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[導(dǎo)讀] 在模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)這門(mén)課中,運(yùn)算放大器及其線性應(yīng)用內(nèi)容是教學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容,如何在教學(xué)中使學(xué)生熟練掌握這些內(nèi)容是教學(xué)中必須解決的問(wèn)題。運(yùn)用EWB仿真輔助教學(xué),對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行仿真分析,并將其應(yīng)用到相關(guān)的

 在模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)這門(mén)課中,運(yùn)算放大器及其線性應(yīng)用內(nèi)容是教學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容,如何在教學(xué)中使學(xué)生熟練掌握這些內(nèi)容是教學(xué)中必須解決的問(wèn)題。運(yùn)用EWB仿真輔助教學(xué),對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行仿真分析,并將其應(yīng)用到相關(guān)的內(nèi)容教學(xué)中,有助于學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容的理解與掌握。

EWB(Electronic Workbench)軟件是InterActive Image Technologies Ltd在20世紀(jì)90年代初推出的電路仿真軟件。目前普遍使用的是EWB5.2,相對(duì)于其它EDA軟件,它是較小巧的軟件(只有16 M)。但它對(duì)模數(shù)電路的混合仿真功能卻十分強(qiáng)大,幾乎100%地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果,并且它在桌面上提供了萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器和電壓表、電流表等儀器儀表。它的界面直觀,易學(xué)易用。

1 基于EWB的運(yùn)算放大器及其線性應(yīng)用電路仿真教學(xué)

通過(guò)仿真可以生動(dòng)具體的將電路及結(jié)論展示給學(xué)生,一方面加深了學(xué)生對(duì)理論的理解,另一方面學(xué)生通過(guò)仿真軟件了解了電路的結(jié)構(gòu)和使用方法。

1.1 同相比例放大電路

電壓增益Av

根據(jù)虛短和虛斷的概念有:

(此處設(shè)問(wèn),讓學(xué)生計(jì)算出該仿真電路的電壓放大倍數(shù))

根據(jù)仿真電路圖得到,計(jì)算出同相比例放大電路的理論電壓放大倍數(shù)為:

仿真結(jié)論:

通過(guò)仿真,觀察圖2示波器:藍(lán)色為輸入信號(hào)(上面),紅色為輸出信號(hào)(下面),兩波形的幅度讀數(shù)相等,但輸入信號(hào)波形每格對(duì)應(yīng)的是200 mV,輸出波形的每格對(duì)應(yīng)的是2 V,相位相同,因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)波形電壓比為10,該結(jié)論與理論值相符合。

1.2 電壓跟隨器

特性分析:

根據(jù)虛擬短路和根據(jù)虛擬斷路:vo=vn≈vp=vi

仿真結(jié)論:

通過(guò)仿真,觀察圖4示波器:兩波形的幅度讀數(shù)相等,相位相同,因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)波形電壓比為1,該結(jié)論與理論值相符合。

1.3 反相比例放大電路

電壓增益AV

提問(wèn):“-”是什么意思? (可作為公式直接使用)

根據(jù)仿真電路圖得到,反相比例放大器,理論電壓放大倍數(shù)為-1(此處設(shè)問(wèn),讓學(xué)生計(jì)算出該仿真電路的電壓放大倍數(shù))

仿真結(jié)論:

通過(guò)仿真,觀察圖6示波器:水平軸上面為輸入信號(hào)波形,水平軸下面為輸出信號(hào),兩波形的幅度讀數(shù)相等,但輸入信號(hào)波形每格對(duì)應(yīng)的是2 V,輸出波形的每格對(duì)應(yīng)的是2 V,但相位是相反的,因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)電壓比為-1,該結(jié)論與理論值相符合。

1. 4 運(yùn)算放大器應(yīng)用實(shí)例解答及其仿真輔助教學(xué)

例圖7直流毫伏表電路,當(dāng)R2>>R3時(shí),

1)試證明Vs=(R3R1/R2)Im;

2)R1=R2=150 kW,R3=1 kW,輸入信號(hào)電壓

Vs=100 mV時(shí),通過(guò)毫伏表的最大電流Im(max)=?

解:(1)根據(jù)虛斷有Ii=0

所以I2=Is=Vs/R1

又根據(jù)虛短有Vp=Vn=0

R2和R3相當(dāng)于并聯(lián),

所以-I2R2=R3(I2-Im)

所以,當(dāng)R2>>R3時(shí),Vs=(R3R1/R2)Im

(2)代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可得Im=100μA。

仿真結(jié)論:

通過(guò)仿真,觀察虛擬示波器圖9可以讀出輸入信號(hào)為100.00 mV,輸出信號(hào)為-100.665μV,由于示波器不能直接測(cè)電流,因此只有通過(guò)將電流轉(zhuǎn)換為電壓來(lái)測(cè)量,所以仿真電路中用了一個(gè)電流控制電壓源,控制系數(shù)為1 Ω,因此,將示波器讀出來(lái)的電壓-100.665μV,轉(zhuǎn)換為電流就是-100.665μA,符號(hào)表示電流的方向從負(fù)載流出,同電路圖中標(biāo)示的方向是一致的,誤差為0.665μA,這個(gè)誤差非常小,在工程上完全可以忽略。

2 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,通過(guò)EWB對(duì)運(yùn)算放大器及其線性應(yīng)用電路的仿真教學(xué),可以將比較枯燥的理論講解和仿真實(shí)驗(yàn)巧妙的結(jié)合起來(lái),充分利用仿真技術(shù)對(duì)相應(yīng)的電路進(jìn)行仿真,可以使一些結(jié)論等內(nèi)容得到驗(yàn)證,從而加深學(xué)生對(duì)理論的理解,提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、興趣愛(ài)好及提高課堂效率;另外生動(dòng)的仿真也加深了學(xué)生對(duì)理論的理解記憶,從而實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際的結(jié)合,并且在還可以充分利用仿真這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生只需要掌握這些仿真軟件使用方法,就可解決學(xué)校辦學(xué)設(shè)備不足,可以克服實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)箱只能做固定的一些實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn),學(xué)生可以自主的任意設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,從而大大豐富拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容與手段,有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的能力及提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

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