单位文秘网 2022-02-26 08:10:02 点击: 次
[摘要]随着理实一体化教学模式的推行,将EWB引入数字电子技术课程的教学中,可以使教师在讲述理论的同时,利用EWB软件进行仿真、演示,增强学生的感性认识,使学生消除对理论知识的“抽象感”,提高学生的学习兴趣。使课堂的教与学在良好互动的同时更生动、直观,达到学生对逻辑电路的基本理论易于理解,对拓展应用的认识更加深刻的目的。
[关键词]EWB;仿真软件;数字电子技术
[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]1008-4738(2007)02-0104-03
1.引言
EWB(Electronics Workbench)是由加拿大Interactive Image Technologies公司设计推出的电子电路计算机仿真分析、设计软件,称为虚拟电子工作平台[1]。该软件提供了示波器、函数发生器、万用表、频谱仪和逻辑分析仪等虚拟电子设备,14种分析工具,4种扫描分析,8 000多个元器件模型, 使使用者可以方便地进行电路原理图的输入和仿真测试,观察电路的工作状态、稳定性、灵敏度,还可以观察条件、参数变化时电路的变化情况[2]。
EWB软件是一个模拟、开放的电子实验平台。在它上面,设计人员可以做各种类型、难度各异的电子电路实验和实际电子产品设计,以便方便地修改与优化电路。
EWB与其他电路仿真软件相比较,具有界面直观、操作方便、采用图形方式创建电路等优点,构造电路、调用元器件和测试仪器等都可以直接从窗口图形中调出,可以对电子元器件进行一定程度的非线性仿真,不仅测试仪器的图形与实物相似,而且测试结果与实际调试基本相似。使用虚拟测试仪器对电路进行仿真实验如同置身于实验室使用真实仪器测试电路,既解决了购买大量元器件和高档仪器的难处,又避免了仪器损坏等不利因素。同时在该软件下调试所得结果电路可以和tango、protel和orcad等印制电路设计软件共享,生成印制电路,自动排出印制电路版,从而大大加快了产品开发速度,提高工作效率。而且该软件直观的电路图和仿真分析结果的显示形式非常适合于电子类课程课堂和实验教学环节,是一种非常好的电子技术实训工具。可以弥补实验仪器、元件少的不足及避免仪器、元器件的损坏,帮助学生更好地掌握课堂教学内容,加深对概念、原理的理解,通过电路仿真,为分析与设计电路提供性能优越的虚拟仪器的逼真测试环境,进一步培养学生的综合分析、开发设计和创新能力。
2.EWB在数字电子技术教学中的应用
2.1 EWB与电子技术的教学
EWB不但是一个非常优秀的电子设计软件,而且也是一个非常优秀的电子技术模拟实际训练软件,它几乎可以完成在实验室进行的所有电子技术的实验,并且和实际实验情况相吻合,选用的元器件和仪器也和实际情况非常相近,学生们只要能正确使用常规仪器,都能较快地掌握软件所提供的虚拟仪器的使用方法。与此同时,虚拟仪器设备使用的过程也是促进学生实际操作中熟练使用仪器设备的训练过程。另外,在实验设备和仪器不能满足某些实验课要求的情况下,用EWB进行仿真实验不失为一种有效的补充方法。由于EWB软件是基于Windows操作系统上的,所以它的其他操作手法与Windows环境下的软件操作手法一样。要用的元器件、仪器设备等,只要用鼠标点击,随时可以调用,完成参数设置,连接成电路后即可启动运行,进行分析和测试等。
因此EWB软件具有入门容易,学习轻松,结合实际,富有趣味的特点。
2.2 EWB与数字电子技术的教学
数字电子技术是电子、通信、计算机等专业的核心课程,其教学效果的好、坏,学生接受的程度,将直接影响后续各类相关专业课程的教学效果。一般的、传统的《数字电子技术》课程的教学,是由理论教学、课程实验和课程设计等教学环节构成的,其教学过程如图1所示:
图1 传统教学流程
这种传统的教学方式,存在着以下的问题:
一是大多数教师只着重于传授理论知识,无法使学生真实地感受到电路的可实现性,更不易判断理论分析方案的正确性。
二是理论分析通常都是一些繁琐的公式推导及一些孤立的计算数据,很难形成电路的特性曲线,缺乏直观性,更难对电路的参数进行分析及优化设计。
三是理论教学进行一段时间,并且完成了一定内容的教学后再安排实验,学生对教学内容的感性认识已被延迟,甚至某个学习内容,起初所产生的兴趣也会随时间的推移逐渐消失。
四是学生在听理论课时,由于跟实际联系不上,对理论难以理解,甚至于不能理解,形成对数字电子技术“抽象、难学”的思想障碍,从而失去学习信心。
将EWB引入到数字电子技术教学,既可以使教师在讲解理论的同时,利用EWB 软件进行仿真、演示,使学生消除“抽象感”,增加学习兴趣,又可以使课堂教学更加生动、直观,使数字电子技术课程中的一些基本理论和基本概念更加容易理解,更便于培养学生的动手能力。
EWB作为媒体教学实践的一种补充:一方面,基础验证与教学实例可由教师结合教学进度通过多媒体教学平台演示完成;另一方面,也可由学生在课外利用计算机参照有关习题完成。使学生增强学习自主性,增强对学习内容的感性认识,并且掌握各种仪器的基本使用、电路参数的测试方法。通过人机对话的方式,学生可以自由选择元器件、连接电路、设置参数,边连线边测试,边修改边分析。与理论相对照,在调试测量中学习,把实验与理论有机地结合起来,加深学生对知识的整体认识。
3.EWB在数字电子技术中的仿真实例
下面将以EWB5.12版本为例,通过EWB在组合逻辑电路与脉冲的产生、整形中的应用,来说明EWB软件在数字电子技术课程教学中的使用效果。
3.1 EWB在组合逻辑电路中的应用举例
在组合逻辑电路的分析与设计中,除逻辑函数的表达式外,更能说明问题的是真值表与逻辑电路图。下面将以半加器在EWB中的逻辑仿真、分析、验证为例进行EWB应用的说明。
打开EWB5.12软件,在元器件库中选取所需要的器件,通过拖拽在电路工作窗口中进行逻辑电路的仿真,然后点击软件界面右上方的启动/停止开关,便可以开始观察并分析验证电路特性。
方法一,在EWB电路工作窗口中通过对元器件的提取与联接仿真出半加器的逻辑电路原理图,如图2所示。电路中以两组开关A、B来控制逻辑门输入的高低电平,用两盏指示灯表示逻辑输出。仿真后的逻辑功能如表1所示:设灯亮为1,灯灭为0。
图2 半加器原理图的仿真
方法二,通过图2的仿真可以记录的结果是逻辑电路的功能表。若是将图2中的电源VCC、开关与指示灯等删除,而改用调用信号发生器与输入端A、B相联,再调用逻辑分析仪分别与输入端的A、B和输出端的F、C相联。经设置后,开启开关。在仿真的逻辑分析仪上将直观的得到输入、输出波形图,如图3所示。
图3 半加器波形图的仿真
方法3,调用逻辑转换仪,其输入端与A、B相联,输出与F或C相联。如图4所示,开启开关,则可得到该逻辑电路真值表,并可进行真值表、逻辑表达式和最简逻辑表达式之间的相互转换。如有所需,还可点击转换按钮,得到其他形式的逻辑电路。
图4 半加器逻辑功能的多种表达与转换仿真
逻辑转换仪是Workbench特有的仪器,实际工作中不存在这种对应的设备。逻辑转换仪能够完成真值表、逻辑表达式和逻辑电路三者之间的相互转换,这一功能给数字电路的教学带来很大的方便。
3.2 从基本工作原理到工程用集成电路的转换
以上3种不同的方法均可完成对同一逻辑电路的功能验证,但验证结果都是以由分立元件构成的基本工作原理图为基础进行的解析。实际工程与设计调试电路时是不能采用分立元件来完成现实操作的,而是要选用集多个门于一体的集成芯片。为进一步增强学生的感性认识,更加模拟和仿真实际操作的情境,我们将在学生掌握基本原理后,适时介绍集成芯片,并示范从原理图到芯片布线图的转换、连线与注意事项等。如图5所示,将前例中的由6个与非门所构成的半加器工作原理图转换为由两块工程用7400芯片(四-二输入与非门)连接成的管脚连接图。
图5 半加器集成芯片引脚连接仿真
测试过程与结果表明,此种仿真方法更接近实际,学生在学习过程中不但可以掌握基本原理,了解对应的各类常用芯片组的内部结构、功能、原理及使用,更重要的是将学会如何将理论转换为实践。从而提高学生的认知,为学生下一步的动手操作打下良好的基础,不再对工程需用的实际工业产品感到陌生而无从下手。
3.3 EWB在脉冲产生与整形中的应用举例
在脉冲波形的产生和整形的教学中,由555定时器所组成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器是应用比较广泛的电路,学生应该理解其工作原理,特别是元件参数对电路的影响。
例如,单稳态触发器仿真电路如图6所示。用信号发生器产生触发信号作输入信号,通过示波器观察输入、输出波形,各按钮的选择如图6所示。
图6 单稳态触发器的仿真
点击示波器上的Expand(扩展)按钮,通过游标1、游标2可测得单稳态触发器的暂态持续时间TW=256μs(R=2.5KΩ,C=1μF),改变R,C的取值,可发现TW随之变化,但都满足TW≈1.1RC。改变输入波形或其他参数,可得到同样的相应结果,如图7所示。通过调试、验证和读值让学生理解单稳态触发器的特性。
图7 示波器的波形仿真
同样,EWB对施密特触发器和多谐振荡器,也可以进行仿真,通过改变电路的元件参数,得出不同的输出结果,观察到电路性能逐渐变化的过程,总结出输出与参数的关系,感性地理解电路的性能。
数字电路的其他教学内容也都可以采用同样的仿真方法达到预期的实验结果。
[参考文献]
[1] 钟文耀,段玉生,何丽静.EWB电路设计入门与应用[M].北京:清华大学出版社,2000:26-28.
[2] 熊振国.基于EWB平台的电子线路设计[J].现代电子技术,2003,(9):33-34.
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