计算机仿真技术在电子线路实验中的应用 |
| 2012-09-02 15:20 作者：韩建设 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网9月2日消息 《硅谷》杂志2012年第14期刊文称，在电子技术实验教学中引入计算机仿真技术，采用开放式的实验教学方法，能有效地提高电子技术实验教学质量。结合实践教学探讨Protel99SE电路仿真软件在电子技术实验教学中的应用。
随着计算机仿真技术的迅速发展和不断完善，电子线路的设计由原来的人工手段步入电子设计自动化的（EDA）的时代。采用虚拟仿真手段，使电子线路设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、性能分析和测试，直至印刷电路板的自动设计，已成为一种发展的必然趋势。如何将实物实验和理论教学有机结合，一直是个难题。在计算机辅助教学广泛推广的今天，这个问题得到了解决。本人结合多年的教学工作，在这些方面进行了一些探讨，现介绍如下：
1计算机辅助设计
目前，电子设计自动化（EDA）软件呈现多样化，功能越来越强大完善。流行的通用EDA软件主要有ORCAD、EWB、Protel等，其中ORCAD仿真技术出现早，功能强大，适合于对复杂电路进行全面的分析优化；EWB电子工作台短小精悍，直观易用；Protel综合性好，使用范围最大，普及率高，非常适合作为电路设计和电子线路教学的辅助教学仿真软件。而且，掌握好Protel软件的使用，使学生能为将来的学习和工作打下扎实的基础。实践证明，使用Protel99SE进行电子线路仿真，使得电子技术实验更加直观，极大的提高教学效果和学生的实验兴趣。
借助计算机辅助设计CAD（computeraideddesign），可将人的创造能力和计算机的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来．在开发工程、产品设计中，有许多复杂的数学分析和数值计算任务，需要提出多种设计方案，并进行综合分析比较与优化，还要给出工程图样及生产管理信息等，这些均可以交给计算机完成。设计人员则可对计算、处理的中间结果做出判断、修改，以便更有效地完成设计工作。计算机辅助设计能极大地提高设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造了有利条件。
2Protel99SE电路仿真工具
Protel99SE是目前非常流行的电子线路EDA软件，它不但在绘制原理图、PCB印刷板布线等方面功能完备，而且它为用户提供了功能强大、使用方便的电路仿真工具。它可以对当前所画的电路原理图进行即时仿真，在设计电路的整个过程中都可以仿真查看和分析其性能指标，能及时发现设计中存在的问题并加以改正，从而更好地完成电路设计任务。还能在电子线路教学仿真实验中，将抽象的理论公式和直观实验观察有机结合，极大的提高教学效果。在Protel99SE中，集成了一个功能强大、支持模数混合信号仿真的工具软件SIM99，它同SCH99紧密结合，使得电路设计者能够在电路原理图上直接进行仿真操作，观察电路工作情况，如检查电路中的错误，修改元件的参数值等，观察欲了解的电路节点信号，最终达到理解电路工作原理的目的，设计出性能优越，功能完善的电路原理图。
Protel99SE电路仿真软件具有丰富元器件库，包含有各种各样的分立元件和集成电路元件。这些器件库有常用的电阻、电容、二极管、三极管、MOS管、单结晶体管、晶振、开关和变压器等分立元器件，同时还有大量的数字器件和其它集成电路器件，如74系列、CMOS系列、运算放大器、比较器和数/模和模/数转换器（ADC，DAC）等。在Protel99SE中，使用者可以在图纸的任意位置上放人元器件。元器件的放置方向是任意可调的，其属性是可以编辑的，元器件的属性包括元器件的封装、标号、管脚号定义等只要确定起始点和终止点，Protel99SE就会自动地在原理图上连线，连线可以任意角度切换，使得设计者在设计时更加轻松自如。同时该软件具有丰富的信号源，包括基本信号源、直流源、正弦源、脉冲源、指数源、单频调频源、分段线性源，同时还提供了齐全的线性和非线性受控源。具有足够的仿真模型库，这些器件库有常用的电阻、电容、二极管、三极管、MOS管、单结晶体管、晶振、开关和变压器等分立元器件，同时还有大量的数字器件和其它集成电路器件，如74系列、CMOS系列、运算放大器、比较器和数/模和模/数转换器（ADC，DAC）等。这些元器件可满足用户的一般需求，同时它还提供了一个开放的库维护环境，用户不但可以方便地修改原有器件模型，而且还可以创建新器件模型，以满足设计与实验的需求。Protel99SE还提供了电气法则测试，在原理图全部设计完成后，为了确定原理图的正确无误，可以执行电气法则测试操作。该操作可以测试用户设计的电路是否存在错误，程序自动进入文本编辑器并生成相应的测试错误报表，系统会在原理图中发生错误的位置设置红色符号，提示错误的位置，方便用户进行修改。改正错误后，再进行电气法则测试，直到报告文件中不出现错误的标记，这样我们完成了初步的电路原理图的设计工作。
Protel99SE具有很强的电路仿真的功能。它提供了电路仿真波形图察看窗口，能够让用户很方便的对仿真结果进行观察、分析，通过分析结果来判断电路图是否设计合理。ProtelSE电路仿真工具具有友好的操作界面，用户无需手工编写电路网表文件，可通过对话框完成电路分析和参数设置，如选择电路分析类型和相关参数设置、仿真所收集的信号与指定显示的波形信号等。可方便地观察波形信号，既可以同时显示多个波形，也可以单独显示某个波形，既可以对波形进行多次局部放大，也可以把两个波形放置于同一个单元格进行显示，以分析比较两者的区别，而为了获得更加精确的信息，也可以方便地打开测量光标来测量波形数值。备有强大的波形信号后处理能力，可以通过各种数学函数（如求绝对值、求导、求对数、求和、求差等）对测出输出波形进行各种分析运算，并创建一新的波形信号。
仿真软件具有功能强大、应用广泛等优点，随着仿真技术的不断发展和完善，它必将影响包括教学等各个领域。
3Protel99SE软件在电子技术课程实验教学中应用
现以“负反馈放大电路设计和测试”实验为例，说明计算机辅助设计电路设计软件ProtelSE在电子技术实验中的应用。
首先根据电路原理初步设计出电路图，利用Protel99SE软件中的元件库，可以方便地选择各种型号的元器件组成电路。由于Protel99SE软件中各元件的位置和元件间的连线是可以在计算机屏幕上的任意位置摆放，且可以在计算机上做“仿真实验”，这样省去了传统实验中寻找元器件、挑选元器件，制作印刷底版和焊接安装元件等耗时的工作，节约了大量宝贵的时间。在Protel99SE中可以设计出各种各样的电子电路图，满足了所有电子技术实验的要求。利用Protel99SE提供的“电气法则测试”，可以对设计出的电路进行检查，对发现的错误进行改正，从而保证了实验的顺利进行。利用Protel99SE提供的“电路仿真”，我们可以方便地进行电路的测试。例如，给电路输入端加入信号，改变放大电路偏置电阻的阻值，可以观测电路的静态工作点的变化情况，从而确定放大电路的偏置电阻。根据电压增益的要求和反馈方式确定反馈电阻的大小和反馈系数的确定。通过改变反馈电阻的数值和反馈方式，可以测量出不同反馈电阻时的电压增益。在电路输入端加入不同频率的信号，可以测量出电路的幅频特性。同时根据通频带的要求确定电路的其他元器件的参数。根据测试的结果判断电路设计是否合理，以便进一步的进行调整元器件的参数。同时，根据计算机的报告文件来修改错误，然后再进行电路仿真，直到报告文件中不再出现错误的提示。在“仿真实验”中，采用了标准仪器，避免了传统仪器因性能和读数而引起的误差，大大提高了实验的准确性。在计算机上可以进行多次电路“仿真实验”和电路极限性的实验，不用冒损坏元器件或测试仪器的风险，而且可省去价格昂贵标准测试仪器。利用电路仿真，我们还可以方便地设计出各种复杂的电路，以满足不同的需要。
4结束语
Protel99SE电路仿真软件功能强大，使用灵活方便，是用于电子线路教学和实验的一个非常好的工具。仿真技术在电子电路实验教学中的应用迅速发展，它们的结合给实验教学带来越来越多的好处，极大地改变传统的实验教学模式。实践证明，使用Protel99SE进行电子线路仿真，既可以进行验证性的实验，也可以做综合性和研究性的实验，能最大限度地扩展实验内容，提高实验效果。当然，仿真实验不能完全替代传统的实验方法，只有将电路仿真技术和传统的实验方法有机结合起来，才能取得最佳的实验教学效果。（原文载于《硅谷》杂志2012年第14期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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