EDA技術(shù)在電工電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

劉陽(yáng)勇

摘 要：EDA技術(shù)旨在通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)中的EDA軟件系統(tǒng)，按照電路設(shè)計(jì)的規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)，靈活的實(shí)現(xiàn)并完成電氣電子電路的基礎(chǔ)分析、模型轉(zhuǎn)化和最終設(shè)計(jì)工作。當(dāng)前，在很多開設(shè)有電工電子技術(shù)課程的教學(xué)中，已經(jīng)把利用EDA技術(shù)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，作為了教學(xué)中重要的一環(huán)，這種教學(xué)應(yīng)用，可以克服傳統(tǒng)電工電子技術(shù)課程教學(xué)更新復(fù)雜、直觀教學(xué)效果差、結(jié)果展示不明晰等不足，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬、計(jì)算、分析，能夠較為有效的提升相關(guān)電工電子電路設(shè)計(jì)的時(shí)效，同時(shí)能夠高質(zhì)量的展現(xiàn)其電路運(yùn)行效果。因此在降低教學(xué)成本的基礎(chǔ)上，提升了教學(xué)效率，也讓學(xué)生可以更加直觀的學(xué)習(xí)到電子技術(shù)課程的教學(xué)重點(diǎn)，受到了廣大教師及學(xué)生的歡迎。

關(guān)鍵詞：EDA技術(shù);電工電子;教學(xué)應(yīng)用

引言：隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和電子電路小型化的發(fā)展趨勢(shì)日益體現(xiàn)，EDA輔助電子設(shè)計(jì)發(fā)揮出越來(lái)越大的作用，特別是通過(guò)計(jì)算機(jī)的輔助計(jì)算和模擬，可以完美解決早期電路設(shè)計(jì)無(wú)法避免的設(shè)計(jì)瓶頸問題。現(xiàn)階段，很多學(xué)校以EDA技術(shù)貫穿電工電子教學(xué)，以實(shí)際模擬量化數(shù)字模擬電路及高低頻電路的運(yùn)作流程，可以更為直觀地展現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)，從而用感性的認(rèn)識(shí)促進(jìn)學(xué)生對(duì)陌生的理論體系的學(xué)習(xí)，獲得了較好的授課成果。作為高校電工電子技術(shù)課堂改革的成功經(jīng)驗(yàn)，本文分析了相關(guān)教學(xué)的結(jié)合點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)際教學(xué)案例，展現(xiàn)了采用EDA技術(shù)推進(jìn)電工電子技術(shù)課程教授對(duì)重要現(xiàn)實(shí)效果。

一、EDA技術(shù)發(fā)展及特點(diǎn)，相關(guān)軟件平臺(tái)簡(jiǎn)介

EDA技術(shù)作為計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)算與電子信息技術(shù)高度融合的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)，借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，進(jìn)行電工電子電路原理圖的設(shè)計(jì)和PCB電路板的輔助描繪，同時(shí)也能裝載不同架構(gòu)處理器模型，實(shí)現(xiàn)擬態(tài)過(guò)程仿真，從而讓電工電子課程講述更為直觀易懂。其相關(guān)軟件平臺(tái)主要包括以下三種：

Alum Designer是基于Protel軟件的一體化開發(fā)環(huán)境，可以通過(guò)電路設(shè)計(jì)、模擬/數(shù)字電路模擬、PCB規(guī)范設(shè)計(jì)、邏輯聯(lián)通、完整分析、最終設(shè)計(jì)輸出，提供了高效的設(shè)計(jì)解決方案。其當(dāng)前的產(chǎn)品迭代，通過(guò)拓展電路設(shè)計(jì)架構(gòu)，進(jìn)一步混合了FPGA設(shè)計(jì)能力和SOPC設(shè)計(jì)樣例，從而使其對(duì)大規(guī)模數(shù)字電路設(shè)計(jì)支持更為完善，對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為便捷。

Proteus具備優(yōu)越的模擬功能，還對(duì)元器件甚至SOC都具有良好的仿真模擬能力，從電路設(shè)計(jì)、構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)到外圍電路混合仿真，均有良好的適應(yīng)性。其豐富的元器件庫(kù)資源，為電路修改設(shè)計(jì)提供了更為靈活、高效的解決方案，其構(gòu)建的功能、性能貼近現(xiàn)實(shí)的虛擬儀器、儀表，可以培養(yǎng)學(xué)生更好的實(shí)踐，并降低了教學(xué)成本。

Multisim作為眾所周知的仿真工具，主要用于模/數(shù)電子電路設(shè)計(jì)工作。采用圖形化關(guān)聯(lián)或描述性輸入方式，更容易在教學(xué)中直觀應(yīng)用。以互動(dòng)方式構(gòu)建電氣原理圖，綁定SPICE擬合的關(guān)鍵內(nèi)容，對(duì)電路實(shí)現(xiàn)仿真，可以讓學(xué)生在相關(guān)研究課程中掌握相關(guān)信號(hào)采集、電路仿真和原理研究。其完善的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)，更有利于實(shí)現(xiàn)原型構(gòu)型和檢測(cè)全流程。

二、解析理論概念，利用EDA關(guān)聯(lián)相關(guān)知識(shí)體系

在EDA有關(guān)的電工電子教學(xué)課程中，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)。其基礎(chǔ)理論包括電子元件、電路構(gòu)成、電器特性、工作原理等內(nèi)容。過(guò)去的教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于這些晦澀抽象的理論內(nèi)容，很難用語(yǔ)言描述，需要通過(guò)實(shí)物教學(xué)演示，才能加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的認(rèn)知，但是實(shí)物教具的成本較高，且更新較慢。而教師運(yùn)用Alum Designer 、Multisim開展課程講解，可以大大提升授課效率。通過(guò)軟件內(nèi)含的儀器、3D圖例，可以充分展示理論課程涉及的電子元器件及其結(jié)構(gòu)、特性等。例如在開展弦波振蕩電路的虛擬仿真對(duì)課程教學(xué)中，其教學(xué)重點(diǎn)是要學(xué)生對(duì)波的頻率進(jìn)行觀察和計(jì)算，通過(guò)Multisim平臺(tái)構(gòu)建正弦波發(fā)生器，并擬合正弦波的產(chǎn)生過(guò)程。首先，調(diào)用軟件中仿真庫(kù)中振蕩波形產(chǎn)生庫(kù)，按照提示的電路設(shè)計(jì)要求，對(duì)電路的節(jié)點(diǎn)連接集元器件布局進(jìn)行設(shè)置;選用相關(guān)分析類型，例如用傅立葉分析和瞬態(tài)分析的方法對(duì)電路進(jìn)行分析;根據(jù)電路中參數(shù)的選定，瞬態(tài)分析的啟始時(shí)間設(shè)為0，中止時(shí)間設(shè)為5ms，step設(shè)置為100ns，用傅氏級(jí)數(shù)分析法分析對(duì)基波頻率進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)課程過(guò)程中，可以引導(dǎo)學(xué)生改變電路中元器件件參數(shù)或節(jié)點(diǎn)布設(shè)方式，觀察電路模擬仿真分析的結(jié)果，從而讓學(xué)生對(duì)于振蕩器的理論有更為深刻的理解。這種直觀具體的教學(xué)模式，可以穩(wěn)步提升電工電子的教學(xué)質(zhì)量。

三、推進(jìn)實(shí)踐學(xué)習(xí)，采用EDA開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)

電工電子技術(shù)課程的實(shí)踐教學(xué)，是學(xué)生最終能否掌握課程知識(shí)點(diǎn)點(diǎn)關(guān)鍵。相關(guān)實(shí)踐課程中，原理圖設(shè)計(jì)和PCB電路布線是很多電工電子課程教學(xué)的主要形式。其實(shí)踐課程要求，一般是通過(guò)EDA軟件，能夠設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并滿足相關(guān)要求的電工電子電路，采用仿真模擬，確保電路形式、結(jié)構(gòu)和功能的正確性。例如，采用Alum Designer開展具有總線架構(gòu)的電子電路原理圖教學(xué)過(guò)程中，教師可以利用之前繪制的分立元件的電工電路，完成初步周邊器件布局原理圖設(shè)計(jì)，首先讓學(xué)生建立總線結(jié)構(gòu)對(duì)概念，即多條并行導(dǎo)線對(duì)集合，之后讓其采用放置總線命令完成總線布設(shè)，同時(shí)根據(jù)總線功能布局網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，定義端口功能，最后完成原理圖構(gòu)件的設(shè)計(jì)、連接。這種利用EDA軟件進(jìn)行電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生樹立明確的電工電子電路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，并用最終仿真結(jié)果使學(xué)生加深設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，EDA是給了電工電子技術(shù)教學(xué)以虛擬化、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方式，其在教學(xué)中的應(yīng)用操作簡(jiǎn)單、界面直觀。同時(shí)，通過(guò)對(duì)大多數(shù)的模擬數(shù)字電路、高低頻電路的仿真，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估，確保了在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中理論與教學(xué)實(shí)際的緊密結(jié)合，增強(qiáng)了教學(xué)的趣味性。

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