融入CDIO的模拟电子技术课程教学改革初探

尹荣荣　芦鑫　郭璇　刘浩然　张保军

[摘           要]  结合CDIO新的教育理念，进行模拟电子技术课程的创新性教学改革，提倡“做中学”的教学方法，引入Multisim仿真软件，通过引导学生进行观察、思考、设计、分析，改进新的课堂学习模式，加强课堂理论教学和实践教学的结合，培养学生分析问题、解决问题的能力，使学生形成更接近工程实际的学习经验。

[关    键   词]  模拟电子技术;CDIO教育理念;Multisim仿真;教学实践

[中图分类号]  G712                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2019）22-0022-02

一、CDIO教育理念

CDIO是由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所高校创立的工程教育模式，让学生以主动的、实践的方式学习，获取工程能力。融入CDIO的模拟电子技术课程教学，就是在教学活动中采用丰富的教学手段、更新教学模式和学习环境，使课程理论教学和实践教学有机结合起来，相互补充，尽可能地为学生提供接近工程实际的学习经验[1]。

二、在教学中应用Multisim仿真的优势

讲解式课堂教学主要体现知识的系统阐述，更多体现的是记忆、理解层面的知识;而实验过程强调知识的运用，是将知识内化为自己能力的过程。通过讲解课堂教学和实验教学，引入仿真分析环节，建立起知识和实践之间的桥梁，从易到难，让学生在做中学，逐步培养学生运用知识的能力，逐步提高学生解决系统复杂问题的能力[2]。

课堂教学中引入Multisim仿真分析环节，将架起从知识到实践的桥梁。没有仿真分析，一方面授课过程仅以理论知识讲授为主，学生缺乏对知识点的深刻理解;另一方面会导致从理论教学直接进入实践和实验教学时，学生难以接受，效果不佳。Multisim仿真软件提供了丰富的电路元器件库和常用的测试仪表，具有强大的电路测试、仿真分析能力，其元件和仪器仪表与实际情况非常接近，可以使很多繁杂、抽象的东西具体化、生动化，帮助学生更快、更好地掌握理论和实验教学内容，有利于培养学生的工程综合能力和创新能力[3]。

三、运用Multisim仿真的教学展示

明确学生在经过Multisim仿真分析阶段的学习后能够达到的教学目标，即熟悉仿真软件中模拟电路的系统搭建过程，通过借助仿真软件加深理解模拟电路的分析过程，掌握模拟电路系统的设计准则，具备深入分析、设计和优化复杂模拟电路的能力，据此设计相应的教学内容。下面以“工作点稳定电路”这节课的教学内容为例，展示引入Multisim仿真分析的课堂教学过程。

（一）问题引出

静态工作点Q（IB，IC，VCE）过高或过低都会导致电路产生失真，还影响着几乎所有的动态参数。根据Multisim软件中课前画好的单管共射放大电路的仿真图（如图1所示），通过调整电阻Rb的取值，即基极电流IB≈、集电极电流Ic=βIB、三极管集电极和发射极间电压VCE=VCC-IcRc改变，学生能够通过观察输入输出波形，对饱和失真和截止失真现象有直观认识。图2给出了在减小Rb取值下的饱和失真现象仿真结果图，反之，若增大Rb取值则会出现截止失真现象，相应波形呈现顶部削波。

图1 单管共射放大电路仿真图

图2 饱和失真现象（Rb减小至160kΩ）

进一步向学生强调，实际应用中电源电压的波动、元件的老化以及因温度变化所引起三极管参数的变化，都会造成静态工作点Q的不稳定，而引起静态工作点不稳定的诸多因素中，温度对三极管参数的影响是最主要的。温度每升高10℃，三极管集电极和基极反向饱和电流ICBO约增加1倍;温度每升高1℃，三极管电流放大倍数β约增大0.5%～1%;温度每升高1℃，三极管发射结电压VBE约减小2mv～2.5mv。三极管的ICBO、β和VBE随温度变化时，对Q点的影响，最终都表现在使Q点集电极电流IC的增加，即所谓Q点稳定，是指温度变化时所设计电路IC维持恒定。

（二）电路分析

针对所引出工作点稳定问题的实质，给学生留出适当的思考时间，随后对学生在单管共射电路基础上提出的稳定Q点的相应措施进行归纳总结，并在Multisim软件中课堂演示对应工作点稳定电路的搭建过程，电路结果如图3所示。

图3 工作点稳定电路仿真图

图4 直流通路

结合该电路图，借助多媒体课件可理论讲解稳定Q点的原理、对Q点进行推導分析，同时进一步发挥仿真技术直观形象的优点，通过Multisim仿真软件的电路波形动态测试过程，显示射极电阻Re在稳定静态工作点的同时对电路动态性能带来的相应影响。

1.稳定原理

工作点稳定电路的直流通路，如图4所示。为了稳定Q点，通常I1>>IBQ，即I1≈I2，因此UBQ≈VCC基本不随温度变化。

而IEQ=，设UBEQ=UBE+ΔUBE，若UBQ-UBE>>ΔUBE，则

IEQ稳定，ICQ≈IEQ恒定。

为此，稳定Q点的物理过程为：T（℃）？邙→ICQ？邙→IEQ？邙→UBEQ？邬→ICQ？邬，即温度T升高，ICQ增加，由于电路中射极电阻Re的引入，通过Re转换为ΔUEQ，又因为该电路UBQ基本不变，进而影响UBEQ，使之减小。可见，Re在电路中起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。

2.Q点分析

根据直流通路图，进一步对其静态工作点Q（IB，IC，VCE）的取值进行推导分析，

IEQ=≈ICQ，IBQ=，UCEQ=VCC-ICQRc-IEQRe。

3.动态性能

根据已建立的基础知识，稳定Q点的原理和对Q点的分析可知，相对于单管共射电路，Re接入电路带来了稳定Q点的好处，那么它对电路的动态性能会产生影响吗？为了引导学生进一步分析该问题，采用Multisim仿真方式，从图3可知，在旁路电容Ce接入和移除电路两种模式下，该电路的直流通路均不会发生改变，都具备稳定静态工作点Q的优秀特性，但旁路电容Ce接入模式下，电路交流分析时Re出现短接，即该电路交流通路与单管共射电路相类似，其动态性能无Re的影响;但旁路电容Ce移除模式下，电路交流分析时Re全部接入电路，此时是否会带来电路动态性能的变化，借助Multisim中的示波器，首先向学生直观显示上述两种模式下该电路电压放大倍数的幅值变化曲线仿真结果。

根据图3工作点稳定电路中示波器XSC1的连接方式，A通道接电路输入电压，B通道接电路输出电压，结合幅值变化曲线仿真结果可知，相比交流分析中Re短接方式，在Re全部接入电路后，电路输出电压幅值减小了，另外观察仿真结果中的B通道刻度，分别为200 mv/div和20 mv/div，可得出电路输出信号电压幅值减小了10倍多。可见，Re接入电路，虽然带来了稳定静态工作点Q的好处，但却使电压放大倍数下降了，而且Re越大，下降就越多。

根据仿真结果，进一步要求学生再用理论求解的方法，对比分析在旁路电容Ce接入和移除电路两种模式下，图3所示工作点稳定电路的动态参数变化情况，如电压放大倍数（Ce）=-和A=-、输入电阻Ri（Ce）=Rb1∥Rb2∥rbe和Ri=Rb1∥Rb2∥[rbe+（1+β）Re]、输出电阻R0（Ce）=Rc和R0=Rc，以验证仿真结果的正确性，并加深理解模拟电路的系统分析过程。

（三）讨论及改进

根据上述工作点稳定电路动态性能的仿真结果和相应的理论对比分析结果，最后引导学生对工作点稳定电路做总结讨论，可得出以下重要结论：Re的接入，以反馈方式带来了稳定Q点的好处，其值越大，Q点电流IC越稳定;但同时增加电路电压放大倍数的有效途径是减小Re，而为了增强电路对输入电压的索取能力，提高输入电阻Ri，又应增大Re。根据上述总结，为了解决Re引入对电路動态性能影响的冲突问题，进一步启发学生提出工作点稳点电路的优化设计方案，如Re的部分接入等措施、逐步形成优化设计复杂模拟电路的能力，促进学生创新精神和创新能力的培养。

四、结语

仿真软件方式的接入建立了本课程理论知识和工程实践任务的教学连接，将培养学生能力贯穿于整个课堂教学中，采用Multisim软件搭建课堂讲授电路图，让学生对理论上的器件和电路图有直观的理解，并结合多媒体、板书、现场仿真分析等多种教学方式，通过与学生讨论，引导学生主动参与课堂学习，通过观察、思考、设计、分析和改进的课堂学习模式，逐步培养学生创新精神和创新能力，使学生基本具备分析复杂模拟电路和解决复杂工程问题的能力，提高了教学质量和教学效果。

参考文献：

[1]侯勇严，陈蓓，李天利.基于混合式教学模式的《模拟电子技术基础》教学研究与实践[J].教育教学论坛，2018（33）：172-173.

[2]胡正平，顾光华，史洪印，等.从导师的视角看全日制工科研究生能力培养[J].教学研究，2018，41（2）：96-101.

[3]秦维，陈浩，何进，等.Multisim10在模拟电子技术实验教学中的应用[J].农村经济与科技，2017，28（4）：305-306.

◎编辑 赵瑞峰