā)展非?;钴S,計(jì)算機(jī)技術(shù)與電工理論的互相滲透與結(jié)合,產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)這樣的交叉學(xué)科,促進(jìn)了電路理論的新發(fā)展,與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件結(jié)合教學(xué),成為當(dāng)代電路分析教學(xué)中不可忽略的發(fā)展趨勢(shì)。綜上所述,授課內(nèi)容多,知識(shí)點(diǎn)與課下實(shí)踐環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密,學(xué)時(shí)少而需課下練習(xí)多的矛盾日益突出,這無(wú)疑給教師的授課和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。
適時(shí)教學(xué)模式借助于網(wǎng)絡(luò)技術(shù),增加了課前預(yù)習(xí)和課后提高的環(huán)節(jié),彌補(bǔ)了課堂教學(xué)的不足,努力打造學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的課堂。將學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)由課堂延伸到課外,有效地緩解了課時(shí)少、內(nèi)容多的矛盾。同時(shí),在學(xué)生課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上,教師可適當(dāng)增刪教學(xué)內(nèi)容,對(duì)學(xué)生通過(guò)預(yù)習(xí)掌握較好的內(nèi)容簡(jiǎn)略帶過(guò),而對(duì)學(xué)生存在問(wèn)題的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講授,并有根據(jù)地進(jìn)行拓展強(qiáng)化,進(jìn)一步地提升了教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量。所以說(shuō),適時(shí)教學(xué)模式是對(duì)電路分析課程教學(xué)的一個(gè)重要探索。
二、實(shí)施適時(shí)教學(xué)模式的資源配置與考核安排
從上述適時(shí)教學(xué)模式的定義看出,該模式突出了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。在推廣該模式之前,學(xué)校應(yīng)做好網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)的建設(shè),課程平臺(tái)大致應(yīng)該包含以下模塊:
課前預(yù)習(xí):該模塊供教師預(yù)習(xí)內(nèi)容和預(yù)習(xí)要求,學(xué)生查看后根據(jù)要求完成預(yù)習(xí);預(yù)習(xí)反饋:學(xué)生在該模塊向自己的任課教師提交自己的問(wèn)題或建議;作業(yè)平臺(tái):學(xué)生通過(guò)該平臺(tái)提交自己的預(yù)習(xí)作業(yè)或課后作業(yè),授課教師可通過(guò)該平臺(tái)查看學(xué)生的預(yù)習(xí)效果或了解學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的掌握程度;拓展提高:教師一些難度較大的問(wèn)題供學(xué)生開(kāi)展“難題探究”(Wrap-up Puzzles),學(xué)生通過(guò)課堂所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源,通過(guò)發(fā)帖與同學(xué)開(kāi)展討論,教師查看后進(jìn)行相應(yīng)回復(fù)或者總結(jié);相關(guān)鏈接:該模塊包含教師上課所用課件或者教師希望學(xué)生瀏覽的相關(guān)網(wǎng)頁(yè)鏈接,以供學(xué)生自學(xué)或復(fù)習(xí)。
此外,通過(guò)推行適時(shí)教學(xué)方法,有效改變了傳統(tǒng)“輕平時(shí),重期末”的考核方式。在早期的電路分析課程建設(shè)中,南京郵電大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱“我?!保半娐贩治觥闭n程通常采用“平時(shí)成績(jī)占25%,期末成績(jī)占75%”的考核方式,不少學(xué)生不注重平時(shí)學(xué)習(xí)或者平時(shí)學(xué)習(xí)往往有疑難問(wèn)題積攢,依靠考前突擊學(xué)習(xí)又不能真正融會(huì)貫通,即使依靠背公式和大量做題來(lái)獲得不錯(cuò)的卷面成績(jī),也不能夠真正理解并熟練應(yīng)用電路分析知識(shí)在動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)中。這樣的學(xué)習(xí)方法可以應(yīng)付考試,但忽略了電路分析能力的培養(yǎng),這種弊端在后來(lái)電工電子實(shí)驗(yàn)等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程中暴露無(wú)遺。而且,平時(shí)成績(jī)的考核主要以作業(yè)和考勤為主,按時(shí)完成作業(yè)不缺勤基本可以獲得不錯(cuò)的平時(shí)成績(jī),對(duì)那些好學(xué)的學(xué)生也無(wú)法起到鼓勵(lì)作用。在適時(shí)教學(xué)模式中,教師可以調(diào)整考核比例,包括預(yù)習(xí)完成情況、預(yù)習(xí)反饋的積極度、課堂討論或辯論的參與度以及“難題探究”環(huán)節(jié)的表現(xiàn)等多個(gè)方面都應(yīng)被納入考核范圍,綜合給予學(xué)生評(píng)價(jià),對(duì)那些勤學(xué)好問(wèn)、自學(xué)能力強(qiáng)的同學(xué)應(yīng)給予鼓勵(lì)與支持。
三、結(jié)合仿真軟件激活預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)
MATLAB軟件是科學(xué)研究中常用工具,具有高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能,可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、實(shí)現(xiàn)算法、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)高的程序等。[3]在“電路分析”課程中,隨著電路規(guī)模的加大,微分階數(shù)以及聯(lián)立方程的個(gè)數(shù)增多,給解題運(yùn)算帶來(lái)一定困難。而MATLAB提供了高效簡(jiǎn)潔的編程方法,其強(qiáng)大而簡(jiǎn)易的繪圖功能、矩陣和數(shù)組運(yùn)算能力以及很強(qiáng)的擴(kuò)充性,能充分滿足基本電路分析、計(jì)算的需要,在電路分析研究與工程實(shí)踐中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。
1.在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中引入MATLAB,引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)
預(yù)習(xí)是適時(shí)教學(xué)模式非常著重的環(huán)節(jié),是整個(gè)教學(xué)模式的基礎(chǔ)。對(duì)學(xué)生而言,課程的進(jìn)行依賴他們預(yù)先的準(zhǔn)備;對(duì)教師而言,教學(xué)內(nèi)容是以學(xué)生為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行組織調(diào)整的。因此,學(xué)生的預(yù)習(xí)質(zhì)量直接影響課堂教學(xué)和課后提高的效果。教師在設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)要求和內(nèi)容時(shí),要注意結(jié)合課程安排和學(xué)生的完成能力,著重考查學(xué)生對(duì)概念的理解。以明確的目的入手,可以為構(gòu)建專業(yè)性預(yù)習(xí)問(wèn)題提供框架或支架。
在講授“節(jié)點(diǎn)電壓法”這一節(jié)內(nèi)容前一周,要求學(xué)生閱讀教材中節(jié)點(diǎn)電壓法的內(nèi)容,包括節(jié)點(diǎn)的概念、節(jié)點(diǎn)的選擇、節(jié)點(diǎn)方程的建立等,然后完成預(yù)習(xí)作業(yè),如下所示:節(jié)點(diǎn)電壓法的原理比較復(fù)雜,如果出現(xiàn)多個(gè)線性方程聯(lián)立求解,計(jì)算復(fù)雜。MATLAB軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算功能,可以解決這一問(wèn)題。以下給出用MATLAB求解節(jié)點(diǎn)電壓或電流的相關(guān)程序,要求學(xué)生在閱讀后請(qǐng)思考如何用于求解所列其他題目。其程序思路如下:利用input指令獲得電路節(jié)點(diǎn)與支路數(shù);利用fopen與fscanf指令讀取數(shù)據(jù)文件,其中將節(jié)點(diǎn)鄰居電阻、電流源、電壓源均存為數(shù)據(jù)中獨(dú)立一列;計(jì)算節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)矩陣,自、互電導(dǎo)分別為對(duì)角線與非對(duì)角線元素;計(jì)算節(jié)點(diǎn)相連電壓源和電流源造成的電流的代數(shù)和向量;矩陣計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)電壓值。
學(xué)生通過(guò)對(duì)上述程序的學(xué)習(xí)理解,能夠很快理解從數(shù)據(jù)角度看待處理電路中的阻值與電源數(shù)值,從鏈接矩陣的層面加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞睦斫?,從矩陣?jì)算角度分析節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)電流的驅(qū)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上,學(xué)生對(duì)MATLAB軟件的電路分析計(jì)算功能有了初步的了解,并對(duì)其在復(fù)雜電路分析上的應(yīng)用有了一定的認(rèn)識(shí),尤其對(duì)課本“電阻電路一般性分析方法”一章的一般化系統(tǒng)化性解題方法有了深刻認(rèn)識(shí)。通過(guò)在課程建設(shè)網(wǎng)站上附上與MATLAB相關(guān)的鏈接,鼓勵(lì)學(xué)生在課余時(shí)間自學(xué)軟件使用。
2.在授課與實(shí)踐環(huán)節(jié)中應(yīng)用Multisim,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)器件認(rèn)識(shí)
由美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(National Instruments, 簡(jiǎn)稱NI)開(kāi)發(fā)的Multisim系列軟件,具有直觀的原理圖捕獲環(huán)境,可提高學(xué)生對(duì)電路圖的觀察與理解,是一款適合教師、學(xué)生和工程師使用的SPICE仿真環(huán)境。[4]新版本的Multisim可以實(shí)現(xiàn)眾多功能,此處僅結(jié)合電路分析教學(xué)列出幾點(diǎn)應(yīng)用:可便捷實(shí)現(xiàn)電路參數(shù)和參數(shù)掃描分析;結(jié)合 FPGA 對(duì)象模塊可進(jìn)行后續(xù)課程數(shù)字電路方面的教與學(xué);擁有2千多個(gè)各種元件的元器件庫(kù),不管是大學(xué)教學(xué)還是動(dòng)手實(shí)踐都能勝任,其廣度和深度對(duì)學(xué)生將來(lái)進(jìn)行工作或科研都具有一定的可持續(xù)使用性。Multisim提供了廣泛豐富的功能來(lái)幫助大學(xué)一年級(jí)的學(xué)生輕松理解電路分析的基礎(chǔ)知識(shí),而且掌握這些功能也能極大地幫助高年級(jí)大學(xué)本科生實(shí)現(xiàn)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃、電子競(jìng)賽、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)等項(xiàng)目的完成。
Multisim系列軟件提供了圖形化互動(dòng)環(huán)境和各種即用型子板模板,任課教師在較短時(shí)間內(nèi)就可設(shè)計(jì)制作帶動(dòng)態(tài)演示效果的教學(xué)課件,將課本靜態(tài)電路圖與動(dòng)態(tài)輸出波形有效地銜接起來(lái),加深學(xué)生對(duì)電路理論的理解。在筆者的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),Multisim尤其在直流激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)電路分析章節(jié)學(xué)習(xí)中,能夠提供形象生動(dòng)的教學(xué)解決方案,幫助學(xué)生輕松從基本的電路分析運(yùn)算理解過(guò)渡到復(fù)雜深?yuàn)W的理論理解。通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)元件電容、電感連接示波器,可以清楚地演示電路充放電過(guò)程的變化規(guī)律,驗(yàn)證課本上電壓電流的演變曲線,對(duì)時(shí)間常數(shù)等參數(shù)指標(biāo)獲得實(shí)際體會(huì)。
在學(xué)生自主學(xué)習(xí)過(guò)程中,通過(guò)在Multisim軟件中搭建電路,學(xué)生不僅可以對(duì)疑難問(wèn)題的求解進(jìn)行驗(yàn)證,還為將來(lái)的電工電子實(shí)驗(yàn)課程打下了扎實(shí)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。從筆者的實(shí)踐中,可以發(fā)現(xiàn)將仿真軟件作為學(xué)生課下學(xué)習(xí)電路分析的輔助手段,能夠大大激發(fā)學(xué)生組成學(xué)習(xí)討論小組的興趣。
四、結(jié)論
在筆者對(duì)適時(shí)教學(xué)教學(xué)方法的推廣中發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)電路分析教學(xué)中使用較多的仿真軟件Multisim,對(duì)電路元件間的連接關(guān)系、整體電路圖連線都有直觀明了的優(yōu)點(diǎn),便于檢查電路連接對(duì)錯(cuò),并且電路各電壓電流數(shù)值一目了然。但與之相比,偏重于數(shù)值計(jì)算的MATLAB軟件,其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計(jì)算功能更容易讓學(xué)生理解電路元件之間的數(shù)值關(guān)系,從另一個(gè)層面去理解電路原理,頗有奇效。筆者在適時(shí)教學(xué)模式的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),電子專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生選擇Multisim比例較高,興趣也較強(qiáng)烈,而數(shù)理學(xué)院、計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)生選擇MATLAB軟件較多些。在任課教師角度,將其與適時(shí)教學(xué)策略融合,從另一方面也達(dá)到了層次化教學(xué),依興趣針對(duì)性教學(xué)的目的。前面所述也啟發(fā)筆者在將適時(shí)教學(xué)方法貫徹到實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí),將已有的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和手段新的創(chuàng)造性作用發(fā)揮出來(lái),而不必局限于網(wǎng)絡(luò)化這個(gè)適時(shí)教學(xué)的基本手段上。
參考文獻(xiàn):
[1]婁珀瑜.利用體驗(yàn)式學(xué)習(xí)軟件構(gòu)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)適時(shí)教學(xué)空間[J].化學(xué)教育,2011,(11).
[2]張宇飛,史學(xué)軍.電路課程教學(xué)內(nèi)容的改革與思考[J].中國(guó)電力教育,2013,(6).
關(guān)鍵詞:仿真軟件Multisim 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用
中圖分類(lèi)號(hào):TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2016)12-0220-02
在電子專業(yè)數(shù)字電路課程中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié),通過(guò)理論知識(shí)教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的方法,在提升教學(xué)效果的同時(shí)也提升了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力,而在傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,完全依靠的是純硬件實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這種方法存在許多弊端,而現(xiàn)今在結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的基礎(chǔ)上,讓數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)變得更加靈活方便,不僅培養(yǎng)了學(xué)生的綜合動(dòng)手能力,而且還激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力,本文主要分析探討的是在底值緶分校計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim的具體應(yīng)用。
1 仿真軟件Multisim的概況
計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim是根據(jù)美國(guó)國(guó)家儀器公司電子線路仿真軟件EWB升級(jí)而來(lái),其主要目的就是對(duì)電路進(jìn)行原理設(shè)計(jì),對(duì)電路功能進(jìn)行測(cè)試等,在計(jì)算機(jī)中,Multisim軟件不僅界面清晰,簡(jiǎn)單直觀,而且操作起來(lái)也較為簡(jiǎn)便,易學(xué)易用。仿真軟件Multisim將原理圖的創(chuàng)建,電路的測(cè)試分析以及結(jié)果顯示通過(guò)集成的方式統(tǒng)一顯示到一個(gè)電路窗口當(dāng)中,對(duì)數(shù)字電路和模數(shù)混合電路等進(jìn)行仿直模擬,而且在可視化界面上,其仿真出來(lái)的電路環(huán)境與真實(shí)情況一般無(wú)二,整個(gè)操作界面操作起來(lái)完全就像是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái),非常具有可實(shí)操性,在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,深受廣大教師以及學(xué)生的喜愛(ài)[1]。
2 在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中仿真軟件Multisim的具體應(yīng)用
數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)首先要了解的是電路的工作原理,對(duì)實(shí)驗(yàn)電路中的模塊電路以及每個(gè)模塊的具體功能都要有一個(gè)具體清晰的認(rèn)識(shí),同時(shí)還要明確每個(gè)模塊之間的信號(hào)傳輸關(guān)系等,在對(duì)這些基礎(chǔ)設(shè)施了解清楚之后,再結(jié)合相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)以及實(shí)驗(yàn)所需的電路元器件,通過(guò)仿真軟件Multisim對(duì)各個(gè)電路模塊的初步設(shè)計(jì),最后在仿真模擬的過(guò)程中邊選擇邊測(cè)試,邊修改邊對(duì)比,不斷地分析判讀,直到實(shí)驗(yàn)出真正的數(shù)字電路,因此在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中,仿真軟件Multisim的具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:
2.1 繪制電路原理圖
本次數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)以在時(shí)鐘控制下實(shí)現(xiàn)八位并行數(shù)據(jù)輸入到串行數(shù)據(jù)輸出的轉(zhuǎn)換電路為例,這個(gè)數(shù)字電路主要有三個(gè)功能模塊,即LM555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖模塊,4位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS163構(gòu)成的計(jì)數(shù)器模塊和數(shù)據(jù)選擇器74LS151構(gòu)成的并轉(zhuǎn)器電路模塊[2],待這三個(gè)功能模塊分步設(shè)計(jì)完成后,這個(gè)轉(zhuǎn)換電路的原理圖就設(shè)計(jì)完成了,然后再結(jié)合仿真軟件Multisim中豐富的元器件資源快速的完成所需元器件的找尋工作,其次再將這些元器件進(jìn)行連接,對(duì)一些必要的元器件參數(shù)屬性等進(jìn)行相應(yīng)的修改,同時(shí)對(duì)元器件標(biāo)注出相對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽,最后這個(gè)轉(zhuǎn)換電路的原理圖繪制工作也就完成了,如圖1所示,為繪制的此次實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換電路的原理圖。
2.2 電路的仿真分析
在上述的轉(zhuǎn)換電路實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)仿真軟件Multisim可以提供出虛擬的儀器對(duì)電路進(jìn)行仿真分析,在仿真分析中,主要用到的分析儀器包括示波器,邏輯分析儀,字信號(hào)發(fā)生器以及邏輯轉(zhuǎn)換器等,其仿真分析主要分為兩部分進(jìn)行:首先仿真分析的是第一個(gè)模塊,針對(duì)第一個(gè)功能模塊LM555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖模塊,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,為了讓學(xué)生加深對(duì)其的理解與學(xué)習(xí),可以用仿真軟件Multisim提供的示波器來(lái)觀察555定時(shí)器充放電的電容波形和輸出時(shí)的脈沖方波信號(hào)波形等,最后發(fā)現(xiàn)其充電時(shí)間要大于放電時(shí)間,其仿真波形與理論分析計(jì)算得出的結(jié)果保持一致;其次仿真分析的是第二個(gè)功能模塊和第三個(gè)功能模塊,針對(duì)這兩個(gè)模塊可用仿真軟件Multisim提供的邏輯分析儀進(jìn)行分析,主要觀測(cè)分析的是第二個(gè)模塊計(jì)數(shù)器的時(shí)序波形和第三個(gè)模塊數(shù)據(jù)選擇器輸出的波形,如圖2所示,為計(jì)數(shù)器時(shí)序波形的仿真圖,通過(guò)圖2可以看出,在脈沖作用下,計(jì)數(shù)器的低三位循環(huán)計(jì)數(shù)產(chǎn)生000到111這八種狀態(tài),而假設(shè)計(jì)數(shù)初始的狀態(tài)為000時(shí),那么數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端D0將被選通,而151的輸出將變成1,再來(lái)一次CP脈沖上升沿后,計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)就變成了001,而這時(shí)數(shù)據(jù)輸入端D1將被選通,151的輸出就又變成了0,同理待第七個(gè)脈沖來(lái)之后,計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)就變成了111,這時(shí)的就是D7被選通,同樣的151的輸出也變成了0,151的8位并行輸出數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖的控制作用下,來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿就送出一位數(shù),相應(yīng)的8位并行輸入的數(shù)據(jù)也就一個(gè)一個(gè)地被串行輸入送出來(lái),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)能夠并行輸入到串行輸出的轉(zhuǎn)換[3]。
2.3 邏輯轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用
邏輯轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在組合邏輯電路中,對(duì)于組合邏輯電路而言,其特點(diǎn)就是沒(méi)有存儲(chǔ)記憶功能,而其設(shè)計(jì)就需要根據(jù)邏輯命題,再列出邏輯真值表,寫(xiě)出邏輯表達(dá)式,然后選擇所用器件,即可完成組合邏輯電路的設(shè)計(jì)工作,但是在輸入變量增多時(shí),組合邏輯電路的設(shè)計(jì)工作就變得繁復(fù)多雜,經(jīng)常出現(xiàn)各種錯(cuò)誤,在這時(shí)利用仿真軟件Multisim提供的邏輯轉(zhuǎn)換器就可以對(duì)組合邏輯電路的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化,提高電路的設(shè)計(jì)效率[4]。
仿真軟件Multisim提供的邏輯轉(zhuǎn)換器支持8輸入變量與單輸出的組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì),根據(jù)邏輯轉(zhuǎn)換器可以將組合邏輯電路中的真值表進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將真值表與邏輯表達(dá)式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將直值表與簡(jiǎn)單表達(dá)式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將邏輯表達(dá)式與邏輯電路之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換以及將邏輯表達(dá)式與非門(mén)邏輯電路之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換等。
2.4 譯碼器的仿真應(yīng)用
在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程中,譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有著極為廣泛的用途,其在代碼之間的轉(zhuǎn)換,終端的數(shù)字顯示,同數(shù)據(jù)分配,存儲(chǔ)器的尋址以及組合控制信號(hào)等都能起到非常重要的作用,在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中,以仿真軟件Multisim提供的74LS138譯碼器為例,為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)地過(guò)程中更好的掌握譯碼器的外特征,如圖3所示,通過(guò)利用開(kāi)關(guān)K1,K2和K3來(lái)模擬二進(jìn)制數(shù),來(lái)對(duì)74LS138譯碼器的譯碼功能的仿真電路進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出,在輸出端接上小燈泡后,可以對(duì)二進(jìn)制數(shù)經(jīng)過(guò)譯碼器后的輸出結(jié)果進(jìn)行直接觀測(cè),從而使學(xué)生在這一過(guò)程中可以更好的理解與掌握譯碼器的邏輯功能[5]。
3 在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中利用仿真軟件Multisim的優(yōu)勢(shì)
在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)的純硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法一般都是事先查找大量的相關(guān)資料,對(duì)電路原理進(jìn)行硬性理解,然后再根據(jù)電路指標(biāo)要求對(duì)元器件的具體參數(shù)進(jìn)行估算,最后在紙上畫(huà)出大概的硬件電路圖,在實(shí)驗(yàn)時(shí)一般也是通過(guò)面包板或?qū)嶒?yàn)箱來(lái)搭建完成,然后在觀察分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),也是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室有限的儀器儀表等來(lái)進(jìn)行,這樣的實(shí)驗(yàn)方式很難檢查出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的某項(xiàng)具體問(wèn)題,比如所選用芯片是否合適,哪一根線路出現(xiàn)問(wèn)題等,而一旦真的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題這整個(gè)電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也要推倒重來(lái),耗時(shí)耗力不說(shuō)而且還沒(méi)有起到應(yīng)有的教學(xué)效果,而利用計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim,學(xué)生只需要在對(duì)數(shù)字電路的基本原理了解清楚的情況下,利用仿真軟件Multisim直接選出實(shí)驗(yàn)所需的元器件,然后直接進(jìn)行電路搭建,在計(jì)算機(jī)操作界面直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作,而不用擔(dān)心芯片的選擇是否錯(cuò)誤,實(shí)驗(yàn)消耗材料是否浪費(fèi),實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)是否不足以及元器件等是否出現(xiàn)老化等種種問(wèn)題,而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以通過(guò)界面直觀的顯示在學(xué)生面前,同時(shí)通過(guò)不斷反復(fù)的實(shí)驗(yàn),學(xué)生在理解力得到增強(qiáng)的同時(shí),實(shí)踐動(dòng)手操作能力也得到了提升,而且這種虛擬的實(shí)驗(yàn)空間也使得學(xué)生的自由創(chuàng)造能力得到了充分的發(fā)揮,最重要的是節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間,提升了數(shù)字電路的教學(xué)效果[6]。
4 結(jié)語(yǔ)
綜上所述,本文通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim進(jìn)行概況分析,探在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中仿真軟件Multisim的具體應(yīng)用,其具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在四個(gè)方面,以在時(shí)鐘控制下實(shí)現(xiàn)八位并行數(shù)據(jù)輸入到串行數(shù)據(jù)輸出的轉(zhuǎn)換電路為例探討了仿真軟件Multisim的兩種應(yīng)用,即電路原理圖的繪制以及電路的仿真分析,其次還探討了仿真軟件Multisim的邏輯轉(zhuǎn)換器與譯碼器的具體應(yīng)用,最后還分析了在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中仿真軟件Multisim的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),希望本文的分析探討對(duì)我國(guó)電子專業(yè)中數(shù)字電路教學(xué)以及計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim的實(shí)際應(yīng)用能起到相應(yīng)的幫助作用。
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