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摘 要:自主学习是现代开放教育的主要学习方法,但工科类课程实践性环节的自主学习比较困难。以 EDA技术为代表的计算机仿真软件在开放教育中的使用,为学生提供了一个功能齐全的实验平台,既可以使学生了解仪器设备的性能、设计实验电路,解决实践性环节自主学习中的问题,又可以为办学单位解决硬件设备偏少和因误操作而损坏仪器等问题,从而弥补开放教育中实践性环节的不足,保证开放教育的顺利进行。
关键词:EDA技术;开放教育;自主学习;实践性环节
中图分类号:G434文献标识码:A文章编号:1673-8454(2010)15-0084-02
一、引言
实验是多数工程类课程和应用类课程教学中的重要一环。在传统的实验教学过程中,一台实验仪器分配给一位学生使用,这往往会造成准备实验的时间多,而真正使用实验仪器的时间相对短,这从某种程度上来说是实验资源的浪费;再加上招生规模的不断扩大,实验设备、场地、人员相对来说已处于紧缺状态,基层办学单位也难以拥有设备齐全的实验室,因此传统的实验教学方式已不能适应当前高校的发展步伐。EDA技术的出现,很好地解决了这一问题。本文对基于EDA技术的实验教学系统的可行性进行了探讨。
二、EDA技术的特点
电子设计自动化 EDA技术,是将先进的计算机技术应用于电子设计过程的一门新技术,EDA技术能在计算机上完成电子电路与系统的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试、印刷电路板的自动设计,极大地提高了电子电路与系统的设计质量与效率。
1.EDA 类软件运行环境简单、易学、使用方便
目前流行的 EDA软件运行环境大都为Windows 95或Windows NT、Windows XP,而且许多操作与Windows一样 ,对于一些特殊的操作也可借助软件提供的帮助文件来完成,学生完全可以在家里完成电类课程的实验。整个软件采用菜单操作,使用简单方便。该软件几乎完全取代了电子电路实验中的真实元件、面包板、信号源、示波器和万用表、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等,非常适合电子类课程的教学和实验。[1]学校有了该软件就相当于有了电路和电子学实验室,而学生学会了使用该软件,相当于家里也拥有一个电学实验室。
2.EDA类软件仿真功能十分强大
使用EDA类软件进行电子电路设计、画图、分析和输出分析结果可在一个集成菜单系统中完成。学生可以轻松地用鼠标抓取元器件并将它放入原理图中,个体元器件属性的设置方便易学。EDA类软件具有界面形象、操作方便、能采用图形方式创建电路等特点,它对元器件既提供了理想模型也可以自己创建所需的实际模型,又可设置故障。同时该软件具有模拟和数字电路分析的能力,它所使用的图形输入原理易学易懂,计算仿真快速准确,虚拟仪器可以像实际仪器一样测量出电路中所有的节点电压和支路电流,而且可以以图形方式显示各种分析结果,完全仿真出真实电路的结果。教师可以利用EDA类软件进行电路分析、模拟电子技术和数字电子技术等电子类课程的演示教学,也可用于电子类的实验、课程设计和毕业设计。[2][3]
3.使用 EDA类软件可以节约资源
EDA软件拥有庞大的元器件模型库,包含了许多国内外大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片、器件库没有的元器件,还可以由外部模块导入。EDA采用软件仿真的方法,在计算机上虚拟出一个现代化的电子实验室,它既克服了实验室经费不足的问题,避免了使用中仪器、器件易坏等不利因素,填补了学校实验设备不足,还可减少设备和实验材料的消耗,排除原材料消耗和仪器损坏等故障的出现,帮助学生更快、更好地掌握课堂讲授的知识内容,加深对概念和原理的理解,弥补课堂理论教学的不足。
三、EDA类软件在电子类课程中的应用
电子类课程教学由理论课教学、课程实验和课程设计等教学环节构成,电子类课程知识的掌握需要这三方面的共同作用。电子类课程理论知识较为抽象,通过大量验证性和综合性实验,可以帮助学生掌握基本理论,课程设计则让学生将理论用于实际,以培养学生的实际动手能力。
在验证性实验中,学生可以根据电路的原理图,用基于EDA技术的Multisim 7软件模拟连接电路,用 Multisim 7的虚拟仪器进行在线测量。将理论计算与仿真结果进行对照、比较,提高学生分析问题、解决问题的能力。例如组合逻辑电路的设计是学习数字电路的基础,其设计过程如图1所示。
以“四人表决电路”的设计为例说明Multisim 7软件在数字电路教学中的应用。我们可以通过Multisim 7软件的逻辑转换仪模拟完成整个电路设计过程。
1.分析问题
设计“四人表决电路”,半数以上同意为通过。
2.真值表
根据电路要求需要首先设计出真值表,而真值表无需手写,利用Multisim 7软件可以直接设计。方法是:在逻辑转换仪的顶部选择您想用的输入端A、B、C、D。此时真值表区会自动出现输入信号的所有组合,而右边输出列的初始值全部为零。根据设计的要求,改变真值表的输出值1、0或X,电路真值表如图2所示。
3.最简表达式
由真值表写出电路表达式,可以用Multisim 7软件直接生成。方法是:按下“真值表→简化表达式”按钮,相应的最简逻辑表达式会出现在逻辑转换仪底部的逻辑表达式栏中,如图2所示。由于可以直接得到电路的最简表达式,因此省略了卡诺图化简这一步骤。
4.逻辑电路
根据电路表达式画出逻辑电路图,方法是:按下“表达式→与非电路”按钮,可得到由与非门构成的电路。最后,分别在输入端接上转换开关,在输出端接一只指示灯,得到最终的四人表决器电路,如图3所示。当2人以上同意时,X1红灯被点亮。
可见,利用电子工作台Multisim 7将实验与理论结合,进行自主学习,可以帮助学生充分理解教材上的理论分析过程,验证自主学习的过程是否正确,提高动手能力、分析问题、解决问题的能力。同时,由于在虚拟实验室里实现了“软件即仪器”、“软件即元器件”,学生手中有了丰富的虚拟电子元器件和虚拟仪器仪表,从根本上克服了实验室的仪器仪表在品种、规格、数量上的限制,可以在虚拟实验室实现验证型、测试型、设计型、纠错型、创新型等多种实验。最后,EDA类软件还可以帮助学生完成课后作业,在网络环境的前提下,教师可以利用EDA类软件对学生进行必要的辅导。
四、结论
综上所述,以 EDA技术为代表的计算机仿真软件的使用,为电子类专业的学生接受开放教育提供了一个功能齐全的实验平台。既可以使学生了解仪器设备的性能,设计实验电路,解决自主学习中的问题,又可以为办学单位解决硬件设备偏少和因误操作而损坏仪器等问题。同时,还可以做各种类型、难度的电子线路实验,并利用它对电路、信号与系统进行辅助分析和设计,便于修改和优化电路和设计电子产品,弥补了开放教育中实践性环节的不足,保证了开放教育的顺利进行。
参考文献:
[1]路而红.虚拟电子实验室——Multisim 7
关键词:EDA技术;开放教育;自主学习;实践性环节
中图分类号:G434文献标识码:A文章编号:1673-8454(2010)15-0084-02
一、引言
实验是多数工程类课程和应用类课程教学中的重要一环。在传统的实验教学过程中,一台实验仪器分配给一位学生使用,这往往会造成准备实验的时间多,而真正使用实验仪器的时间相对短,这从某种程度上来说是实验资源的浪费;再加上招生规模的不断扩大,实验设备、场地、人员相对来说已处于紧缺状态,基层办学单位也难以拥有设备齐全的实验室,因此传统的实验教学方式已不能适应当前高校的发展步伐。EDA技术的出现,很好地解决了这一问题。本文对基于EDA技术的实验教学系统的可行性进行了探讨。
二、EDA技术的特点
电子设计自动化 EDA技术,是将先进的计算机技术应用于电子设计过程的一门新技术,EDA技术能在计算机上完成电子电路与系统的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试、印刷电路板的自动设计,极大地提高了电子电路与系统的设计质量与效率。
1.EDA 类软件运行环境简单、易学、使用方便
目前流行的 EDA软件运行环境大都为Windows 95或Windows NT、Windows XP,而且许多操作与Windows一样 ,对于一些特殊的操作也可借助软件提供的帮助文件来完成,学生完全可以在家里完成电类课程的实验。整个软件采用菜单操作,使用简单方便。该软件几乎完全取代了电子电路实验中的真实元件、面包板、信号源、示波器和万用表、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等,非常适合电子类课程的教学和实验。[1]学校有了该软件就相当于有了电路和电子学实验室,而学生学会了使用该软件,相当于家里也拥有一个电学实验室。
2.EDA类软件仿真功能十分强大
使用EDA类软件进行电子电路设计、画图、分析和输出分析结果可在一个集成菜单系统中完成。学生可以轻松地用鼠标抓取元器件并将它放入原理图中,个体元器件属性的设置方便易学。EDA类软件具有界面形象、操作方便、能采用图形方式创建电路等特点,它对元器件既提供了理想模型也可以自己创建所需的实际模型,又可设置故障。同时该软件具有模拟和数字电路分析的能力,它所使用的图形输入原理易学易懂,计算仿真快速准确,虚拟仪器可以像实际仪器一样测量出电路中所有的节点电压和支路电流,而且可以以图形方式显示各种分析结果,完全仿真出真实电路的结果。教师可以利用EDA类软件进行电路分析、模拟电子技术和数字电子技术等电子类课程的演示教学,也可用于电子类的实验、课程设计和毕业设计。[2][3]
3.使用 EDA类软件可以节约资源
EDA软件拥有庞大的元器件模型库,包含了许多国内外大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片、器件库没有的元器件,还可以由外部模块导入。EDA采用软件仿真的方法,在计算机上虚拟出一个现代化的电子实验室,它既克服了实验室经费不足的问题,避免了使用中仪器、器件易坏等不利因素,填补了学校实验设备不足,还可减少设备和实验材料的消耗,排除原材料消耗和仪器损坏等故障的出现,帮助学生更快、更好地掌握课堂讲授的知识内容,加深对概念和原理的理解,弥补课堂理论教学的不足。
三、EDA类软件在电子类课程中的应用
电子类课程教学由理论课教学、课程实验和课程设计等教学环节构成,电子类课程知识的掌握需要这三方面的共同作用。电子类课程理论知识较为抽象,通过大量验证性和综合性实验,可以帮助学生掌握基本理论,课程设计则让学生将理论用于实际,以培养学生的实际动手能力。
在验证性实验中,学生可以根据电路的原理图,用基于EDA技术的Multisim 7软件模拟连接电路,用 Multisim 7的虚拟仪器进行在线测量。将理论计算与仿真结果进行对照、比较,提高学生分析问题、解决问题的能力。例如组合逻辑电路的设计是学习数字电路的基础,其设计过程如图1所示。
以“四人表决电路”的设计为例说明Multisim 7软件在数字电路教学中的应用。我们可以通过Multisim 7软件的逻辑转换仪模拟完成整个电路设计过程。
1.分析问题
设计“四人表决电路”,半数以上同意为通过。
2.真值表
根据电路要求需要首先设计出真值表,而真值表无需手写,利用Multisim 7软件可以直接设计。方法是:在逻辑转换仪的顶部选择您想用的输入端A、B、C、D。此时真值表区会自动出现输入信号的所有组合,而右边输出列的初始值全部为零。根据设计的要求,改变真值表的输出值1、0或X,电路真值表如图2所示。
3.最简表达式
由真值表写出电路表达式,可以用Multisim 7软件直接生成。方法是:按下“真值表→简化表达式”按钮,相应的最简逻辑表达式会出现在逻辑转换仪底部的逻辑表达式栏中,如图2所示。由于可以直接得到电路的最简表达式,因此省略了卡诺图化简这一步骤。
4.逻辑电路
根据电路表达式画出逻辑电路图,方法是:按下“表达式→与非电路”按钮,可得到由与非门构成的电路。最后,分别在输入端接上转换开关,在输出端接一只指示灯,得到最终的四人表决器电路,如图3所示。当2人以上同意时,X1红灯被点亮。
可见,利用电子工作台Multisim 7将实验与理论结合,进行自主学习,可以帮助学生充分理解教材上的理论分析过程,验证自主学习的过程是否正确,提高动手能力、分析问题、解决问题的能力。同时,由于在虚拟实验室里实现了“软件即仪器”、“软件即元器件”,学生手中有了丰富的虚拟电子元器件和虚拟仪器仪表,从根本上克服了实验室的仪器仪表在品种、规格、数量上的限制,可以在虚拟实验室实现验证型、测试型、设计型、纠错型、创新型等多种实验。最后,EDA类软件还可以帮助学生完成课后作业,在网络环境的前提下,教师可以利用EDA类软件对学生进行必要的辅导。
四、结论
综上所述,以 EDA技术为代表的计算机仿真软件的使用,为电子类专业的学生接受开放教育提供了一个功能齐全的实验平台。既可以使学生了解仪器设备的性能,设计实验电路,解决自主学习中的问题,又可以为办学单位解决硬件设备偏少和因误操作而损坏仪器等问题。同时,还可以做各种类型、难度的电子线路实验,并利用它对电路、信号与系统进行辅助分析和设计,便于修改和优化电路和设计电子产品,弥补了开放教育中实践性环节的不足,保证了开放教育的顺利进行。
参考文献:
[1]路而红.虚拟电子实验室——Multisim 7