电子线路CAD在电子技术基础教学中的应用

摘 要：随着计算机的发展,虚拟仿真技术也在趋于成熟,“粉笔+黑板”的传统教学模式已经远远不能满足现代教学的需要,再加上电子技术基础课程理论知识本身枯燥难懂,实验也只能观测的局限性,迫切需要在课堂中引入行之有效的计算机仿真技术来充分发挥学生的主观能动性,这样就能使由于实验条件限制而无法观测到的现象在虚拟环境中得到切实的感性认识,不仅能提高学生学习的积极性,也增加了学生对知识理解的深度和广度.

关 键 词：CAD；电子线路；Pspice；虚拟仿真

电子技术基础是一门电类的专业基础课,它包括模拟电路和数字电路,其理论知识繁琐、难懂,通过实践教学可以加深对理论的理解,提高学生学习的兴趣,但是由于实验室条件的限制,有些实验内容无法测量和验证,这样就束缚了学生对一些知识难点的理解.为了让学生更好地掌握理论,增强其主动性、积极性,在教学中教师可以引入电子线路CAD来完成对电路的测试、精确分析、直观显示.电子线路CAD的基本含义是使用计算机来完成电子线路设计过程,包括电路原理图的编辑、电路功能的仿真、工作环境的模拟、印制板设计（包括自动布局、自动布线）与检测等.目前,电子线路CAD软件种类很多,但其功能大同小异.Pspice是电子线路计算机辅助分析和设计中常用的一种通用电路分析软件.它以图形方式输入,自动进行电路检查,生成网表,能模拟和计算电路的性能.目前,高版本的Pspice不仅可以对模拟电子线路进行直流分析、瞬态分析及交流分析等,还可以分析数字电子电路和数模混合电路.而且现在随着科学技术的发展,电子线路的规模越来越大,必须借助于计算机进行仿真、分析和设计,另外它还是电子产品从设计、实验到定型过程中一种不可缺少的设计工具.大部分高职院校已专门开设了电子技术基础计算机辅助分析和设计,即CAA和CAD课程.针对以上情况,在电子技术基础教学中,我们采用了Pspice仿真软件进行计算机辅助教学,要求学生自己对电子线路进行分析与仿真.下面就具体来谈谈我们的一些做法和体会.

一、应用Pspice软件加深对理论知识的理解

题目：分析差分放大电路的差模电压增益、共模电压增益

绘制差分放大电路原理图,其中vs+和vs-为正弦源.另存为chadong1.sch

1.分析双端输入时的差模电压增益

（1）设置信号源的属性

vs+,vs-为差分放大电路的信号源.vs+的属性设置如下：

vs+的“AC”项设为10mv,vs-的“AC”项设为-10mv.这样才能起到差模输入的作用.

（2）设置分析类型

（3）Analysis→Simulate,调用PspiceA/D对电路进行仿真计算.

（4）测得恒流源给出的静态电流为1.849mA,晶体管Q1和Q2的发射极电流相等,都为0.9246mA.

（5）在probe下,单击Trace→Add,在TraceExpression中输入要显示的变量.

若要观察单端输出时的差模电压增益,编辑表达式为：

V（out1）/（V〈Vs+：+〉-V〈Vs-：+〉）；

若要观察双端输出时的差模电压增益,编辑表达式为：

（V〈out1〉-V〈out2〉）/（V〈Vs+：+〉-V〈Vs-：+〉）.

得到结果如下：

（6）用游标测量,双端输出时的差模电压增益为100.68,单端输出时的差模电压增益为50.34,是双端输出时的一半（为什么）.两条曲线的上限截止频率点都是3.3843Mhz.

2.分析双端输入时的共模电压增益

将原理图chadong1.sch打开,另存为chadong2.sch

（1）设置信号源的属性

vs+的属性设置不变.

Vs-的“AC”属性设置为10mv,使其和信号源vs+一样,这样就相当于在两个输入端加上了相同的信号,起到共模输入的作用.

（2）设置分析类型

（3）Analysis→Simulate,调用PspiceA/D对电路进行仿真计算.

（4）在probe下,单击Trace→Add,在TraceExpression中输入要显示的变量.

若要观察单端输出时的共模电压增益,编辑表达式为：V（out1）/V（Vs+：+）；

若要观察双端输出时的共模电压增益,编辑表达式为：

（V〈out1〉-V〈out2〉）/V（Vs+：+）.

（5）用游标测量

双端输出时的共模电压增益为1.000E-30,（Pspice中用1.000E-30表示0）,所以双端时的共模电压增益为0.在中低频段的单端输出共模电压增益为0.000733,也已经非常小,说明单端输出情况下也具有良好的抑制共模信号的特性.但随着频率的进一步增大,共模电压增益将会急剧增大,增加到一定程度后,将不会再有剧烈的增减,但是共模电压增益总是小于1.

从上述的仿真过程中对分析差分放大电路的差模电压增益、共模电压增益这一问题的解释就更具直观性,学生也会更容易理解这些难懂的理论知识点.

二、应用Pspice软件进行电子技术基础课程设计的辅助教学

电子技术基础的课程设计是教学的重要环节.选定一个电子产品就要按它的设计生产,从选题、方案论证、性能指标确定、装调电路、修改、定型参数直到批量生产是一个复杂而又费时的过程.该过程的任一环节,都对产品性能和经济效益有着直接影响.

传统的电路装配、调试过程,一般均采用面包板或专门的焊接板,通过手工连线装配,检查无误后,进行电路测量,最后评估电路性能.若性能与设计值不符时,需调换参数并重新调试测量,直至符合设计要求为止.但是,当电路非常复杂时,采用插接板或焊接板组装电路时所产生的连线错误、器件损坏等人为错误,常会造成人力、财力、时间的浪费及错误的性能评估.尤其是集成电路的设计,器件在插接板上就无法组合成像集成电路内部那样紧密复杂的电子电路,装配板上的寄生参数与集成环境中的完全不同.因此,在装配板测试的特性将无法准确地描述集成电路的真实特性.所以,电子技术基础的传统设计方法已经不适应当前电子技术发展的要求,这就要借助计算机完成电子电路的辅助设计,即电子线路CAD技术.因为它包括电子工程设计的全过程,如系统结构模拟、电路特性分析、绘电路图和制作PCB等.Pspice软件本身除含有强大的元件库外,还可以自行建立器件模型构成所需的元件库,从而不受经费和数量品种的限制,在任何时候都可调入任何所需器件来随时改变电路元件参数从而调整电路,使之更好地逼近设计要求.所以,我们在要求学生自己设计好电路后,都必须先调用Pspice软件进行电路仿真分析,以得出最理想的电路设计方案,然后再在实验室进行搭线和电路调试,最终做出一个合格的电子产品.

所以,采用Pspice仿真软件进行电子技术基础课程的教学,拓宽了学生的思维空间,有效地激发了学生的学习兴趣,提高了学生的自学能力和解决问题能力,对提高电子线路课程教学效果和效率及对学生创新精神和能力的培养都起到了较好的促进作用,也提高了学生对电子线路的分析与仿真能力和计算机的实际应用能力,为学生以后走向工作岗位打下了一个良好的基础.