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电路设计的仿真研究

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摘要:利用物理电学部分内容对电路进行研究与设计,存在概念抽象,具有难于理解的特点,应用传统的实物实验设计又存在设备纷繁,虽然直观,但存在不易把实物和原理相互统一,并存在设计效率低下的缺点。本文针对电学电路设计和研究方法存在的问题,应用计算机仿真方法对模拟和逻辑电路进行仿真方法探究。通过仿真方法,可大大降低理论的抽象性,方便把抽象的理论转化为感性认识。是一种方便快捷,能吸引学生,低成本的实验研究和设计方法。

关键词:物理电学;电路仿真;实验研究;电路设计

1概述

物理学的电学部分,通常对原理的理解依赖讲解和大量的习题为主,在实验研究和电路设计环节,使基本原理的感知降低了。甚至导致背定理背电路的设计和学习方法,无法转换为有效记忆的感性认识,也使设计者难于理解其工作本质。随着计算机技术的快速发展,计算机辅助设计已广泛应用于工程设计的各个领域。电子设计自动化(EDA)方法,就是计算机应用于电路设计和仿真的有效方法。应用计算机的软件仿真,可快速便捷地实现对电路的设计和工作特性研究,并且能使实验者在原理图上直接获取测量数据,从而得到电路的工作规则,便捷地完成对理论、定理和测量仪器、仪表的理解。

2仿真实验研究的发展与系统设计

2.1仿真实验的发展

仿真实验是指利用计算机创建可视化的实验操作环境,以可视化控件作为实验元器件、仪器和设备,通过不同的模型构建,达到与真实实验现象和结果相一致的设计要求和目的。通常以“仿真虚拟实验”或“虚拟仿真实验室”为依托。仿真理论的提出已有几十年的历史,国外有很多机构都已开展了仿真实验系统的研究与仿真平台的建设。我国国内在虚拟仿真方面的研究均取得了相应的进展。至今已批准建设的虚拟仿真实验室已有330多个,分布于全国范围内的高校中,

2.2电路系统的仿真设计步骤

进行电路系统仿真的目的是真实地模拟出电路的工作状态与参数选择方法,根据电路的功能要求完成设计,针对电路结构完成系统的仿真。一般的系统设计过程包括以下四个步骤:功能确定,首先完成电路功能的确认;电路原理设计,在这一步需要根据设计者所掌握的理论,确定电路的结构和元器件种类选择完成原理图的设计;仿真软件环境的选择,针对电路的工作特性,选择高效的而适合的仿真环境;完成仿真设计,在前三个步骤的基础上,通过仿真操作,实现对电路的功能仿真,并根据仿真所获取的参数,对电路的特性进行分析,从而确定适合设计的元器件参数和设计方案。

3电学仿真软件简介

仿真技术已成为电子工程领域进行电路分析与辅助设计的重要工具,应用电路仿真软件快速分析电路性能参数有利于设计方案的确定和参数选择,从而提高设计效率,克服传统设计方法实验研发周期长的缺点,缩短了设计周期。仿真软件种类繁多,如EWB,SPICE,Peotel,MATLAB等。其功能从简单到复杂,界面也越来越友好。Multisim是美国国家仪器(NI)公司推出的以Windows为基础的仿真软件,适用于模拟和数字电路的仿真。它具有人机界面直观友好,操作简单,仿真效果好,元器件库内容丰富,可实现数据存储等优点。适合电路的设计仿真工作。

4电路设计中的仿真应用

4.1闭合电路欧姆定律实验

应用Multisim完成伏安特性测量实验的内容仿真电路如图1所示。改变电压源的值,研究电阻两端电压与流经电阻的电流的关系。图1中,开关S2闭合时,可调电压源电压改变时,电阻R1上的电压和电流分别由电压表XMM1和电流表XMM2测得数据分析曲线如图1所示。可验证欧姆定律U=I*R。

4.2简单逻辑电路关系测定实验

Multisim软件对逻辑电路的仿真也和直观,并使实验者认识到上拉电阻的作用,如图2所示。图中为简单数字逻辑电路的仿真电路。图中S1,S2位输入开关,当闭合时,输入逻辑1,断开时输入逻辑0。U1A为与逻辑电路,通过发光二极管LED1可以看出电路的输出状态,LED亮为输出1,灭为输出0。从而得出电路的与逻辑运算关系。

5结论

以上应用Multisim软件对模拟和逻辑电路的仿真设计可以看出,应用仿真的方法进行物理电学电路的设计与原理研究,能够实现实验现象明显直观,实验数据理想,有利于实验者掌握基本理论和基本定理。准确地对电路的参数和性能进行分析,能够极大提高电路的设计效率,具有低成本,安全可靠的优势。

参考文献

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[3]魏元,李凯,丁楠.理论分析与仿真分析辅助散热结构设计的研究[J].计测技术,2017,6:13-14.

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[6]杨勇.信号通过滤波器的时延分析[J].黑龙江科技信息.2017(16).

作者:陈奕璇 单位:哈尔滨市第九中学

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