“模擬電路”課程中理論分析與EDA仿真關系的探討

袁豐+黃麗亞

摘 要 本文基于“模擬電路”課程的特點，指出了學生在學習中常常會遇到的，EDA仿真和理論分析存在矛盾的問題。論文從一個實例出發(fā)，研究了理論分析和仿真之間的關系。通過對該實例的解答，說明了該問題產(chǎn)生的原因和本質。進一步地，闡述了對模擬電路學習中理論分析和計算機仿真之間關系問題的理解，并探討了在課堂教學中相應的處理、講授及教學方法。

關鍵詞 模擬電路 教學方法 EDA仿真

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.09.017

Study on the Relation between Simulation and Theoretical

Analysis in Analog Electric Circuits

YUAN Feng， HUANG Liya

（College of Electronic Science & Engineering， Nanjing University of

Posts and Telecommunications， Nanjing 210003）

Abstract Based on the characteristics of Analog Electronic Circuits course， this paper points out a problem of inconsistent relationship between EDA simulation and theoretical analysis， which always occurs in the students learning. The cause and nature of the problem is described during the process of analyzing a practical problem， and the understanding of this relationship is explained in the same time. Moreover， corresponding teaching methods are discussed in this paper.

Key words analog electric circuits; teaching method; EDA simulation

0 引言

“模擬電路”課程是普通高校物理學、電子和計算機等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課。學好該課程，對深入學習各專業(yè)相關的后續(xù)課程及電子技術的新知識有著十分關鍵的作用。由于該課程的內(nèi)容多、理論多，又兼有較強的抽象性、邏輯性、工程性和實踐性，學生普遍感到很難學。如果僅僅是按照教學大綱，按部就班地教授這門課，那效果一定很不好。怎么樣才能把新知識、新方法有效地傳授給學生？怎么樣才能讓科學思維、探索精神在學生的大腦中扎根？這是值得每個教授這門課程的教師深入思考、研究嘗試和總結提高的一個課題。

對于任何一門課程的課堂教學，以學生為主體，靈活運用多種教學法都不失是一種有效的方法。面向不同專業(yè)背景、不同掌握程度的學生時，教師的授課必須因材施教。

類似地，在不同的課程教學中，靈活運用不同的教學方法——“因課施教”也同樣重要。在這方面，“模擬電路”課程尤其有其特殊性。正如上文所述，該課程既有抽象性、邏輯性，又有工程性和實踐性，在教學中，除了要學習涉及物理學、數(shù)學等學科知識的基礎理論知識外，往往還需要借助EDA來進行仿真。①

1理論分析與EDA仿真存在的矛盾

學生在理論研究和EDA仿真之間往往會存在以下現(xiàn)象，如：發(fā)現(xiàn)理論研究的結論和EDA仿真的結果不一致，產(chǎn)生困惑，甚至覺得模擬電路“不可知”，最后產(chǎn)生畏懼心理?；蛘吒纱嘁訣DA仿真代替理論研究，學生不加以思索和分析，化身為“操作工”。

現(xiàn)象的背后，其原因在于從數(shù)學、物理推算的理論角度去學習“模擬電路”這門課的時候，通常會在一定的條件下忽略一些次要問題，以免陷入過于復雜化的困境。而用EDA軟件仿真時，則更接近實際情況，造成了理論分析的結論和仿真軟件仿真的結果往往不完全一樣。②面對這種情況，教師應當讓學生明白：

（1）仿真可用于理論探討的驗證，是理論學習的有力助手，兩者的結論一定是相符的。（2）仿真不能代替理論的分析，仿真的前提是有理論的指引。

2實例分析

本文將通過一個教學中的實例來說明EDA仿真和理論分析之間關系的問題。

2.1 實例問題的提出

在學習“集成運放的應用”這部分知識時，會講到運放工作在線性狀態(tài)時，構成信號運算電路。為了簡化問題，通常將運放視作增益和輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小的理想運放。對反相比例運算電路，如圖1所示，作如下分析：③

根據(jù)理想運放“虛斷”的特性，流過電阻的電流近似等于流過電阻的電流，即：

又根據(jù)理想運放在線性運用下存在“虛短”的特性，同相輸入端電壓近似等于反相輸入端電壓，即：

然而，實際上（仿真，或者實驗時），遇到的運放往往都不是理想的。也就是說，實際的運放，其放大倍數(shù)、輸入/輸出阻抗都是有限值。因此，如果上述反相比例放大電路中的 = 10k€%R， = 100k€%R。運放為實際運放，參數(shù)為：Au = 80dB， = 50k€%R， = 100€%R， = 10k€%R。則按（5）式結論，反相比例放大電路的輸出電壓是為輸入電壓的-10倍關系。而用仿真軟件（本文采用較簡便的EWB軟件，用其他電路仿真軟件皆可）仿真時，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)輸出電壓只有輸入電壓的-9.9869倍。學生就會有疑問，為什么兩者的結果不一樣呢？是不是哪個結果是錯的呢？

圖2 EDA仿真結果

2.2 實例問題的分析

事實上，正如前述，這是理論分析和仿真軟件分析的“精度”不同所致，而兩者實際上是一致的。如圖3所示，虛線框內(nèi)為實際運放的等效電路。

代入具體數(shù)值，得 = 0.0013143，則 = 9.9869。正好就是前述的仿真結果！

因此，由上述分析可見，理論分析和仿真一定是互相支持的。而理論分析和仿真實驗獲得一致結論的關鍵就在于要有相匹配的前提條件。

3思考和結論

由以上討論可見，理論分析與仿真是一致的。理論是仿真的前提，為仿真指明道路。授課教師可以引導學生，根據(jù)“異?，F(xiàn)象”、結合理論分析來查找原因，修正仿真的設置。在查找原因的過程中，學生會深入理解理論和仿真的關系。反之，仿真則是理論學習的有力助手。在課堂的理論分析教學環(huán)節(jié)中，適當穿插軟件仿真的內(nèi)容，作為實驗環(huán)節(jié)的先驗知識、或是補充強化，和課堂的理論分析同時展示給學生，兩相對比，讓學生能更好地理解知識點。

當前，多媒體教學已經(jīng)是高校教學的通用教學手段。然而，對于電類課程，尤其象“模擬電路”課程，在平時的教學中，如果能將軟件仿真和理論分析兩者有機結合起來，將大大增強教學的效果，提高學生分析問題、研究問題的能力。

注釋

①③王志功，沈永朝.電路與電子線路基礎：電子線路部分（第1版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

② 黃麗亞.模擬電子技術基礎（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.