以计算机仿真软件为平台的电子电路仿真设计

      引言

      电子电路的教学不仅要求掌握基本原理和计算方法，更重要的是培养电路的设计、分析、和开发能力。随着电子技术和计算机技术的高速发展，电子产品与计算机系统紧密相连。

       加拿大'|nteractive ImageTech-nologies公司于20世纪80年代末90年代初推出的专门用于电子电路设计与仿真的EWB(电子工作平台)，与其他电路仿真软件如：Protel 99相比，具有界面直观、操作方便等优点。它改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，创建电路选用元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。电子电路的分析、设计与仿真工作蕴含于点击鼠标之间，不仅为电子电路设计者带来了无尽的乐趣，而且大大提高了电子设计工作的质量和效率。

        一般，电子电路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。理论教学进行一段时间，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被延迟，甚至对某个内容的学习，在起初产生的兴趣会随时间的推移而逐渐消失。我们在多媒体教学实践中，结合理论教学的进程，及时地利用EWB软件，在计算机上进行电路的验证、设计和仿真实验。这项教学的补充，使学生对学习内容的感性认识得到增强，而且通过人机对话的方式，学生选择元器件、连接电路、选择参数，一边选择一边测试，一边修改一边分析，并与理论相对照。在调试测量中学习，把实验与理论紧密地结合，加深了对理论的认识。

       1 EwB电路仿真的设计方法和步骤

       EWB电路仿真实验一般步骤为：在EWB中绘制电路原理图，放置连接所需的虚拟仪器，确定电路中的各元器件参数，应用EWB虚拟仪器进行在线测量。

       EWB电路仿真实验流程图如图1所示。

      1．1绘制原理图

      EWB中包括各种源器件库、分立元件库、模拟集成电路元件库、混合集成元件库、逻辑门电路元件库、数字电路元件库、控制器元件库及其他元件库等。在设计电路时，EWB可根据自己的需要构造自定义电路模块，并保存在自定义元件库中，便于以后方便地调用而不用重复构造。设计电路时只需点击这些按钮便可迅速找到所需的元件。排放好所有的元件后，再对各元件进行连线，修改各元件的数值及其他各项属性，就可绘制完成一张原理图。另外，EWB还可通过导人著名的电路仿真软件SPICE的网络表文件(扩展名为．net或．cir)来转换生成电路图，也可将电路图导出并保存为其他格式文件，扩展名可以为．net，．scr，．cmp，．cir或．plc，或将电路图以位图形式(．bmp格式文件) 存放到剪贴板中再粘贴到其他图像处理软件或Word等字处理软件中，以供其他软件使用。

      1．2连接和设置仿真测量仪器

       应该说，如果仅仅是绘制电路原理图，EWB可能远远不及其他电路设计软件，但其仪器仿真和电路分析功能却是许多电路设计软件所不能比拟的，这也正是它的最大的特色之一。EWB提供了许多虚拟仪器对电路进行仿真分析，这些仪器包括万用表、示波器、扫频仪、逻辑分析器、逻辑转换器等。与元件库一样，这些仪器也以按钮的形式排放在主界面上，电路图绘制完毕后可方便地选择所需的仪器接人电路中，设置好仪器的量程或参数后就可以按动开关通电工作，仪器上便能准确地测量出电路的工作电流、电压、信号波形、幅频特性，或产生电路[作所需的各种信号。

      1．3利用图表分析电路的工作参数

      使用EWB的Analysis(分析)菜单中的命令可对电路进行更加全面详尽的分析，其分析结果均以图形或报表的形式体现出来，这些分析包括直流工作点分析、交流频率分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析等，当电路设计出错时，分析结果会给出出错报告，并提出参考建议，分析结果还可保存为．gra或．txt文件，或通过打印机打印出来。交流频率分析类似于利用扫频仪对电路进行仿真，可以准确地得出电路的幅频特性和州频特性，分析结果在分析图表窗口中表现为直观的幅频特性曲线和相频特性曲线，以体现电路的增益或相移。参数扫描分析则可用于需要对某个元件的数值进行调节时电路的仿真，它可让电路中某个元件的参数在设置的数值段内连续变化，然后将电路的静态工作点、频率特性、瞬态特性等随此参数的变化以图形显示出来。

       2实际电路的设计举例

       下面用具体的实例说明电路的设计和仿真分析。

        2．1模拟电路中失真现象的分析

        在放大电路中，当有信号输入时，交流量与直流量共存。当输入信号为0时，晶体管的基极电流，IB、集电极电流Ic,b-e问电压UBE、管压降UCE称为放大电路的静态工作点，常将这4个物理量记作，IBQ，ICQ，ICQ，UBEQ，UCEQ。既然放大电路要放大的对象是动态信号，为什么要设置静态工作点呢?对于放大电路的最基本要求：一足不尖真；二是能够放大。如果输出的波形严重失真，放大就毫无意义了。只有在信号的整个周期内晶体管始终工作在放大状态，输出信号才不会失真。因此，设置合适的静态工作点，以保证放大电路不产生失真是非常必要的。

       静态工作点可以结合电路原理图通过公式计算出理论值，也可以在实际电路中通过仪器调试出理想的静态工作点。利用电路仿真软件EWB，演示分析放大电路的失真现象，将理论值和实际测试联系起来，加深对静态工作点的理解。下面就基极偏置电阻和放大倍数对静态工作点的影响，产生的放大信号出现3种失真的情况进行模拟分析。

       a)图2所示为调试理想静态工作点的仿真电路图。当输入信号为l V、1 kHz，R。可变电阻的阻值为1 00kΩ×79％时，晶体管的集电极对地电压为Uc=5．990 V。图3为输出端产生的理想波形。

      b)改变输入电压的幅度或R8值，可观察到不同类型的失真及对应的失真波形，如表1和图4所示。

       EWB仿真软件还可以模拟温度、元件破损等原因给电路带来的影响，必要时可以进行更细致的分析。

        综上所述，利用EWB仿真软件不但可以对电路进行定性和定量分析，而且可以将理论和实践有机地结合，将具体问题理想化，采用仿真的理论值去设计实际电路。因此，节省了时间，减少了耗材，起到了事半功倍的效果。

       2．2数字电路中关于竞争冒险现象的分析

       对于变量较多的逻辑电路，其竞争冒险现象是比较难判断的，一般的教材都只介绍每次只有一个变量改变状态的简单情况下的分析方法，比较有效的方法是通过实验进行验证。利用：EWB，便能很快地检查出电路是否有竞争冒险现象。 例如，逻辑函数：

      对应的电路是否会出现竞争冒险现象呢?分析得知：当c=D=1，B=0时，若A变化则有竞争冒险现象。

      图5为EWB的仿真电路，由时钟信号源产生输入电平的高低变化，通过观察输出端示波器的波形可发现不同输入情况下出现的竞争冒险现象。

       通过添加冗余项 后可消除竞争冒险，如图6所示。
       通过改变输入端A、B、C、D的输入状态，可以观察到在各种不同的输入情况下是否会出现竞争冒险，利用此项仿真，在课程设计中学生可以很快地验证所设计的电路是否有竞争冒险现象。

        将EWB运用到数字电路教学中，深入浅出地分析各种电路的特性，讲解各种参数对电路的影响，教学与实验验证同步进行。学生还可以结合学习内容，即时地进行接近于实际电路的调试、检测和分析，加深对理论的理解。这样的教学激发了学生的学习兴趣，扩展了学生的思维空间，也激发了学生的电子创作灵感，取得了良好的教学效果。

        3结束语

        把传统教学和仿真技术有机结合起来，把多媒体和虚拟技术运用到培养应用型人才的教学中，是课程改革的必然趋势。教育者必须改变教学思想和教育理念，端正对运用仿真设计新技术的教育态度，积极主动地接受新观念，学习新技术，充分利用教育资源，研究掌握新方法、新模式，不断寻求顺应教育现代化的新思路。另一方面，要正确认识电路仿真设计的作用，充分利用这种现代化教育手段来辅助实验教学，与学科教学相结合，而不是片面夸大这种辅助手段的作用、功效。用EwB软件进行教学、实验，固然有很多优点，但不能完全替代实际操作，因为那样无助于提高学生的思考能力和实际动手能力。

本文来源：《电子工程师》    作者：湖南信息职业技术学院 奚素霞

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