模拟电路课程设计范例6篇

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模拟电路课程设计

模拟电路课程设计范文1

[关键词] 模拟电路实验 教学改革 设计型实验 综合设计型实验

一、引言

模拟电路作为电子电路的重要组成部分,是电子信息类专业的重要专业基础实验课程之一,是所有工程类专业的必修课,具有“基础厚”“专业活”“适应性广”的特点。课程的研究对象是电子器件以及由电子器件构成的基本电路,具有较强的可操作性。实验课程的教学,不仅是要培养学生的实验技能,加深学生对基本理论知识的理解,还应该注重培养学生的设计思路以及分析问题、解决问题的能力。对实验教学进行全方位的改革,坚持“以人为本”,确立新的实验教学模式。

二、模拟电路理论与实验课程的教学现状

模拟电路课程内容庞杂而繁多,大部分学生在学完这门课程后,只是了解了一些专业术语,掌握了一些基本电路的原理以及计算公式,既看不懂整机电路图,也不会分析和调试整机电路,更谈不上设计和制作电路了。最终不能学以致用,导致理论学习和实践的严重脱节。虽然理工专业基础课一般都有相关的实验课程,但课时的严重不足和课程内容的陈旧,使实验课教学往往只是流于形式。

在传统的实验教学中,学生课前不预习,课上只是完全机械、被动地按照教师的讲解进行操作,即使遇到问题也不动脑筋思考,而是急于让老师帮着解决。这样的实验教学不仅不能发挥学生的主观能动性,而且还束缚了学生科学思维能力的发展,极不利于培养学生的工程实践能力。要想使实验教学能更好地发挥作用,必须对实验教学内容和教学模式进行改革。

三、转变教学理念,确立实验教学基本目标

为满足新形势下国家对创新型、高素质人才的需求,这种以教师为中心的教学模式必须得打破。在教学活动中必须将中心转移到学生上。通过对教学内容和教学方法的全面改革,让学生变被动学习为主动学习,充分发挥学生的积极主动性。模拟电路实验教学改革应本着“以学生为主体,充分发挥教师的指导作用”的思想,摆正“教”与“学”的位置。改革的基本目标是让学生通过对该课程的学习,熟悉模拟电路中各种单元电路,掌握一定的实验方法、实验技能,了解电路中各个电子元件参数对电路性能的影响,学习如何设计电路,如何对电路进行调试。

模拟电路实验教学的改革目的,是希望学生通过对该课程的学习加深和巩固理论知识,在实践的过程中让理论知识得到升华,提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。在解决问题的过程中让学生学会团结协作,并培养学生勇于克服困难、禊而不舍得精神。

四、多方位、多层面改革模拟电路实验教学

模拟电路实验的教学改革应该从改变开课形式、优化实验内容、增添辅助实现手段和开设后续课程几个方面来进行。

1.实验单独设课,实验室进行半开放式管理

依附于理论教学的实验课时是不充足的。只有对实验单独设课,才能对其进行有效的改革,才能适应加强实践这一主导方针。此外,为了能有效地利用实验教学资源,我们应该对实验室采取半开放的管理方式。在实验室开放期间,配备专门的教师进行指导、答疑。

2.优化实验教学内容,调整实验教学层次

(1)保存部分单元验证型实验

开设单元验证实验的目的,在于让学生了解模拟电路课程中的单元电路的特点。各种复杂电路都是由单元电路组成的。保存典型的单元验证实验,在完成该类实验的过程中学习有关的实验方法。例如,在验证单极放大电路特性的实验中学习如何测量、调试电路的静态工作点;如何测量放大电路的幅频特性;如何测量放大电路的输人输出电阻等。

(2)在验证型实验中增加设计性环节

在学生完成了验证型的实验后,可以在此基础上增加一定的设计性内容,包括电路和实验方法、实验步骤的设计。这部分设计内容应该较为简单,可以在典型电路基础上让学生通过计算,改变几个参数,要求得到不同的输出。

(3)由简到繁增加设计型、综合设计型实验

设计型实验要求学生有一定的理论知识和实验技能,并能熟练使用相关的仪器、仪表。设计型实验可以穿插到验证性实验之间,放在不同阶段进行。例如,在完成单管放大电路实验后,可以让学生设计一个单管共射放大电路。给出设计要求,让学生自己选定设计方案,画出电路图,完成相应的调试和测量。例如,在完成单极放大电路、反馈电路、运算放大电路和功放电路后,可以让学生做一个音响放大器。由简到繁的设计过程可以让学生充分了解设计工作的思路,通过实际制作,让学生了解各部分电路之间的耦合、阻抗匹配等问题,通过这样的实验学习,让学生掌握如何调试整机电路。通过开设综合设计型实验,可以让学生有效地将一门课或几门课程进行有效的串联,并培养学生的工程实践能力。

3.结合EDA技术,完成设计型、综合设计型实验

随着电子技术和计算机技术的迅速发展,电子系统设计也逐渐由手工设计、计算机辅助设计阶段过渡到了电子设计自动化阶段。EDA技术已经成为当今世界电子设计的潮流。各高校也相继建立了EDA实验室。我们可以引导学生结合仿真软件,利用EDA技术完成设计型、综合设计型实验,甚至学生不必到实验室,在课余时间就可以通过仿真软件完成对电路的初步设计。这样既可以减轻实验室的压力,也可以开阔学生的视野,提高学生的EDA应用能力。将先进的EDA技术引人实验教学,是实施素质教育的重要途径。

4.将课程设计、电子设计大赛作为实验课的外延

我们要在实验课的基础之上开设课程设计,并鼓励学生参加电子设计大赛,将课程设计和电子设计大赛作为实验课的扩展延伸和有益补充,进一步提高学生的设计能力。课程设计可以以选修课的方式进行。指导该门课程的教师可以给出题目和要求,每周留出一定的答疑时间,将选修该课的学生分成小组。每个小组选定不同的或相同的题目,在课余时间完成电路设计,到实验室进行相关调试,做成成品,最终将设计结果交由指导教师检验,写出设计报告。验收也可以以答辩的方式进行。学生通过对该课程的学习,还可以提高自己的团队协作能力。鼓励学生参加电子设计大赛,可以激发学生的学习欲望和学习积极性,并学习新知识、新技能,培养科技创新精神。

五、结束语

转变实验教学理念,对模拟电路实验进行合理改革,以实践带动理论学习,是学生学好模拟电路课程的关键。我们应本着循序渐进的原则,多方位、多角度地对模拟电路实验教学进行改革,建立起完整的实验教学体系,从而更好地培养学生的工程实践能力。

参考文献:

[1]彭先进.模拟电路教学中的创新教育.科技创业月刊,2006,(4).

[2]沈伟慈.模拟电路实验教学的改革实践.电气电子教学学报,2005,(4).

[3]赵顺喜.电子系统EDA实验教学探索.实验室科学,2006,(6).

模拟电路课程设计范文2

关键词:模拟电子技术 课程设计 Proteus 仿真

中图分类号:G642 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-8181.2013.17.094

模拟电子技术课程设计是在我院经过多年教学实践,结合自动化、电气工程及其自动化、电子信息和通信工程专业的培养目标,旨在提高学生的实践技能和创新能力的综合实践教学环节[1],是学好模拟电子技术课程的重要教学环节,同时,给学生提供一个自主创新的平台,锻炼了学生自主分析问题,解决问题能力,培养学生理论联系实际的能力、设计的能力、综合应用的能力、动手的能力等。

电路设计仿真软件以其强大的仿真能力,便于学生学习与应用,是提高学生设计电路水平的有效方法[2-4]。Proteus的仿真是基于SPICE3F5的,能够进行模拟分析、数字分析、混合信号分析、频率分析等相关电路分析[5],在模拟电子技术试验课程设计中引入Proteus仿真软件,利于提高学生动手能力和创新能力,弥补教学资源不足,提高课堂教学的实效性。

1 Proteus软件特点

Proteus是英国Labeenter electronics公司开发的电子线路和单片机系统设计与仿真软件。软件由智能原理图输入系统ISISI(Intelligent Schematic Input System)、虚拟系统模型VSM、高级布线编辑软件ARES三大部分组成。

Proteus具备如下主要特点[6]:

①可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路,其最大的特点是可以支持许多型号的单片机仿真,该软件的单片机仿真库里有51系列、PIC系列、AVR系列、摩托罗拉的68MHll系列等。

②提供了虚拟示波器、逻辑分析仪、信号发生器、计数器、电表、Virtual Terminal(使用电脑的键盘和显示器通过串口与外部的单片机系统通讯)等虚拟仪器仪表供选择用。

③能够进行SCH(原理图)与PCB(印制板)的设计。

④能和Keil、MATLAB等软件整合使用,以求达到更好的仿真效果。

2 Proteus在课程设计中的应用

课程设计要求学生利用提供的主要元件:ICL8038、μA741和电位器(由于经费有限)设计出符合要求的函数发生器电路。锻炼学生利用分立元件和集成元件进行模拟电路设计的能力;提高学生综合运用所学的理论知识独立分析和解决实际问题的能力;掌握Proteus仿真、PCB设计、制作实物和安装调试。

函数发生器电路具体要求如下:

①电路能输出正弦波、方波和三角波三种波形;

②输出信号的频率要求可调;

③输出波形的幅度可调。

根据设计要求,该电路主要由波形产生、频率调节和幅度调节等部分组成,总电路原理图如图 1 所示。下面简单说明各单元电路的设计与调试方法。

2.1 波形产生电路的设计

ICL8038是一种能产生三种波形信号的集成芯片。搭配一些调节电路就能产生一定频段的低失真的正弦波、三角波、矩形波等信号。

ICL 8038 的主要特点[7]:

①可同时输出任意的三角波、矩形波和正弦波等;

②频率可调范围:0.001Hz~300kHz;

③输出矩形波的占空比范围:2%~ 98%;

④输出正弦波的失真正:小于1%;

⑤低温度漂移:50ppm/℃;

⑥输出三角波的非线性线性度: 小于0.05%;

⑦输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制;

⑧采用单电源供电时,电压范围是10~30V;采用双电源时,电压可在±5~±15V范围内选取。

2.2 频率和失真调节电路设计

利用ICL8038集成芯片管脚8频率调节功能,设置合适的滑动变阻器RV1和电容C1,来对三种波形频率进行调节;同时利用管脚1和12线性度调节功能,选用合适的滑动变阻器RV2和RV3来进行失真调节。

2.3 幅度调节电路设计

利用ICL8038集成芯片管脚4和5,虽然可以进行一定的波形幅度调节,但是调节幅度范围较小,所以采用在波形产生后,接一个通用集成运放μA741,来进行幅度的调节。μA741采用反相比例运算电路,选择合适电阻R7和滑动变阻器RV5,可以得出电路的放大比例为:RV5/ R7。只要R7 和RV5的阻值选择合适,就可以得出不同的放大比例,满足幅度调节的要求。

2.4 Proteus仿真

利用Proteus提供的虚拟示波器,可得电路的仿真结果如图2。

2.5 PCB设计

利用Proteus 的SCH(原理图)和PCB(印制板)设计功能,设计的布线图如图3。

2.6 安装与调试

利用以上Proteus软件进行的原理图设计、仿真和PCB设计,组织学生亲自动手制作实物。由于Proteus软件强大的功能,使得学生课程设计工作事半功倍,锻炼了学生的独立思考能力,实践动手能力和团队协作能力。

3 结束语

模拟电子技术课程设计是针对学生学完数字电子技术课程和模拟电子技术课程后,开设的综合实践课程,目的在于提高学生对前序课程的理解能力和应用能力,锻炼学生动手能力和自主学习能力。结果表明,利用 Proteus 软件具有的特点,学生在设计电路时,可以多方位思考问题,在教学元器件短缺、经费有限的条件下,充分利用现有资源,设计出符合要求的电路。不仅有利学生进一步学习模拟电子技术课程和数字电子技术课程,而且有利于提高学生解决实际问题的能力和创新能力。最终达到提高学生对已有专业知识的应用能力和培养学生创新意识的目的,并为后续专业课的学习打下牢固的基础。

参考文献:

[1]吴志敏,朱正伟,何宝祥.Multisim10 在模拟电子技术课程实验中的应用[J].实验室科学,2012,(15):113-116.

[2]侯向锋,周兆丰.Proteus在模拟电子技术教学中的应用[J].湖北师范学院学报(自然科学版),2012,(32):113-118.

[3]刘艳,朱昌平,宋凤琴等.模拟电子技术实验教学中的学生实践能力培养[J].实验室技术与管理,2010,(27):110-112.

[4]陈跃华,杜明茜,向启荣.基于计算机仿真技术的电子电路探究性学习[J].实验室研究与探索,2007,(26):49-55.

[5]乔建华,李临生,田启川.Proteus在单片机教学中的应用分析[J].电气电子教学学报,2008,(20):70-73.

[6]杨秀增,肖丽玲.Proteus软件在“模拟电子技术”课程教学中的应用[J].中国电力教育,2012,(2):56-57.

模拟电路课程设计范文3

关键词:模拟电子技术;精品课程;教学;建设

中图分类号:G71 文献标识码:A 文章编号:1009-0118(2012)-03-00-01

一、明确课程定位和作用,构建课程平台

模拟电子技术课程是电气、电子、计算机与信息技术等专业的专业基础课,它涵盖了。模拟电子技术”和“模拟电子技术实验”等内容。该课程以高等数学为工具,在电路基础知识的基础上,以直流、交流稳态及暂态模拟电子技术为主要研究对象,通过对模拟电子技术系统建立物理模型和列写数学方程式的方式进行模拟电子技术的分析与计算,模拟电子技术课程是学生系统掌握专业知识的重要基础,是训练科学实践能力和设计能力、培养创新意识和解决实际问题本领的重要知识平台,也是学生学习相关专业知识的重要基础。

在明确课程作用的同时,构建与理论教学想配套的实验实践实习条件,与《模拟电子技术》课程配套的实训场地和设备从教学任务上基本可划分为三方面:

(一)电子CAD实验室,主要用于与理论教学配套的仿真教学工作;(二)PCB制板室:当仿真任务完成后,学生可将自己设计好的电路在此加工制成实际的敷铜板,已备下一步工作的进行;(三)模拟电子技术实训室。该实训室主要用于学生的开发性实验、实训,如将在电子CAD机房和PCB制板室自行设计制作好的印制电路板,在此进行具体电路的组装、调试和测试,完成最终的工作任务。

通过以上措施,做到了理论教学、仿真教学和实践教学的完美结合,将传统教学、现代教学与实际操作技能融合在一起,更加接近于培养目标的教学方向。

二、深化教学内容和课程体系的改革

(一)教学内容改革。根据《模拟电子技术》课程教学大纲的要求,《模拟电子技术》以放大电路为主要内容,引入半导体知识,建立信号放大等电子技术的基本概念,培养学生基本的电路分析能力和基本电路调试技能。在传统的教学中,由半导体知识入手,逐步引入三极管放大电路、负反馈电路等,强调课程理论知识的层次性,而各章节内容的关联性和应用目的不突出,对于高等职业教育的学生来说,很难认识知识的整体应用性,很难理解课程的学科体系,从而难以调动学生的学习积极性。

通过多年的总结与探索,我们深入研究了该课程与前后续相关课程关系,对部分内容进行了重组。比如,将与频率特性有关的内容作为一个模块,将LC、石英晶体振荡电路放在了《高频电子线路》课程中,避免了重复教学,优化了课程体系。

(二)改革教学方法和教学手段。随着电子技术学科的发展,如何更好地解决基础与发展、基础知识与实际应用、理论与实践等矛盾,处理好“宽”“新”“深”的关系,建立先进和科学的教学结构,以适应不断更新的课程内容体系始终是我们改革的重点。

本课程建立起课堂教学、实验教学、网络教学和EDA教学交叉融合的教学结构,如图1所示。各教学环节各司其职,相辅相成,互相交融,实现“加强基础,注重实践,因材施教,促进创新”的同一个目标。

图1 模拟电子技术教学结构

教学方法上,已形成启发式、互动式的教学形式;在教学手段上将常规的教学模式与多媒体教学模式的有机结合,辅之EDA教学。教学大纲、实验教学大纲、电子教案、电子课件、模拟试题、自测题、习题及解答等均已上网。

三、课程教学采用试点创新教育工作

(一)将EDA技术引入课堂,变抽象为具象。模拟电子技术课程中有很多抽象的概念和定理,因此容易出现学习疲劳现象,为了增加学生的兴趣,在一些章节中适时地增加了Multisim(EWB)应用举例,这些举例或者具有研究性质,或者在实际实验中难以实现,且举例尽量涵盖模拟电子电路的基本测试方法和仿真方法。

(二)实践教学培养创新意识。实践教学模拟电子技术课程中的一个重要组成部分,以往的模拟电子技术试验基本上以验证性试验为主,实践教材上给出试验原理,试验室提供统一的元器件和仪表,学生只要来照图连线测量即可。而通过增加设计性试验,不给出具体模拟电子技术或参数,由学生自己设计模拟电子技术和参数,通过试验结果体会模拟电子技术定理。它和传统的验证性试验相比更能发挥学生的创新精神,锻炼解决实际问题的能力。

(三)创新实践教育培养尖子学生。20%左右的尖子学生能进入实验室和授课教师的科研梯队,接受和研究生一样的创新实践能力培养。这些学生在国内外重大学科赛事或教师的科研项目中取得了优异的成绩。例如,在2011年全国大学生电子设计竞赛我系代表队院获得全国二等奖。

四、结语

模拟电子技术课程在不断的摸索中总结提高,初步取得了一定的成绩。但是目前有一些好的做法还没有形成制度化,市级和省级的精品课程之间也还存在一定的差距,还需要大力加强课程组教师对外学术交流,抓住教改立项这一机遇,使模拟电子技术课程建设上一个新的台阶。

参考文献:

[1]孙剑.模拟电子技术分析课程的教学实践和改革[J].黄山学院学报,2006,(6):49-50.

[2]宋凤琴,张金波.模拟电子技术实践教程[M].南京:河海大学出版社,2007.

模拟电路课程设计范文4

关键词 应用型本科;模拟电子技术;课程改革

中图分类号:G642.0 文献标识码:B

文章编号:1671-489X(2014)02-0132-03

从目前社会对科技人才的需求趋势来看,培养应用型本科人才是地方高校的首要任务。应用型本科人才的主要特征是“具有较强的实践动手能力,能够创造性地运用专业知识和技能解决实际问题”。近年来,各高校围绕“应用型人才培养”这一研究方向进行了大量的改革和创新研究,在人才培养模式方面形成了共识,在专业层面上对专业目标、专业培养方案等有了较为成熟的研究成果。然而这些认识和方案仅仅停留在宏观层面上,并没有很好地落实到各门课程及教学环节这一微观层面上,微观和宏观之间存在严重的脱节现象。课程是高校构建人才培养体系的基本单元,也是人才培养过程的基本载体,因此,配合人才培养目标,深化改革和建设专业课程和专业基础课程是一线教师的首要任务。

1 应用型本科模拟电子技术课程的教学现状及存在问题

模拟电子技术是电气和电子信息类本科专业的主干专业基础课程,从教指委指定的教学大纲、现有教材以及本校的课堂教学中,发现存在如下问题。

1)教学大纲沿用普通本科的教学大纲,主体内容基本上没有变动,只是删减了部分内容和学时。教材大多秉承传统的结构体系,重视知识的科学性和系统性,但内容相对陈旧、知识面窄,对应用和实践重视不够。

2)教学方法单一,学生缺乏学习主动性,教学手段有待改善。

3)大部分实验只是在实验箱上进行验证性实验,学生的动手实践能力和创新能力没有得到充分的培养和锻炼。

4)考核方式一直采用期末闭卷考试,缺乏有效的过程性评价。

针对以上问题,课题组成员通过开展调研、广泛交流与集中讨论后,在教学内容、教学方法与手段、实践环节以及考核评价体系等方面制定了具体的改革措施,并在本校2012—2013年度第一学期的应用型本科模拟电子技术课程中试行,取得了良好的教学效果。

2 教学内容改革

构建模块化教学内容体系 传统的模拟电子技术课程一般是按章节编排教学内容。由于该课程的知识点很多,学生往往会因为大量的概念、器件和方法,半途生出厌学心理,学习效果不佳。如果把课程内容划分为若干相对独立的模块,并将理论与实践有机融合,分段学习分段考核,可以帮助学生“化整为零”“逐个击破”,从而改善教学效果。

根据课程的特点及内在联系,将教学内容划分为六大模块:“课程导学”“常用半导体器件”“基本放大电路及其分析设计方法”“放大电路的频率响应与负反馈技术”“通用集成运放及其应用”以及“实用模拟电子系统”。课程的模块化教学内容体系如图1所示。

基础模块涉及半导体器件和基本单元电路,通过基础模块的学习使学生掌握模拟电子技术中的基本概念、基本电路、基本分析方法和设计方法。应用模块涉及通用集成运放、实际工程系统中常见的功能电路以及负反馈技术的应用,通过应用模块的学习,使学生掌握通用集成运放的应用,了解一些实用模拟电子系统的工作原理以及分析、设计方法,重点培养学生的实际应用能力和工程实践能力。

突出集成与应用调整教学内容 现代电子技术发展非常迅速,新工艺、新器件和设计软件不断推陈出新,与之密切相关的模拟电子技术课程需要调整和更新教学内容,以保证教学内容的先进性和实用性。

目前,金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)已经取代双极型晶体管(BJT)成为现代半导体集成电路的主流。为适应这一发展趋势,应该扩充MOSFET电路的内容和篇幅,适当删减BJT电路的内容,增加由MOSFET组成的电流源电路、有源负载放大电路、集成运算放大电路、功率放大电路等,并在教学实施过程中侧重MOSFET电路的分析与设计。

与分立元件电路相比,集成器件优点突出,实际应用也主要是模拟集成器件(如集成运放、集成功放、集成三端稳压器、锁相环等)。因此,增加常用模拟集成器件的芯片介绍、使用方法、参数测试和典型应用电路。

现有的《模拟电子技术教材》偏重电路的分析,较少涉及电路的设计,课后习题也基本上没有设计类的题型。相对电路的分析而言,电路的设计需要考虑更多工程因素,有利于培养学生的实际应用能力、工程意识和创新意识。为此,结合实用的家电产品、测控系统和通信系统,增加一些测量放大器、音频放大器、视频放大器、滤波器、直流电源等电路的设计实例,在课后习题中增加适量的设计类题目,同时删去一些重复较多、应用性不强的分析类题目。

3 教学方法与教学手段改革

转变教学观念,以学生为中心,注重能力的培养 教学观念对教师具有导向作用,是确定教学目标、教学方法、教学手段和评价机制的基本指导思想,改革课堂教学首先要树立正确的教学观念。

传统的应试教学模式强调教师的主导作用而忽视学生的主体作用,注重知识的传授而轻视能力的培养。学生被动地接受知识,学习缺乏主动性,学习兴趣不高,造成到课率低下、学习效果差和“高分低能”的局面。另外,由于模拟电子技术课程的实践性很强,因此教师在教学观念上要实现三个转变,即从“以教师为中心”转变为“以学生为中心”,变“知识本位”为“能力本位”,从“偏重基础理论”转变为“理论与实践并重”,注重培养学生的综合能力。

融合多种教学方法,注重学思结合 一直以来,模拟电子技术课程的课堂教学大多采用单一的“讲授式”教学方法。“讲授式”教学在传授知识方面具有经济、简捷和高效的优点,可以帮助学生在短时间内获取大量的系统的知识。其缺点是学生以“听讲”代替“思考”,被动获取知识,知识掌握不牢固,不能很好地加以迁移应用。同时“讲授式”教学容易使学生对教师产生依赖心理,抑制了学生学习的独立性、主动性和创造性。

从现有的教学条件以及学生的适应基础出发,完全摒弃“讲授式”教学是不现实的,解决问题的办法是“以讲授为基础,融合多种教学方法,注重学思结合”。教师要对教学内容进行分析,确定哪些内容适宜讲授,哪些内容适宜探究,哪些内容可以开展讨论,哪些内容需要学生参与互动等,采用多种教学方法,互相补充。例如“负反馈技术”一章,可以根据其内容特点采用不同的教学方法,如表1所示。

采用先进的多元化教学手段,提升教学质量

1)将实验箱搬到讲台。在模拟电子技术的教学课堂中,教师往往只是在电路原理图上分析其工作原理、估算其性能指标……,学生对器件和硬件电路没有感性的认识,学习时容易感到空洞乏味,而碰到实际电路时束手无策,无从下手。将实验箱等硬件搬上讲台,一方面可以在视觉上刺激学生的学习兴趣,另一方面可以在课堂上即时验证理论知识,提高学生的感性认识,更对其今后的学习和设计提供帮助和参考。

2)引入现代EDA技术。Cadence是一个大型的EDA软件,它几乎可以完成电子设计的方方面面,包括ASIC设计、FPGA设计和PCB板设计,是目前各高校以及大公司进行IC设计的主流产品。将Cadence引入课堂教学,不仅可以进行电路设计和前端仿真,而且尽早接触和使用这个软件能够帮助电子信息类的学生尽快适应后续课程的学习、毕业设计乃至就业后的工作岗位。

3)利用网络平台延伸课堂教学。为了有效减轻课时缩减带来的教学压力,同时满足不同层次学生的学习需求,自主开发建设了模拟电子技术网络教学平台。该平台为学生提供了课程标准、优质的多媒体教学课件和电子教案、优秀教师的教学录像、形象的教学动画库、实用的电路图库等丰富的教学资源,建立了基于EDA软件的“虚拟实验室”和“在线考评系统”,为学生有效地进行学习、探究和自我检查搭建了良好的平台。

4 实践环节改革

实践环节是模拟电子技术课程的重要组成部分,对培养学生的实践动手能力和创造能力非常重要。

首先,为避免理论与实践相脱节,打破以往实验教师与理论教师不相往来的局面,要求实验教师和理论教师互相参与到对方课堂,每个学期至少要开展两次研讨会,并且共同设置实验项目和安排实验时间,使理论与实践真正实现相辅相成、互相促进。

其次,分4个层次来设置实验项目,分别为实践技能层、基础提高层、综合设计层、创新研学层。其中前两类主要是验证性的实验,要求学生在课内完成;综合设计类项目由教师指定题目,个人利用课余时间完成;创新研学类项目由教师命题(或学生自主选题),学生自由组合形成团队,在开放实验室和大学生创新基地利用课外时间完成。这种分层实验模式适合不同层次学生的实践能力培养,可以有效激发学生的团队协作精神,同时便于及时发现和培养大学生科技创新梯队。

5 考核评价体系改革

长期以来,模拟电子技术课程的理论课都是采用“平时成绩(30%)+期末考试成绩(70%)”的综合评价方法,平时成绩主要根据学生的课外作业和课堂出勤情况来评定,期末考试一般是采用闭卷考试。这种考核评价方式虽然简单易行,但由于作业抄袭现象严重,不能如实反映学生的平时学习情况;而且仅靠两个小时的闭卷考试,也很难全面考核学生的知识水平和能力。

根据现有的教学条件和课程特点,对考核评价体系做了如下改革。

1)配合各个教学模块,实行阶段性测试和分段考核。每学完一个模块进行一次阶段性测试,测试成绩形成平时成绩;分两段进行考核,基础模块学完进行期中考核,期末则考核应用模块,期中和期末考核采用“半开卷”考试。成绩构成为:平时成绩(20%)+期中考核成绩(40%)+期末考核成绩(40%)。

2)考核内容增加设计性题型和实验题型,注重考查学生的综合应用能力和实践能力。

3)鼓励学生参加各种级别的电子设计类竞赛,获奖者其平时成绩可获满分。

新的考核评价体系体现了考核的全面性、过程性和开放性,强化学生综合应用能力和实践能力的考查,改变了以往存在的“会考不会做”的“高分低能”现象。

6 结束语

本文立足于应用型本科人才的培养目标,深入教学一线,对模拟电子技术课程的各个教学环节进行了认真的梳理和分析。在此基础上,重新整合教学内容,构建了模块化课程内容体系,改进了教学方法和教学手段,科学设置实践环节并且建立了新的考核评价体系。实践表明,这些改革措施切实提高了学生主动学习的积极性,有效促进了学生应用能力和实践动手能力的培养,达到了提高教学质量的目的。

参考文献

[1]黄光扬.自主学习型教材:高校教材革新一种国际趋势[J].中国教育报,2012-09-27.

[2]刘微,苗壮.应用型本科院校《模拟电子技术》教学改革探索[J].赤峰学院学报:科学教育版,2011(7):196-197.

[3]张春艳,杨光.基于CDIO理念电工电子课程体系的研究[J].科技创新导报,2010(1):169.

[4]晏菁.模拟电子技术课程在高校教学中的改革与思考[J].中国成人教育,2008(6):174-175.

[5]吴晓义,唐晓鸣.应用型本科高校的发展定位、指导思想与校本特色[J].高教探索,2008(4):75-79.

模拟电路课程设计范文5

关键词:虚实结合;数模混合电路;课程设计;PSpice

作者简介:周伟林(1972-),男,湖南东安人,湖南商学院计算机与信息工程学院,副教授;何静(1972-),女,湖北随州人,湖南商学院计算机与信息工程学院,讲师。(湖南 长沙 410205)

中图分类号:G642.41 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)23-0064-02

模拟和数字电子技术是电类专业重要的专业基础课程,担负着各专业课程的承上启下作用。数模混合电路课程设计是电子信息工程专业的首次课程设计,具有十分重要的意义。[1]学生通过综合运用已学模拟和数字电子技术知识,实现功能相对完整的系统设计、安装和调试,从而加深对已学知识的理解和掌握,增强工程意识,提高学生运用理论知识解决实际问题的能力。在传统的数模混合课程设计模式中,学生完成理论设计后便直接进入实物的安装和调试环节。这种模式往往存在电路参数计算繁琐、设计方案不易修改、缺乏灵活性和创新性等弊端,大大拉长了设计周期,降低了设计效率。近年来,随着计算机辅助设计技术的发展,多款用于数、模混合电路仿真软件相继问世,许多基于电路仿真软件的虚拟实验平台也先后被提出。[2]本文将当今流行的电路仿真软件PSpice与数模混合课程设计实践环节相结合,构建了基于PSpice虚实结合数模混合课程设计教学模式,在多年的数模混合课程设计中取得了较好效果。

一、传统的数模混合课程设计模式

在传统数模混合课程设计模式中,学生首先根据设计的功能和技术指标要求确定系统的基本框图,并进一步确定单元电路的选型和器件的参数计算。[3]在确认器件参数计算无误后,便直接进行器件的安装和通电调试,根据调试结果,修改电路和器件参数,再进行安装调试,直到调试结果满足设计要求,设计流程如图1(a)所示。如果调试结果满足设计要求,则大功告成。然而,多数情况却是调试结果达不到设计要求,或相差甚远。于是只能重返器件参数计算,修改器件参数,另选器件后重新安装调试。反复的理论分析、参数计算、频繁的器件更换和系统调试耗费大量的人力、物力,延长了设计周期,降低了设计效率。在首次课程设计中,许多学生因屡受挫折,课程设计积极性大减,工程意识培养效果大打折扣,易在后续的专业课程的学习中产生畏难情绪,甚至对专业失去信心。

二、虚实结合数模混合课程设计模式的提出

针对传统模式数模混合课程设计的不足,我们构建了基于电路设计和仿真软件的虚实结合课程设计模式,设计流程如图1(b)所示。学生首先按照所给的技术指标确定单元电路,在实物制作之前,先借助虚拟仿真平台对电路进行仿真分析,通过仿真结果学生可以判断其设计方案是否正确,若不正确则可反复修改电路及器件参数直到仿真结果满足要求。如果仿真结果满足设计要求,接下来便可以进行实物的安装和调试了。

与传统设计模式相比,虚实结合课程设计模式具有以下显著优势。

1.节约了设计时间,降低了设计成本

虚实结合课程设计模式采用电路仿真软件代替了传统模式中的反复修改电路、更换器件和安装调试这一繁琐过程,从而大大压缩了设计工作量。同时,电路修改和器件更换是在软件平台实现,因而避免了实物的消耗,降低了设计成本。

2.打消了学生害怕心理、增强了课程设计的兴趣

数模混合课程设计是电类专业首次课程设计,在这之前大多数学生只有抽象的理论知识,缺乏对电路的感性认识和实践操作经验,面对功能相对完整的电子系统安装调试,显得信心不足。而在虚实结合课程设计模式中,学生完成理论设计后并不立即进入实物的制作环节,而是先在虚拟实验平台进行仿真分析,对理论设计的正确性进行验证后,再进入实物的安装调试。因此,虚拟实验平台在抽象理论设计和实物实验之间建立了一座桥梁,起到了过渡作用,使学生克服了担心仪器设备损坏和人身安全的心理压力,可以大胆尝试,加深了对电路原理的理解,同时积累了一定实践经验,增强了下一步实物制作的信心。

3.拓宽了学生设计思路,提高了课程设计的创新性

数模混合课程设计时,教师往往要求学生提出几种预选方案,并选择一种方案予以实现。在传统设计模式中,由于受条件限制,学生只能对备选方案停留在粗略的理论论证,无法全面预见各方案的实际运行结果。由于虚拟实验平台不受实物实验条件的限制,学生可以综合运用理论知识,大胆提出创新性方案,并在软件平台上仿真验证,从而大大拓宽了学生的设计思路,增强了课程设计的灵活性和创新性。

三、基于PSpice虚实结合数模混合课程设计模式

电路仿真软件主要有PSpice、PROTEUS、EWB、MULTISIM等。其中,PSpice是一种模拟/数字电路分析软件,系由Spice发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序,它由美国MicroSim公司开发并于1984年1月首次推出。[4]由于PSpice适合于PC上使用,因此得到了广泛的应用,其版本也不断升级更新。在PSpice V4.0之前,主要是对模拟电路进行辅助分析,而在V4.0及以后的版本中,增加了对数字逻辑电路及数模混合电路的分析功能,非常适合对模拟电路和数字电路的仿真分析。

PSpice软件主要包括Schematics 电路图绘制、PSpice AD电路仿真、Model Editor器件模型编辑、Stimulus Editor信号源编辑和Probe仿真结果输出五个功能模块。可以对电路进行直流工作点和直流扫描分析、交流扫描分析、参数扫描分析、温度分析、灵敏度分析、直流传输特性分析和蒙特卡罗分析等仿真分析。[5]下面以简易锯齿波发生器设计为例,介绍基于PSpice软件虚实结合课程设计的具体实施。

设计目的和要求:要求锯齿波幅度为10V、锯齿波频率为50Hz、锯齿波上升和下降斜率可调。根据设计要求,通过查阅相关文献,确定先产生方波信号,再将方波信号进行积分得到锯齿波的设计方案,选用基于集成运放的方波信号产生电路和有源积分电路相级联形式,具体电路如图2所示。

在实物制作之前,在PSpice仿真平台上对电路进行了仿真分析,仿真结果如图3所示。结果表明,输出锯齿波信号幅度决定于电阻R1和R2的取值;而锯齿波的频率则决定于R1、R2、W1、W2和C1的值;在保持W1+W2不变的情况下,改变W1和W2的取值,可改变方波的占空比,从而实现锯齿波上升和下降斜率变化。

经过反复修改关键器件的参数后仿真分析,得到满足要求的锯齿波输出,确定了关键器件的参数为R1=5k、R2=10k、C1=0.4uf。同时,保持W1+W2=10k,改变W1和W2的比值可以得到不同的锯齿波斜率,实际应用中只要用一个10k的电位器代替W1和W2就可方便地调节锯齿波斜率。确定了器件参数后,下一步就可以进行实物的安装调试。由于前期的仿真分析已经得到了正确的电原理图和合适的器件参数,因而后期的实物制作过程就非常顺利了。

四、虚实结合模式中实物实验平台的主体地位

虚实结合模式中实物实验平台的主体地位是绝不能动摇的。首先,数模混合课程设计的目的除了加深学生对已学模拟和数字电子技术理论知识的理解,更重要的是要培养学生的实践动手能力,积累实践经验和掌握实验研究方法,探索和发现人类未知的规律。其次,在实物安装调试过程中可能出现某些异常现象和故障,这些现象和故障不可能在虚拟仿真中一一反映出来,[6]比如上例中由于运放的输入失调引起积分漂移现象,仪器在调试中所表现出的异常现象,电路中的虚焊、开路和短路等故障,这些现象和故障可以培养学生发现、分析和解决实际问题的能力。所以说虚拟仿真不能代替实物操作,就像计算机不能完全代替人一样。虚实结合模式中,“虚”是手段,“实”是目的,实物制作永远是“虚实结合”课程设计模式中最重要的环节。

五、结束语

发挥传统课程设计模式优势的同时引进现代化的计算机辅助设计方法,将虚拟仿真验证和实物制作同时并举,虚实结合,既能适应现代电子设计的发展要求,又能培养、提高学生的实践技能,以满足实际应用的需要,同时还有助于促进学生认识、理解和巩固所学知识,提高创新意识和创新能力,达到全面培养学生的综合能力和素质的良好效果。

参考文献:

[1]Jinyan Cai Alam,M·S.An algorithm for dividing ambiguitysets for analog fault dictionary IEEE[J].Circuits and Systems,Aug,2008:89-92.

[2]胡荣强,等.PSPICE仿真软件及其在电力电子技术中的应用[J].电子设计自动化,2009,(3).

[3]孙峻朝,王建莹,杨孝宗.故障注入方法与工具的研究现状[J].宇航学报,2001,22(1).

[4]Pinjala,K.K.Kim,B.C.An approach for selection of testpoints for analog fault diagnosis[J].IEEE Defect and FaultTol-erance in VLSI Systems,Nov,2003:287-294.

模拟电路课程设计范文6

关键词:模拟电子技术;逆向命题;教学改革

作者简介:黄亮(1978-),男,山东临沂人,北京交通大学电子信息工程学院,讲师;侯建军(1957-),男,天津人,北京交通大学电子信息工程学院,教授。(北京 100044)

基金项目:本文系中央高校基本科研业务费专项资金(项目编号:2013JBM016)的研究成果。

中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)34-0116-02

“模拟电子技术”[1,2]课程是电气、电子等信息类专业的必修主干专业基础课,主要讲授半导体器件的基础理论以及模拟电路的设计与分析方法。由于“模拟电子技术”课程涉及的知识点较多,还要学习很多抽象的器件和电路等效模型,很多学生在学习过程中感觉非常吃力。这就要求教师和学生在“模拟电子技术”课程的教学和学习过程中注重理论与实践相结合、线性与非线性相结合、宏观与微观相结合,为后续课程打下坚实的基础。

为了提高“模拟电子技术”课程的教学质量,提高学生的工程实践能力,北京交通大学国家电工电子教学示范中心[3]展开了逆向[4]考核研究性教学方法改革,[5,6]结合课程的基础知识与重点内容,将逆向思维融入到“模拟电子技术”课程的教学与考核过程中,取得了较好的研究成果。

逆向命题是“先给答案,重在设计”的一种教学与考核方法。开展逆向考核的前提是教师已经将所需知识点对学生进行了透彻的正向讲解,鼓励学生进行自主性研究。首先由老师给出系统的性能指标,然后由学生运用已经掌握的理论知识进行方案设计。如果学生没有真正理解所学知识,就无法完成逆向命题的设计要求,这样既可以督促学生努力学习,又可以真正考查教学效果和学习效果。下面给出一个“模拟电子技术”逆向命题例子。

一、逆向思维题目

由双极型三极管和单极型场效应晶体管构成的混合多级放大电路,[7,8]由于其优良的放大能力和输入输出特性,是一种常见的模拟电路。对多级放大电路进行的静态分析和动态分析是“模拟电子技术”课程的核心内容之一,是学生必须掌握的知识点。以往的多级放大器考核题目是这样的:以分析题的形式给出电路图,让学生进行静态分析和动态分析,学生只要能够写出公式或计算电路参数就认为学生掌握了这部分知识。常规命题方法导致学生不能真正掌握晶体管的使用方法与放大电路的设计方法,真正进行工程设计时,不知道怎么搭建电路结构和选择元器件型号。

采用逆向思维对晶体管多级放大电路进行教学和考核的例题如下:设计一个低频小信号两级放大电路,要求由一个增强型N沟道MOS管(gm=1mS,Uth,on=2V)和一个NPN型硅三极管(β=100,rbb’=300Ω)构成;晶体管工作在共源或共射组态;级间采用电容耦合;ri’≈1MΩ,ro’≈1kΩ,Au≈40dB。要求学生设计电路图,给出在电路图中所有电阻的电阻值,并画出设计电路的微变等效电路。

二、系统设计

题目要求分别使用MOS管和三极管两种晶体管,但是题目中并没有说明将哪种晶体管作为第一级,哪种晶体管作为第二级,这就要求学生综合学过的知识进行深入思考,然后进行系统框架设计,再进行具体的电路设计,最后计算设计电路的性能参数,从而实现题目中关于输入电阻、输出电阻和电压增益的要求。

题目要求输入电阻为1MΩ,输出电阻为1kΩ。放大电路的输入电阻大、输出电阻小在实际工程中有很多好处。输入电阻大可以减小放大电路由前级电路或信号源索取的电流,对提高电路的放大能力、降低功耗都有好处。输出电阻小可以提高放大电路的带负载能力,提高了放大电路的输出功率和效率;输出电阻小同时能够加速对后级容性负载的充放电速度,有利于提高放大电路的工作速率。

使用晶体管设计放大电路时,如果采用场效应晶体管共源放大电路作为输入级,可以最大程度地提高输入电阻。例如采用MOSFET晶体管的栅极作为输入端时,理论上绝缘栅的输入电阻为无穷大,实际栅极输入电阻也可达到1012Ω以上。通过设计合适的外接偏置电阻,可以实现的题目中ri’≈1MΩ的要求。

第二级采用三极管共射放大电路,具有较高的电压增益和电流增益。考虑外接偏置电阻,可以实现题目中ro’≈1kΩ的要求。

三、单级放大电路的设计

1.第一级放大电路的设计

因为增强型N沟道MOSFET晶体管不存在原始导电沟道,栅源电压UGS需要高于阈值电压Uth,on才能导通,所以第一级放大电路需要连接正确的外加偏置电路。选取的MOS放大电路结构如图1所示。

图1的MOSFET晶体管工作在共源组态,栅源电压为:

栅源电压满足增强型N沟道MOSFET晶体管的导通条件,保证了第一级放大电路能够正常工作。

2.第二级放大电路的设计

在设计第二级放大电路的外接偏置电路时,需要满足三极管发射结正偏、集电结反偏的基本放大条件,这就需要学生仔细设计电阻的阻值,选取合适的静态工作点。为了使输出电压具有最大不失真幅度,应该使集电极电压处于电源电压和地电位的中间值,防止过早出现截止失真或饱和失真。三极管放大电路设计如图2所示。

基极电阻和集电极电阻的阻值对静态工作点的影响很大。根据图2所示电阻值,计算三极管的静态基极电流、集电极电流和集电极电压:

由以上计算可知,静态工作点满足三极管的基本放大条件。因为集电极静态电压UCQ=6.35V,电源电压UCC=12V,保证了足够的最大不失真输出电压幅度。

四、总体电路的设计与分析

为了防止两级放大电路之间静态工作点相互影响,级间耦合采用电容耦合。因为两级放大电路工作在低频小信号环境,所以对耦合电容的选取要求不高,本题选取0.1μF电解电容。学生设计的两级放大电路总体电路如图3所示。对应的h参数微变等效简化模型如图4所示。

根据图4微变等效电路,计算两级放大电路动态分析的三个重要参数输入电阻ri’、输出电阻ro和两级电压放大倍数Au:

将电压放大倍数换算为分贝,即:。

经过计算,所设计的两级放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻参数完全满足题目要求。

五、结束语

在“模拟电子技术”的教学与考核过程中,分析电路和设计电路对学生能力的要求是完全不同的。“重分析,轻设计”的传统教学与命题模式导致学生在进行电路系统的设计与制作时缺乏解决实际问题的能力。为了提高“模拟电子技术”课程的教学质量,提高学生的工程素质,本文结合一个逆向命题实例,将逆向思维融入到课程基础知识与重点内容的教学与考核中。学生只有具备了扎实的理论基础和工程经验,才能设计出高性能的实用电路,实现教师的逆向命题要求。通过开展逆向命题教学方法,激发了学生的学习兴趣,提高了考题的甄别能力,在巩固已经掌握的理论知识的基础上拓展了学生的实践能力,取得了较好的研究成果。

参考文献:

[1]王鲁杨,王禾兴.提高“模拟电子技术”课程教学效果的实践[J].中国电力教育,2012,(11):38-39,43.

[2]李战胜.“模拟电子技术基础”教学质量的探索[J].中国电力教育,2012,(13):43,57-58.

[3]刘颖,侯建军,黄亮.“电子技术课程设计”精品课程建设与改革实践[J].电气电子教学学报,2008,30(2):3-4,7.

[4]徐春梅,李莉,沈洪斌,等.逆向思维教学法在“应用光学”课程教学中的应用[J].中国电力教育,2009,(13):64-65.

[5]曾静,曹顺.“模拟电子技术”课程教学改革探索[J].中国电力教育,2012,(27):77-78.

[6]刘浩,任立红,唐莉萍.“模拟电子技术基础”课程的研究型教学改革[J].中国电力教育,2012,(35):52-53.