模拟电路的设计方法范文

导语：如何才能写好一篇模拟电路的设计方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：模拟 集成电路 设计 自动化综合流程

中图分类号：TN431 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0062-02

随着超大规模集成电路设计技术及微电子技术的迅速发展，集成电路系统的规模越来越大。根据美国半导体工业协会（SIA）的预测，到2005年，微电子工艺将完全有能力生产工作频率为3.S GHz，晶体管数目达1.4亿的系统芯片。到2014年芯片将达到13.5 GHz的工作频率和43亿个晶体管的规模。集成电路在先后经历了小规模、中规模、大规模、甚大规模等历程之后，ASIC已向系统集成的方向发展，这类系统在单一芯片上集成了数字电路和模拟电路，其设计是一项非常复杂、繁重的工作，需要使用计算机辅助设计（CAD）工具以缩短设计时间，降低设计成本。

目前集成电路自动化设计的研究和开发工作主要集中在数字电路领域，产生了一些优秀的数字集成电路高级综合系统，有相当成熟的电子设计自动化（EDA）软件工具来完成高层次综合到低层次版图布局布线，出现了SYNOPSYS、CADENCE、MENTOR等国际上著名的EDA公司。相反，模拟集成电路自动化设计方法的研究远没有数字集成电路自动化设计技术成熟，模拟集成电路CAD发展还处于相当滞后的水平，而且离实用还比较遥远。目前绝大部分的模拟集成电路是由模拟集成电路设计专家手工设计完成，即采用简化的电路模型，使用仿真器对电路进行反复模拟和修正，并手工绘制其物理版图。传统手工设计方式效率极低，无法适应微电子工业的迅速发展。由于受数/模混合集成趋势的推动，模拟集成电路自动化设计方法的研究正逐渐兴起，成为集成电路设计领域的一个重要课题。工业界急需有效的模拟集成电路和数模混合电路设计的CAD工具，落后的模拟集成电路自动化设计方法和模拟CAD工具的缺乏已成为制约未来集成电路工业发展的瓶颈。

1 模拟集成电路的设计特征

为了缩短设计时间，模拟电路的设计有人提出仿效数字集成电路标准单元库的思想，建立一个模拟标准单元库，但是最终是行不通的。模拟集成电路设计比数字集成电路设计要复杂的得多，模拟集成电路设计主要特征如下。

（1）性能及结构的抽象表述困难。数字集成电路只需处理仅有0和1逻辑变量，可以很方便地抽象出不同类型的逻辑单元，并可将这些单元用于不同层次的电路设计。数字集成电路设计可以划分为六个层次：系统级、芯片级（算法级），RTL级、门级、电路级和版图级，电路这种抽象极大地促进了数字集成电路的设计过程，而模拟集成电路很难做出这类抽象。模拟集成电路的性能及结构的抽象表述相对困难是目前模拟电路自动化工具发展相对缓慢，缺乏高层次综合的一个重要原因。

（2）对干扰十分敏感。模拟信号处理过程中要求速度和精度的同时，模拟电路对器件的失配效应、信号的耦合效应、噪声和版图寄生干扰比数字集成电路要敏感得多。设计过程中必须充分考虑偏置条件、温度、工艺涨落及寄生参数对电路特性能影响，否则这些因素的存在将降低模拟电路性能，甚至会改变电路功能。与数字集成电路的版图设计不同，模拟集成电路的版图设计将不仅是关心如何获得最小的芯片面积，还必须精心设计匹配器件的对称性、细心处理连线所产生的各种寄生效应。在系统集成芯片中，公共的电源线、芯片的衬底、数字部分的开关切换将会使电源信号出现毛刺并影响模拟电路的工作，同时通过衬底祸合作用波及到模拟部分，从而降低模拟电路性能指标。

（3）性能指标繁杂。描述模拟集成电路行为的性能指标非常多，以运算放大器为例，其性能指标包括功耗、低频增益、摆率、带宽、单位增益频率、相位余度、输入输出阻抗、输入输出范围、共模信号输入范围、建立时间、电源电压抑制比、失调电压、噪声、谐波失真等数十项，而且很难给出其完整的性能指标。在给定的一组性能指标的条件下，通常可能有多个模拟电路符合性能要求，但对其每一项符合指标的电路而言，它们仅仅是在一定的范围内对个别的指标而言是最佳的，没有任何电路对所有指标在所有范围内是最佳的。

（4）建模和仿真困难。尽管模拟集成电路设计已经有了巨大的发展，但是模拟集成电路的建模和仿真仍然存在难题，这迫使设计者利用经验和直觉来分析仿真结果。模拟集成电路的设计必须充分考虑工艺水平，需要非常精确的器件模型。器件的建模和仿真过程是一个复杂的工作，只有电路知识广博和实践经验丰富的专家才能胜任这一工作。目前的模拟系统验证的主要工具是SPICE及基于SPICE的模拟器，缺乏具有高层次抽象能力的设计工具。模拟和数模混合信号电路与系统的建模和仿真是急需解决的问题，也是EDA研究的重点。VHDL-AMS已被IEEE定为标准语言，其去除了现有许多工具内建模型的限制，为模拟集成电路开拓了新的建模和仿真领域。

（5）拓扑结构层出不穷。逻辑门单元可以组成任何的数字电路，这些单元的功能单一，结构规范。模拟电路的则不是这样，没有规范的模拟单元可以重复使用。

2 模拟IC的自动化综合流程

模拟集成电路自动综合是指根据电路的性能指标，利用计算机实现从系统行为级描述到生成物理版图的设计过程。在模拟集成电路自动综合领域，从理论上讲，从行为级、结构级、功能级直至完成版图级的层次的设计思想是模拟集成电路的设计中展现出最好的前景。将由模拟集成电路自动化综合过程分为两个过程。

模拟集成电路的高层综合、物理综合。在高层综合中又可分为结构综合和电路级综合。由系统的数学或算法行为描述到生成抽象电路拓扑结构过程称为结构级综合，将确定电路具体的拓扑结构和确定器件尺寸的参数优化过程称为电路级综合。而把器件尺寸优化后的电路图映射成与工艺相关和设计规则正确的版图过程称为物理综合。模拟集成电路自动化设计流程如图1所示。

2.1 模拟集成电路高层综合

与传统手工设计模拟电路采用自下而上（Bottom-up）设计方法不同，模拟集成电路CAD平台努力面向从行为级、结构级、功能级、电路级、器件级和版图级的（Top-down）的设计方法。在模拟电路的高层综合中，首先将用户要求的电路功能、性能指标、工艺条件和版图约束条件等用数学或算法行为级的语言描述。目前应用的SPICE、MAST、SpectreHDL或者不支持行为级建模，或者是专利语言，所建模型与模拟环境紧密结合，通用性差，没有被广泛接受。IEEE于1999年3月正式公布了工业标准的数/模硬件描述语言VHDL-AMS。VHDL-1076.1标准的出现为模拟电路和混合信号设计的高层综合提供了基础和可能。VHDL一AMS是VHDL语言的扩展，重点在模拟电路和混合信号的行为级描述，最终实现模拟信号和数模混合信号的结构级描述、仿真和综合125，28]。为实现高层次的混合信号模拟，采用的办法是对现有数字HDL的扩展或创立新的语言，除VHDL.AMS以外，其它几种模拟及数/模混合信号硬件描述语言的标准还有MHDL和Verilog-AMS。

2.2 物理版图综合

高层综合之后进入物理版图综合阶段。物理综合的任务是从具有器件尺寸的电路原理图得到与工艺条件有关和设计规则正确的物理版图。由于模拟电路的功能和性能指标强烈地依赖于电路中每一个元件参数，版图寄生参数的存在将使元件参数偏离其设计值，从而影响电路的性能。需要考虑电路的二次效应对电路性能的影响，对版图进行评估以保证寄生参数、器件失配效应和信号间的祸合效应对电路特性能影响在允许的范围内。基于优化的物理版图综合在系统实现时采用代价函数表示设计知识和各种约束条件，对制造成本和合格率进行评估，使用模拟退火法来获取最佳的物理版图。基于规则的物理版图综合系统将模拟电路设计专家的设计经验抽象为一组规则，并用这些规则来指导版图的布线布局。在集成电路物理综合过程中，在保证电路性能的前提下，尽量降低芯片面积和功耗是必要的。同时应当在电路级综合进行拓扑选择和优化器件尺寸阶段对电路中各器件之间的匹配关系应用明确的要求，以此在一定的拓扑约束条件下来指导模拟集成电路的版图综合。

模拟电路设计被认为是一项知识面广，需多阶段和重复多次设计，常常要求较长时间，而且设计要运用很多的技术。在模拟电路自动综合设计中，从行为描述到最终的版图过程中，还需要用专门的CAD工具从电路版图的几何描述中提取电路信息过程。除电路的固有器件外，提取还包括由版图和芯片上互相连接所造成的寄生参数和电阻。附加的寄生成分将导致电路特性恶化，通常会带来不期望的状态转变，导致工作频率范围的缩减和速度性能的降低。因此投片制造前必须经过电路性能验证，即后模拟阶段，以保证电路的设计符合用户的性能要求。正式投片前还要进行测试和SPICE模拟，确定最终的设计是否满足用户期望的性能要求。高层综合和物理综合从不同角度阐述了模拟集成电路综合的设计任务。电路的拓扑选择和几何尺寸可以看成电路的产生方面，物理版图综合得到模拟集成电路的电路版图，可以认为电路的几何设计方面。

参考文献

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关键词:电路 创新 Multisim

中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)08(a)-0194-01

《模拟电子线路》是电类专业学生一门专业基础课,是学好专业知识的重要课程。该课程容量多,理论性、实践性都较强。同时,该课程又与实际器件、电路设计、电路应用紧密相关,对初次接触的学生来说存在一定的学习难度。所以,学生在学习的过程中容易产生畏惧心理,进而给课堂教学带来一定的难度。

如何让学生在有限的时间里深入了解并掌握模拟电子线路课程的内容,同时又能够根据所学的知识进行简单电路方面的设计,增强学生的实践动手能力,提高学生的学习兴趣,是实践教学中需要着重解决的问题。本文根据几年来的教学体会和实践,着重从增强学生的实践动手能力,提高学生的学习兴趣两个方面提出实验教学改革的几点意见。

1 实验教学内容的改革

我们在改革模拟电子线路课程实验时,对原先的内容作了一些调整。例如:首先将模拟电子线路课程实验内容从分立元件电路的验证性实验向集成电路的设计性实验过渡,对原先的分立式元件电路实验内容进行删减,增加一部分常见集成电路应用内容,让学生对集成电路的相关知识加深了解,开设集成运算放大电路应用方面的设计性实验。通过设计性实验,让学生加深对集成运算放大器功能和优点的了解。其次,现在独立的单管放大电路应用已经很少,在放大电路中更多的采用负反馈放大电路。所以,我们简化了对单管放大电路的介绍,加强了对负反馈放大电路的应用及设计的介绍。另外,由于实验课时有限,我们将原先在课内介绍仪器使用方法,改为在课外学生自学。我们事先将仪器仪表的使用方法录成视频发放给学生,学生通过课外时间在电脑上观看仪器的使用教程,然后到开放实验室去练习仪器的使用。这样,不仅学生可以掌握仪器仪表的使用方法,而且老师还可以留出更多的时间去总结学生在实验过程中遇到的问题。此外,增加了综合性、设计性实验比重,以扩展学生的动手能力和创新能力。

实践证明,通过上述改革,加强了学生对最新知识的了解,同时又能够不断提高学生的综合应用能力和创新能力。

2 实验教学方法的改革

当前,模拟电子线路的实验教学手段主要是模拟电子试验箱,学生按照实验指导书的要求在模拟试验箱上进行电路连接,最后按要求测试相关数据并记录。整个实验过程留给学生自己思考如何设计电路,如何选择电路的参数时间太少,这样的实验教学效果达不到预期目的。

为让学生自己思考如何设计电路,如何对电路的参数进行设置,达到强化学生的实践动手能力,我们结合实际产品研发流程,对实验教学方法进行改革,将现在流行的Multisim仿真软件引入到实验教学中来。Multisim软件是一款专门用于电子线路仿真和设计的EDA工具软件,一方面,采用其提供的理想模型库,可以让学生掌握电路设计的方法和步骤同时还可以使学生清楚了解模拟电子线路中典型电路的工作原理,另一方面利用清晰明了的仿真环境使学生加深对基本概念的理解和记忆。学生在熟练掌握Multisim软件后可以使用多种测试工具对实验任务进行多方面的验证,充分记录数据并做好预习报告。在测试过程中,学生了解了电路各个部分元件的作用以及改变该元件会对电路造成哪种影响。从而在做电路实物时能够做到有的放矢。

3 实验教学改革实施过程

为达到实验教学改革的效果,在实验前,我们要求学生对实验内容进行预习,根据实验内容在Multisim软件上仿真出电路的各项参数,并写出预习报告。学生在进入实验时,根据预习报告,用实验室提供的实验器材对实验电路进行安装和调试。对实验过程中存在的实验故障,指导老师要积极引导学生去发现问题并找出解决问题的方法。在实验结束后指导教师对学生存在的普遍问题进行分析和总结。在这个过程中,指导教师主要是强化对学生的应用能力和创新能力进行培养,鼓励和引导学生对扩展实验项目进行探索,提倡学生用不同的方法和思路完成实验任务,从而增强学生的创新意识。

每次实验结束后,要求学生在预习报告的基础上写一份实验报告,对在实验过程中记录的数据进行分析和总结,对实验过程中遇到的困难和问题进行详细的分析,并记录造成问题的原因和解决问题的方法。最后,对本次实验写一段简短的小结。

4 实验成绩考核

实验考核分为三个方面。第一,课前的预习情况,根据预习报告的情况进行评分约占总成绩的30%;第二,实验过程中的表现,根据实验过程中完成实验的质量和速度,以及在原有实验的基础上对实验内容进行拓展给予相应分数,其中对电路进行拓展部分作为该阶段考核的重点,课堂成绩约占总成绩的40%;第三,实验结束后能够对实验数据进行分析和总结最后得出结论,对实验过程中遇到的问题进行总结,分析造成问题的原因和解决问题的方法。将上述内容写进实验报告并提出个人观点和感受,成绩约占总成绩的30%。

5 项目成果应用情况及效果

该教学改革已在我校2009级、2010级电子信息工程专业共4个班实施,教学改革情况良好,学生评价较高。现将教学改革前后情况对比如下。

改革前,实验课堂上实验教师将大量时间和精力放在对实验仪器的使用、电路的工作原理、实验注意事项和实验操作步骤的介绍上。没有将重点放在对学生实践的引导上,没有充分调动学生的创新意识和兴趣。学生在课堂上为了尽快完成实验任务,将全部精力和时间放在电路的连线和测量上,没有认真思考电路的工作原理。总的来说实验教学没有完全达到实验预期目的。没有能够在实践的过程中培养学生的创新意识。

改革后,实验开始前指导老师对实验基本要求和注意事项进行介绍,学生按照预习报告和实验指导书的要求对实验电路进行安装和调试,对各项参数进行测量。整个实验过程学生不但快速的完成了既定的实验任务而且还完成一些扩展性实验。学生非常直观的感受到模拟电路的设计过程和电路的作用,增强了学生对模拟电子线路的学习热情。同时,间接性的引导学生养成正确的电路设计习惯,为后续课程的学习打下了良好的基础。

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关键词：电路系统 接地技术 研究

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0035-01

保持接地平面的低阻抗和大面积，是目前所有的电路设计中的必要条件。接地平面除了是高频电流的低阻返回路径外，还能够将EMI/RFI辐射降到最低。另外，接地平面具备的屏蔽作用能够降低电路对外部EMI/RFI的敏感度。接地技术的引进，是保护电力和电子系统不受雷击等因素影响而采取的保护措施，其目的就是保护电路使用的有效性，减少对电路设计造成的影响。

1 接地方法之多卡板系统接地

利用另外一块PCB作为背板对卡板之间进行连接，来提供一个连续的地平面到母板，是在多个板卡的系统里能够将接地阻抗降到最低的最好办法之一[1]。PCB的连接器上的引脚应该在背板母板上连接到地平面，其中用于接地的引脚不低于总数的30%～40%。在完整的系统接地构架里面，存在两种可能，一种是通过一定数量的引脚将背板接地平面和机壳地面之间进行连接；另一种是将接地地面与一个单一系统的“星形地”的接点进行连接。

以上提到的第一种方法经常使用在频率很高和返回电流相对恒定的地方，PCB板卡背板与机壳连接间可能出现问题的关键是与金属机壳之间连接的良好程度，所以在连接时需要使用金属自攻螺钉或者将垫圈夹紧。由于经过阳极化处理后的铝板表面发挥绝缘体的作用，所以在使用这样的铝板作为地板材料时要特别注意它的绝缘作用对电路的影响。第二种方法经常使用在含有大量数字电路的高速体统中。通常情况下，模拟器件和数字器件有各自独立的地平面，这是为了将敏感的模拟器件和噪声的数字器件进行物理隔离。当PCB 上同时存在模拟电路和数字电路时，就需要使用两个独立的地平面。为了将两者之间的电容耦合降低，要注意将地平面相互分开，不能覆盖在一起。相互分离的模拟地平面和数字地平面连接在背板上时，既可以使用母板地平面，也可以使用“接地屏”，即由连接器之间引脚之间等一系列相互的连线组成的平面。

2 接地方法之混合信号系统接地

模拟地是敏感模拟器件参考和去耦的根据，其他混合信号集成电路比如ADC和DAC也应该根据模拟器件进行考虑，在模拟地平面上接地和去耦。由于一个转化器上同时存在模拟接口和数字接口，所以经常会出现一些互相矛盾的情况。不管是ADC还是DAC，其电路内部同时存在模拟电路和数字电路，所以它们的接地脚一般情况下是分开的，这样做的目的是为了避免数字信号耦合到模拟电路中。然而，电路设计者通常不可能做到去除芯片上的焊盘到封装引脚之间的的电感和电阻。如果迅速改变数字电流在某点产生的电压，数字信号通常就会通过寄生电容耦合到模拟电路中。除此之外，在集成电路封装的每一个引脚之间都存在0.2pF左右的寄生电容，并且集成电路设计人员在考虑芯片的使用性能时并不把引脚的问题包含在考虑之中[2]。由此可见，数字信号很难不耦合到模拟电路当中。因此为了阻止耦合的深化，应该用最小的引线长度在外部将AGND和DGND脚连在一起，再与模拟地平面连接。在进行DGND连接的过程中，所有的外部抗阻都会造成数字噪点，然后通过寄生电容在模拟电路中耦合数字信号。集成电路的“DGND”脚应该与IC的数字地进行连接，但是并不是说这些脚连接的地方必须是系统的数字地。

3 接地方法之取样时钟电路接地

在设计取样时钟电路时，相位噪声是系统信噪比（SNR）退化的关键因素。ADC的时钟取样使用的是低相位晶体振荡器，由于取样时钟通过抖动对输入信号进行调制，因此增加了失真和噪声基地。应该将取样时钟发生器与产生噪声的数字电路进行隔离，并且在模拟地平面上接地和退耦。

在分离接地系统中，最理想的状态是把取样时钟发生器参考到模拟地平面上，但是系统在系统的限制下，这样理想的情况并不常有。通常在大多数情况下，由频率更高的多用途系统时钟驱动取样时钟，并且这个系统时钟产生于数字接地平面。如果该系统从原来的数字地平面到模拟地平能够到达ADC，在两个平面上产生噪声就会全部加到这个时钟上，进而产生大量的抖动，抖动作用在信噪比上，使其降低，最终产生谐波，造成一定的不良影响。出现此类情况时，通常使用一个小型RF变压器或者一对高速差动驱动器和接收器对取样时钟信号进行传播输送。为了将相位抖动减少，应采用ECL电路下的驱动器和接收器。另外，原主要的系统时钟必须产生于一个低相噪晶体振荡器。

4 接地方法之PCB接地

为了减小串联电感，在设计PCB布线时集成电路全部的引脚都应该在接地平面上焊接。与此同时，电源引脚上应采用低电感的瓷介表面安装电容器。如果安装电容器使用的是通孔，那么它们的引线长度必须在1 mm之内。接地平面能够对PCB布线的阻抗进行控制，进而使高频信号通过布线的抗阻进行端接，将反射降到最低[3]。另外，接地平面必须是PCB系统中一个完整结构中的一层。一个双平面的一面作为地另一面用来连接导线，这是最理想的状态。而在实际中，往往不可能出现这样的理想情况，由于必须去掉某些接地平面作为信号和电源跨接和传输的通路，但是并不是去掉所有的平面，保留的面积至少不低于75%。为了保证电流能够顺利返回通路到接地平面上，在完成初始布线后，应对接地层仔细检查，确保不存在起隔离作用的地“岛”造成电路的不良影响。

5 结语

总之，影响电路性能的最不利因素之一就是接地方式的是否合理，所以提高电路的使用性能必须首先优化接地方式并合理接地。以上几种典型接地方式，能够有效减少电路中经常出现的不良情况，如故障和元器件损坏等等，将电路系统接地设计的重要作用在整个电路设计中完全发挥出来。

参考文献

[1] 肖中南.大型建筑中强弱电系统的接地问题[J].黑龙江科技信息，2014（11）：179-180.

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随着经济的增长，人们对能源的需求逐渐扩大。目前常规能源中的石油、天然气、煤炭等已经不能满足人们日益增长的能源需要，因此必须利用和开发再生能源，太阳能作为一种不会枯竭的清洁能源得到很多国家的重视。

对太阳能的利用主要通过光电转换、光热转换和光化学转换三种途径，其中光电转换是太阳能利用中最重要的方向。并且光电转换中的光伏发电是太阳能发电的主流，光伏发电就是将太阳能直接转变成电能。光伏阵列作为光伏系统的主要组成部分，是将太阳能转换成电能的装置。目前光伏阵列由于制造成本高、效率低，占地面积较大不适合科研机构购买开展光伏系统的研究，因此，设计一个能够模拟光伏阵列在各种环境下工作的模拟器就非常必要。

太阳能光伏阵列模拟器可以模拟太阳能电池在各种光照、温度下的负载能力和系统性能，实现在线调试的完全逼真的模拟。同时利用太阳能电池阵列模拟器还可以检验出系统的配置是否合理，通过改变太阳能电磁的连接方式、连接数量从而实现最优的配置方案。总之，太阳能光伏阵列模拟器可以缩短研究周期，降低研发成本，提高研究效率。

2光伏阵列模拟器的系统结构及其工作原理

2.1光伏阵列模拟器的系统结构

光伏阵列模拟器为了完成对光伏阵列输出特性的模拟，首先应具有以下三个方面的要求。

1）当外电路负载一定时，光伏阵列模拟器在工作点上保持可靠、稳定的输出。

2）当外电路负载改变时，光伏阵列模拟器能够快速过渡到新的工作点并稳定。

3）系统的输出电压和电流在满足关系的前提下，能够满足试验需要的功率。

光伏阵列模拟器一般又两部分组成，即功率电路和控制电路。功率电路又可分为整流电路、直流变换电路和第二级的DC/DC直流变换电路。控制电路由检测电路、采样电路、滤波电路、隔离电路、驱动电路等组成。

2.2光伏阵列模拟器的工作原理

光伏阵列模拟器主要就是能够跟随负载的工作点，使模拟器在不同的负载下能够输出满足光伏阵列特性的输出特征。对于不同的负载，工作点和阵列的输出功率不同，即使是同一个负载，在不同的日照强度、不同的温度等环境条件下，静态工作点也各不相同。因此，确定光伏阵列模拟器的静态工作点是开展光伏阵列模拟器研究的关键环节。本文结合传统的光伏阵列模拟器的确定负载工作点的方法，采用硬件搭建的方式实现太阳能电池输出电压和输出电流曲线。

3光伏阵列模拟器的硬件设计及控制电路设计

光伏阵列模拟器在国内外都有研究，我国的合肥工业大学、西安交通大学、浙江大学、中科院电工所等单位都开发了基于不同工作原理的模拟器，这些模拟器实现了对光伏阵列的很好模拟。通过研究发现，这些模拟器有的制造成本较高，有的模拟效率较差，不能实现成本和效果的完美结合。本文在数字式模拟器跟踪负载工作点的基础上，提出一种使用模拟电路跟踪负载工作点的设计思路。

3.1光伏阵列模拟器的硬件设计

本文从以下几个方面详细阐述光伏阵列模拟器的硬件设计。

3.1.1功率电路的设计。

功率电路的设计是实现光伏阵列模拟器的基础，功率电路设计的结果将关系到模拟器的稳定性、可靠性，由于太阳能电池是一个非线性的特殊的直流电源，因此功率电路的设计要满足以下几个方面的要求：

1）电路稳定安全，并且要具有完善的保护电路，例如过压保护、过流保护等。

2）电路要具有很好的动态性能，能够根据不同的负载变化，尽快地达到最佳工作点。

3）主电路的输出能够在一定的范围内连续、稳定的变化。由于本文设计的光伏阵列模拟器输入电压是220 V，工作频率是38 k，输出电压范围是100 V～200 V，输出电流范围是0～7 A。在功率电路的设计中采用半桥式的电路高频变换器，EE型铁氧体材料的变压器，MOS管采用三菱公司的2SK183芯片，选择220/450 V的滤波电容，驱动电路采用安森美公司的NCP5181的半桥驱动芯片。

3.1.2太阳能电池特性产生电路的设计。

太阳能电池特性电路的设计主要考虑以下几个方面。

1）开关管开关时间的选择和优化。为了使光伏阵列模拟器能够很快地跟随负载的改变转换到新的工作点，则需要控制关开关的导通时间，整个周期时间不能太长。

2）控制驱动电路的设计。本文采用门极驱动光耦TLP250直接驱动MOSFET，为了满足本文设计中太阳能电池样品的技术参数，MOSFET选用STP75NF7芯片。

3）采样滤波及逻辑控制电路的设计。采样比较模块的工作原理是把模拟器的输出电压和特性电路的输出电压进行比较，比较器的下降沿产生控制信号，模拟器的输出电压和特性电路的输出电压相等时的输出电流作为模拟器跟随电路的参考值。

逻辑控制模块的设计是把采样得到的电压和电流作为模拟器的参考电压和电流，模拟器的实际输出作为反馈的电压和电流，由逻辑控制单元控制模拟开关。太阳能电池的开路电压和短路电流采用峰值检波电路进行检测。为了排除各种高频信号对模拟器造成的影响，采用二阶低通滤波器对输入电压采样电路进行滤波。

3.2光伏阵列模拟器控制电路的设计

根据传输信号种类的不同，DC/DC变换器可以分为稳态模型、小信号模型和大信号模型。其中小信号模型是设计DC/DC变换器的有力模型，主要用来分析低频交流小信号分量在变换器中的传递。本文通过对半桥变换器进行建模，忽略开关管的导通电阻，忽略滤波电感和变压器的漏感等影响，得到交流小信号的状态方程与输出方程。

理想的开关电源系统在低频段的稳态误差为零，在中频段，系统的相应速度和穿越频率相关，但是频率较大时超调量也越大，为了抑制高频分量，确保系统的稳定工作，需要在中频段附加一个斜率下降的频段，这样既能限制较高的穿越频率，又能降低中频段的增益。为了避免附加的频段带来相位滞后，附加的频段通常不能太长，理想的附加频段的数值是-40 dB/dec。

4结束语

随着常规能源的匮乏，目前很多国家都开始重视和开发太阳能。由于太阳能电池昂贵，再加上构成光伏阵列后体积庞大，使得科研机构开展光伏系统的研究十分困难。本文设计的光伏阵列模拟器输出功率可达1 KW，能够在一定的范围内有效模拟光伏阵列的输出特性，并且输出电压和电流稳定。因此，本文提出的方法不仅制造成本低、开发简单、使用可靠，而且模拟效果较好，做到了模拟效果和制造成本的兼顾。

参考文献

[1]董博,李永东,王奎,高志刚,孙敏.光伏电池模拟器的设计与研究[J].电源技术,2010(05).

[2]宫鑫,宋稳力.基于TMS320F28335的光伏电池模拟器设计[J].电子元器件应用,2008(03).

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关键字：模拟电子技术基础；问题导引式；器件发展史；电路演化

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）21-0204-02

模拟电子技术基础是电类专业的基础课程，以物理、数学、信号系统和电路基础等课程为先导课程，是后续射频电路、数字电路、微机原理等课程的专业基础课程。模拟电子技术课程具有内容丰富、知识跨度大、电路模型抽象、电路分析方法灵活多样等特点。诸多特点导致模拟电子技术基础是电子类本科教育课程较难以学习的课程。学生在学习过程中更易降低学习兴趣。

本文首先由分析该课程的主要特点入手，总结模拟电子技术课程教学中的具体教学困难。随后，在简要介绍问题导引式教学方法后，针对模拟电子技术基础课程，给出了进行问题导引式教学方法探索的具体内容。

一、模拟电子技术基础课程的特点与教学困难

1.课程内容丰富、知识跨度大。模拟电子技术课程涉及不同层面的知识内容[2-6]，从基本的半导体原理、典型的器件特性，到具体应用电路的分析和设计，知识内容丰富且跨度较大。例如：学习PN结的形成和特性时，需要清楚半导体中载流子的运动规律；分析三极管构成的基本放大电路时，必须掌握三极管在不同工作区域的工程近似模型；学习频率特性时又需要建立电路在高频、中频和低频区的不同的响应模型；学习运算放大器应用电路时候，需要采用运放的“黑盒”模型。从微观载流子运动到宏观的电路模型，所面临的知识跨度较大，因而造成了学生学习的困难。

2.课程的电路模型抽象且电路分析方法灵活多变。模拟电子技术所涉及的器件具有的非线性特性，诸如二极管的伏安特性、三极管的共射输入和输出特性、集成运放的传输特性等，均呈现出非线性特点。分析此类非线性器件构成的电路时，一般采用分段线性化的工程近似思想，因而器件特性被划分为不同的区域：如集成运放的线性区和限幅区；二极管的导通、截止和击穿；三级管的放大、截止和饱和等区域。针对器件不同的工作区域需要建立相应的电路等效模型以方便分析。因而，课程学习中，器件状态判断、模型应用和电路计算分析纠缠在一起，增加了学习难度。同时，不同的工程近似精度要求会导致采用的电路等效模型的变化。因此，器件的非线性特性导致同一器件的多个工程近似模型，也导致电路分析方法灵活多样，因而概念不易掌握。同时，模拟电子技术以构建电子系统、构成电子应用为目标。如何让学生从系统构建的高度，清楚每个知识点的应用领域也颇为不易。

鉴于上述特点，模拟电子技术基础课程学习难度较大，在学习过程中更易降低学习兴趣。

二、问题导引式教学方法

基于问题式的学习模式起源于20世纪50年代，是一种以问题为导向的学习模式[1]，此种教学法可充分调动学生的积极思维，提高学生的批判性思维和创造性思维。问题导引式教学方法既注重教师的教学方式，且关心学生的学习方式。此方法要求教师在授课过程中重现具体问题的提出和解决的过程，促使学生基于自主、研究，合作等方法去解决具体真实的问题，同时学习相关知识内容。

应用基于问题导引的教学方法需要解决“问题设计”和“问题解决”两个关键步骤。“问题设计”中需要明确问题提出，要求面向所需教学的知识内容，明确具体，最好有一定趣味性。“问题解决”步骤中关心解决问题的过程和方法，强调让学生通过解决问题获取知识、思维能力和成就感，从而诱发兴趣，形成进一步学习的动力。

三、模拟电子技术基础的问题导引教学方法探索

（一）回顾器件技术问题背景，引入器件，激发学生的学习兴趣

模拟电子技术基础课程的学习目标是为了构建特定功能应用电路，完成特定的信号处理的任务。各种电子器件的产生与应用，均是为了解决当时所面临的具体技术应用问题。当前应用多种电子器件均是在最初器件原型基础上升级、改进而得到的。因此，可以从技术历史材料中取材，让学生们了解器件的产生历史，最好能够在教学过程中重现具体器件所产生、改进的历史技术问题及其解决过程，激发学习兴趣。同时，通过了解器件的应用需求驱动原因、学生更易形成器件的应用观点。

在教学过程中组织教学材料时可以采用如下方法：各个教学材料包括“引导问题”、“问题相应的知识内容”和“具体实施步骤概要”。下面具体给出两个例子：

1.晶体管的教学。

引导问题：早期调幅无线电通信要求检波和信号放大设备，而电子管功耗、体积以及寿命限制其应用，要求新型的单向化和放大器件产生。

问题相应的知识点内容：PN结的特性，二极管、三极管器件特性和应用电路。

实施步骤概要：①简要回顾从二极管、三极管的产生历史，包括主要的遭遇的技术问题，而导出二极管、三极管。②指出二极管、三极管其特性的分析实际可以归结为PN结的特性，介绍PN结和器件的具体特性（伏安特性，输入输出特性等）。③从应用器件的角度，导致器件产生的技术问题也正是器件应用所要解决的问题：如二极管的整流、限幅、检波均为单向化操作，给出相应电路。三极管构成的放大电路目的是完成信号放大，给出三种放大电路并分析比较其特性。

2.集成运算放大器的教学。

引导问题：早期贝尔实验室所遭遇的电话网络中语音放大问题：变化的供电电压和环境因素引发的语音放大器工作增益漂移，导致语音音量时大时小的变化，电话服务质量下降。

问题相应的知识点：运算放大器特性，运放线性应用电路，负反馈原理的提出和理论。[2]

实施步骤：①通过对历史材料的回顾，让学生了解运算放大器产生的历史背景和应用需求驱动问题，导出运算放大器。②给出运算放大器的特性和应用电路；③生成器件的技术问题也正是器件应用所要解决的问题：介绍负反馈原理和运放的线性应用电路。

（二）强调典型电路改进的驱动问题和改进过程

模拟电子技术基础课程中的典型电路，其提出和应用均有其技术需求驱动。通过从技术需求的演进角度，讲述电路的改进的驱动问题和改进方法，强调电路之间的联系，促使学生从“死记硬背”的电路学习过程转变为面向解决技术需求问题的增量式、创新设计性学习。通过具体电路的改进与演化，提高学生对电路分析和设计方法的掌握，从而达到巩固学习知识，提高学生创新性思维能力。具体而言，如下简要地给出几个教学例子，应用时候在具体电路导出时候先指出问题，然后导出具体电路。

1.电压跟随器。

引导问题：电路分级隔离的需求。

问题相应的知识点：电压跟随器。

实施步骤：从同相比例放大器出发，通过将反馈电阻趋于零、接地电阻趋于无穷演化成为电压跟随电路，并讨论电压跟随器的应用。

2.加法器。

引导问题：信号进行加法运算需求。

问题相应的知识点：基于运放的加法器。

实施步骤：从同相、反相比例放大电路出发，通过添加多个输入信号演化为同相和反相加法器，并分析和比较两种加法器的电路特性，如输入电阻等。

3.加法器。

引导问题：信号减法实现问题。

问题相应的知识点：基于运放的减法器电路。

实施步骤：从同反相放大电路改进生成减法运算电路，并分析对比各种系数值的减法电路的构成实现。

4.差动电路。

引导问题：单晶体管共射放大电路温漂问题，提高射极耦合差动电路抑制共模干扰问题。

问题相应的知识点：差动电路构成、特性分析，应用。

实施步骤：从普通的单晶体管共射放大电路出发，为了克服温漂、抑制共模干扰演化为差动放大电路，进而改进成为采用恒流源的差动放大电路，最后，分析比较两种差动电路的特点。

四、结论

本文探索模拟电子技术基础课程的问题导引式教学方法。采用问题导引式教学框架，通过回顾器件发展技术问题、强调电路改进演化过程的技术问题，导出相应器件和电路知识。旨在以应用问题导向，帮助学生在学习过程中提高学习兴趣、培养创新思维能力并形成系统应用的观点。在实施过程中回顾器件历史应简明扼要，以避免听者因时间过长产生厌烦情绪；在强调电路演化过程时候，需由需求问题或原电路存在缺陷出发，自然引出新的改进的电路。

参考文献：

[1]李洁，周速.课堂教学中“问题引导学习”认识误区辨析[J].教育技术导刊，2007，（7）.

[2][美]科特尔，[美]曼西尼.运算放大器权威指南（第3版）[M].姚剑清，译.北京：人民邮电出版社，2010.

[3]孙肖子，谢松云，李会方.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4][美]佛朗哥（Franco S.）.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计（第3版）[M].刘树棠，朱茂林，荣玫，译.西安交通大学出版社，2009.

[5]Anant Agarwal，Jeffrey H.Lang.模拟和数字电子电路基础[M].于歆杰，朱桂萍，刘秀成，译.北京：清华大学出版社，2008.

篇6

关键词：可进化硬件遗传算法电子电路设计现场可编程门阵列

在人类的科学研究中，有不少研究成果得益于大自然的启发，例如仿生学技术。随着计算机技术和电子技术的发展，许多的科学研究越来越与生物学紧密相联。在人工智能方面，已经实现了能用计算机和电子设备模仿人类生物体的看、听、和思维等能力；另一方面，受进化论的启发，科学家们提出了基于生物学的电子电路设计技术，将进化理论的方法应用于电子电路的设计中，使得新的电子电路能像生物一样具有对环境变化的适应、免疫、自我进化及自我复制等特性,用来实现高适应、高可靠的电子系统。这类电子电路常称为可进化硬件(EHW,EvolvableHardWare)。本文主要介绍可进化硬件EHW的机理及其相关技术并根据这种机理对高可靠性电子电路的设计进行讨论。

1EHW的机理及相关技术

计算机系统所要求解决的问题日趋复杂，与此同时，计算机系统本身的结构也越来越复杂。而复杂性的提高就意味着可靠性的降低，实践经验表明，要想使如此复杂的实时系统实现零出错率几乎是不可能的，因此人们寄希望于系统的容错性能：即系统在出现错误的情况下的适应能力。对于如何同时实现系统的复杂性和可靠性，大自然给了我们近乎完美的蓝本。人体是迄今为止我们所知道的最复杂的生物系统，通过千万年基因进化，使得人体可以在某些细胞发生病变的情况下，不断地进行自我诊断，并最终自愈。因此借用这一机理，科学家们研究出可进化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可进化硬件不但同样具有自我诊断能力，能够通过自我重构消除错误，而且可以在设计要求或系统工作环境发生变化的情况下，通过自我重构来使电路适应这种变化而继续正常工作。严格地说，EHW具有两个方面的目的，一方面是把进化算法应用于电子电路的设计中；另一方面是硬件具有通过动态地、自主地重构自己实现在线适应变化的能力。前者强调的是进化算法在电子设计中可替代传统基于规范的设计方法；后者强调的是硬件的可适应机理。当然二者的区别也是很模糊的。本文主要讨论的是EHW在第一个方面的问题。

对EHW的研究主要采用了进化理论中的进化计算（EvolutionaryComputing）算法,特别是遗传算法（GA）为设计算法，在数字电路中以现场可编程门阵列（FPGA）为媒介，在模拟电路设计中以现场可编程模拟阵列（FPAA）为媒介来进行的。此外还有建立在晶体管级的现场可编程晶体管阵列（FPTA），它为同时设计数字电路和和模拟电路提供了一个可靠的平台。下面主要介绍一下遗传算法和现场可编程门阵列的相关知识，并以数字电路为例介绍可进化硬件设计方法。

1．1遗传算法

遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程的一种自适应全局优化算法，它借鉴了物种进化的思想，将欲求解问题编码，把可行解表示成字符串形式，称为染色体或个体。先通过初始化随机产生一群个体，称为种群，它们都是假设解。然后把这些假设解置于问题的“环境”中，根据适应值或某种竞争机制选择个体（适应值就是解的满意程度），使用各种遗传操作算子（包括选择，变异，交叉等等）产生下一代（下一代可以完全替代原种群，即非重叠种群；也可以部分替代原种群中一些较差的个体，即重叠种群），如此进化下去，直到满足期望的终止条件，得到问题的最优解为止。

1．2现场可编程逻辑阵列(FPGA)

现场可编程逻辑阵列是一种基于查找表(LUT,Lookupbr)结构的可在线编程的逻辑电路。它由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态，工作时需要对片内的RAM进行编程。当用户通过原理图或硬件描述语言（HDL）描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会把设计方案通过编译形成数据流，并将数据流下载至RAM中。这些RAM中的数据流决定电路的逻辑关系。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用，灌入不同的数据流就会获得不同的硬件系统，这就是可编程特性。这一特性是实现EHW的重要特性。目前在可进化电子电路的设计中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。

2进化电子电路设计架构

本节以设计高容错性的数字电路设计为例来阐述EHW的设计架构及主要设计步骤。对于通过进化理论的遗传算法来产生容错性，所设计的电路系统可以看作一个具有持续性地、实时地适应变化的硬件系统。对于电子电路来说，所谓的变化的来源很多，如硬件故障导致的错误，设计要求和规则的改变，环境的改变（各种干扰的出现）等。

从进化论的角度来看，当这些变化发生时，个体的适应度会作相应的改变。当进化进行时，个体会适应这些变化重新获得高的适应度。基于进化论的电子电路设计就是利用这种原理,通过对设计结果进行多次地进化来提高其适应变化的能力。

电子电路进化设计架构如图1所示。图中给出了电子电路的设计的两种进化，分别是内部进化和外部进化。其中内部进化是指硬件内部结构的进化，而外部进化是指软件模拟的电路的进化。这两种进化是相互独立的，当然通过外部进化得到的最终设计结果还是要由硬件结构的变化来实际体现。从图中可以看出，进化过程是一个循环往复的过程，其中是根据进化算法（遗传算法）的计算结果来进行的。整个进化设计包括以下步骤：

（1）根据设计的目的，产生初步的方案，并把初步方案用一组染色体（一组“0”和“1”表示的数据串）来表示，其中每个个体表示的是设计的一部分。染色体转化成控制数据流下载到FPGA上，用来定义FPGA的开关状态，从而确定可重构硬件内部各单元的联结，形成了初步的硬件系统。用来设计进化硬件的FPGA器件可以接受任意组合的数据流下载，而不会导致器件的损害。

（2）将设计结果与目标要求进行比较，并用某种误差表示作为描述系统适应度的衡量准则。这需要一定的检测手段和评估软件的支持。对不同的个体，根据适应度进行排序，下一代的个体将由最优的个体来产生。

（3）根据适应度再对新的个体组进行统计，并根据统计结果挑选一些个体。一

部分被选个体保持原样，另一部分个体根据遗传算法进行修改，如进行交叉和变异，而这种交叉和变异的目的是为了产生更具适应性的下一代。把新一代染色体转化成控制数据流下载到FPGA中对硬件进行进化。

（4）重复上述步骤，产生新的数代个体，直到新的个体表示的设计方案表现出接近要求的适应能力为止。

一般来说通过遗传算法最后会得到一个或数个设计结果，最后设计方案具有对设计要求和系统工作环境的最佳适应性。这一过程又叫内部进化或硬件进化。

图中的右边展示了另一种设计可进化电路的方法，即用模拟软件来代替可重构器件，染色体每一位确定的是软件模拟电路的连接方式，而不是可重构器件各单元的连接方式。这一方法叫外部进化或软件进化。这种方法中进化过程完全模拟进行，只有最后的结果才在器件上实施。

进化电子电路设计中，最关键的是遗传算法的应用。在遗传算法的应用过程中，变异因子的确定是需要慎重考虑的，它的大小既关系到个体变异的程度，也关系到个体对环境变化做出反应的能力，而这两个因素相互抵触。变异因子越大，个体更容易适应环境变化，对系统出现的错误做出快速反应，但个体更容易发生突变。而变异因子较小时，系统的反应力变差，但系统一旦获得高适应度的设计方案时可以保持稳定。

对于可进化数字电路的设计，可以在两个层面上进行。一个是在基本的“与”、“或”、“非”门的基础上进行进化设计，一个是在功能块如触发器、加法器和多路选择器的基础上进行。前一种方法更为灵活，而后一种更适于工业应用。有人提出了一种基于进化细胞机（CellularAutomaton）的神经网络模块设计架构。采用这一结构设计时，只需要定义整个模块的适应度，而对于每一模块如何实现它复杂的功能可以不予理睬，对于超大规模线路的设计可以采用这一方法来将电路进行整体优化设计。

3可进化电路设计环境

上面描述的软硬件进化电子电路设计可在图2所示的设计系统环境下进行。这一设计系统环境对于测试可重构硬件的构架及展示在FPGA可重构硬件上的进化设计很有用处。该设计系统环境包括遗传算法软件包、FPGA开发系统板、数据采集软硬件、适应度评估软件、用户接口程序及电路模拟仿真软件。

遗传算法由计算机上运行的一个程序包实现。由它来实现进化计算并产生染色体组。表示硬件描述的染色体通过通信电缆由计算机下载到有FPGA器件的实验板上。然后通过接口将布线结果传回计算机。适应度评估建立在仪器数据采集硬件及软件上，一个接口码将GA与硬件连接起来，可能的设计方案在此得到评估。同时还有一个图形用户接口以便于设计结果的可视化和将问题形式化。通过执行遗传算法在每一代染色体组都会产生新的染色体群组，并被转化为数据流传入实验板上。至于通过软件进化的电子电路设计，可采用Spice软件作为线路模拟仿真软件，把染色体变成模拟电路并通过仿真软件来仿真电路的运行情况，通过相应软件来评估设计结果。

篇7

关键词：模拟电路；故障诊断；估计法

中图分类号：TB114文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）04-0242-01

模拟电路故障诊断是电路分析理论中的一个前沿领域。它既不同于电路分析，也不属于电路综合的范畴。模拟电路故障诊断所研究的内容是当电路的拓扑结构已知，并在一定的电路激励下知道一部分电路的响应，求电路的参数，他是近代电路理论中新兴的第三个分支。但由于模拟电路中未发生故障的正常元件存在容差，其参数并不恰好等于额定值，而有一定的分散性，这给电路分析带来一定的模糊性。而且模拟电路常含有非线性元件，它的性能不仅因本身故障而改变，而且其他元件故障引起它的工作点移动时，也将造成其性能变化。因此模拟电路故障诊断的理论还不是十分成熟。

模拟电路发生了故障，就不能达到设计时所规定的功能和指标，这种电路称为故障电路。故障诊断就是要对电路进行一定的测试，从测试结果分析出故障。一般来讲，模拟电路故障诊断的方法可以分为估计法，测试前模拟法和测试后模拟法三大类。本文将对其中的估计法展开讨论。

1 结合判据法

设模拟电路含有m个不同的参数，对电路进行测量，得到m个不同的特性测量值，且m

测试前可先根据电路的额定参数计算出各灵敏度aji及各特性值的计算值yj0，测试后可以得到各特性的测量值gj,由上式可以直接求出灵敏度因子，从而确定故障发生点。

由前面的讨论我们可以总结出采用结合判据法进行故障诊断的具体步骤如下:

（1）先进行测试，从可及节点得到m个特性测量值。

（2）求得结合参数xi 的灵敏度因子，即si的最小值，作为故障诊断的判据。

（3）在n个参数的灵敏度因子都求得之后，其中最小的灵敏度因子所对应的参数是最有可能发生了故障的参数。结合判据法简单易行，所需的测量数据少，但是由于各元件的参数都存在一定的容差，各特性在测量时也存在一定的误差，这些都会影响判断的真实性。另外，从前面的分析我们可以看出这种方法只适合于参数变化不大的单、软故障的定位，而不适用于多故障的定位。

2 迭代法

我们在最小判据法的基础上进一步引申，找一个类似于灵敏度因子的判据，并计算使这个判据达到最小时的各个参数的值，即各个参数的实际值，然后与额定值进行比较，从而确定故障点，这样就可以用于多故障的定位。这就是迭代法的基本思路。

由此可以看出迭代法与我们前面所讨论的结合判据相比，测量值数必须要大于或等于参数的个数，它考虑了测量误差。另外，它能够估计出各个元件的参数值，可以用于多故障诊断，但计算量大。

3 总结

本文主要介绍了模拟电路故障诊断方法中的估计法。这种方法只需要较少的测量数据，但诊断结果一般只是近似的。估计法中的大部分方法都适用于电路元件的故障定位，可用于诊断线性电路的单个的软故障。其中很多方法还可用于多故障诊断，例如文中介绍的迭代法。

参考文献

［1］王玲. 大规模模拟电路故障诊断理论与方法研究［D］. 长沙：湖南大学, 2006, (04).

篇8

计算机系统所要求解决的问题日趋复杂，与此同时，计算机系统本身的结构也越来越复杂。而复杂性的提高就意味着可靠性的降低，实践经验表明，要想使如此复杂的实时系统实现零出错率几乎是不可能的，因此人们寄希望于系统的容错性能：即系统在出现错误的情况下的适应能力。对于如何同时实现系统的复杂性和可靠性，大自然给了我们近乎完美的蓝本。人体是迄今为止我们所知道的最复杂的生物系统，通过千万年基因进化，使得人体可以在某些细胞发生病变的情况下，不断地进行自我诊断，并最终自愈。因此借用这一机理，科学家们研究出可进化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可进化硬件不但同样具有自我诊断能力，能够通过自我重构消除错误，而且可以在设计要求或系统工作环境发生变化的情况下，通过自我重构来使电路适应这种变化而继续正常工作。严格地说，EHW具有两个方面的目的，一方面是把进化算法应用于电子电路的设计中；另一方面是硬件具有通过动态地、自主地重构自己实现在线适应变化的能力。前者强调的是进化算法在电子设计中可替代传统基于规范的设计方法；后者强调的是硬件的可适应机理。当然二者的区别也是很模糊的。本文主要讨论的是EHW在第一个方面的问题。

对EHW的研究主要采用了进化理论中的进化计算（EvolutionaryComputing）算法,特别是遗传算法（GA）为设计算法，在数字电路中以现场可编程门阵列（FPGA）为媒介，在模拟电路设计中以现场可编程模拟阵列（FPAA）为媒介来进行的。此外还有建立在晶体管级的现场可编程晶体管阵列（FPTA），它为同时设计数字电路和和模拟电路提供了一个可靠的平台。下面主要介绍一下遗传算法和现场可编程门阵列的相关知识，并以数字电路为例介绍可进化硬件设计方法。

1．1遗传算法

遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程的一种自适应全局优化算法，它借鉴了物种进化的思想，将欲求解问题编码，把可行解表示成字符串形式，称为染色体或个体。先通过初始化随机产生一群个体，称为种群，它们都是假设解。然后把这些假设解置于问题的“环境”中，根据适应值或某种竞争机制选择个体（适应值就是解的满意程度），使用各种遗传操作算子（包括选择，变异，交叉等等）产生下一代（下一代可以完全替代原种群，即非重叠种群；也可以部分替代原种群中一些较差的个体，即重叠种群），如此进化下去，直到满足期望的终止条件，得到问题的最优解为止。

1．2现场可编程逻辑阵列(FPGA)

现场可编程逻辑阵列是一种基于查找表(LUT,LookupTable)结构的可在线编程的逻辑电路。它由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态，工作时需要对片内的RAM进行编程。当用户通过原理图或硬件描述语言（HDL）描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会把设计方案通过编译形成数据流，并将数据流下载至RAM中。这些RAM中的数据流决定电路的逻辑关系。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用，灌入不同的数据流就会获得不同的硬件系统，这就是可编程特性。这一特性是实现EHW的重要特性。目前在可进化电子电路的设计中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。

2进化电子电路设计架构

本节以设计高容错性的数字电路设计为例来阐述EHW的设计架构及主要设计步骤。对于通过进化理论的遗传算法来产生容错性，所设计的电路系统可以看作一个具有持续性地、实时地适应变化的硬件系统。对于电子电路来说，所谓的变化的来源很多，如硬件故障导致的错误，设计要求和规则的改变，环境的改变（各种干扰的出现）等。

从进化论的角度来看，当这些变化发生时，个体的适应度会作相应的改变。当进化进行时，个体会适应这些变化重新获得高的适应度。基于进化论的电子电路设计就是利用这种原理,通过对设计结果进行多次地进化来提高其适应变化的能力。

电子电路进化设计架构如图1所示。图中给出了电子电路的设计的两种进化，分别是内部进化和外部进化。其中内部进化是指硬件内部结构的进化，而外部进化是指软件模拟的电路的进化。这两种进化是相互独立的，当然通过外部进化得到的最终设计结果还是要由硬件结构的变化来实际体现。从图中可以看出，进化过程是一个循环往复的过程，其中是根据进化算法（遗传算法）的计算结果来进行的。整个进化设计包括以下步骤：

（1）根据设计的目的，产生初步的方案，并把初步方案用一组染色体（一组“0”和“1”表示的数据串）来表示，其中每个个体表示的是设计的一部分。染色体转化成控制数据流下载到FPGA上，用来定义FPGA的开关状态，从而确定可重构硬件内部各单元的联结，形成了初步的硬件系统。用来设计进化硬件的FPGA器件可以接受任意组合的数据流下载，而不会导致器件的损害。

（2）将设计结果与目标要求进行比较，并用某种误差表示作为描述系统适应度的衡量准则。这需要一定的检测手段和评估软件的支持。对不同的个体，根据适应度进行排序，下一代的个体将由最优的个体来产生。

（3）根据适应度再对新的个体组进行统计，并根据统计结果挑选一些个体。一

部分被选个体保持原样，另一部分个体根据遗传算法进行修改，如进行交叉和变异，而这种交叉和变异的目的是为了产生更具适应性的下一代。把新一代染色体转化成控制数据流下载到FPGA中对硬件进行进化。

（4）重复上述步骤，产生新的数代个体，直到新的个体表示的设计方案表现出接近要求的适应能力为止。

一般来说通过遗传算法最后会得到一个或数个设计结果，最后设计方案具有对设计要求和系统工作环境的最佳适应性。这一过程又叫内部进化或硬件进化。

图中的右边展示了另一种设计可进化电路的方法，即用模拟软件来代替可重构器件，染色体每一位确定的是软件模拟电路的连接方式，而不是可重构器件各单元的连接方式。这一方法叫外部进化或软件进化。这种方法中进化过程完全模拟进行，只有最后的结果才在器件上实施。

进化电子电路设计中，最关键的是遗传算法的应用。在遗传算法的应用过程中，变异因子的确定是需要慎重考虑的，它的大小既关系到个体变异的程度，也关系到个体对环境变化做出反应的能力，而这两个因素相互抵触。变异因子越大，个体更容易适应环境变化，对系统出现的错误做出快速反应，但个体更容易发生突变。而变异因子较小时，系统的反应力变差，但系统一旦获得高适应度的设计方案时可以保持稳定。

对于可进化数字电路的设计，可以在两个层面上进行。一个是在基本的“与”、“或”、“非”门的基础上进行进化设计，一个是在功能块如触发器、加法器和多路选择器的基础上进行。前一种方法更为灵活，而后一种更适于工业应用。有人提出了一种基于进化细胞机（CellularAutomaton）的神经网络模块设计架构。采用这一结构设计时，只需要定义整个模块的适应度，而对于每一模块如何实现它复杂的功能可以不予理睬，对于超大规模线路的设计可以采用这一方法来将电路进行整体优化设计。

3可进化电路设计环境

上面描述的软硬件进化电子电路设计可在图2所示的设计系统环境下进行。这一设计系统环境对于测试可重构硬件的构架及展示在FPGA可重构硬件上的进化设计很有用处。该设计系统环境包括遗传算法软件包、FPGA开发系统板、数据采集软硬件、适应度评估软件、用户接口程序及电路模拟仿真软件。

遗传算法由计算机上运行的一个程序包实现。由它来实现进化计算并产生染色体组。表示硬件描述的染色体通过通信电缆由计算机下载到有FPGA器件的实验板上。然后通过接口将布线结果传回计算机。适应度评估建立在仪器数据采集硬件及软件上，一个接口码将GA与硬件连接起来，可能的设计方案在此得到评估。同时还有一个图形用户接口以便于设计结果的可视化和将问题形式化。通过执行遗传算法在每一代染色体组都会产生新的染色体群组，并被转化为数据流传入实验板上。至于通过软件进化的电子电路设计，可采用Spice软件作为线路模拟仿真软件，把染色体变成模拟电路并通过仿真软件来仿真电路的运行情况，通过相应软件来评估设计结果。

4结论与展望

进化过程广义上可以看作是一个复杂的动态系统的状态变化。在这个意义上，可以将“可进化”这一特性运用到无数的人工系统中，只要这些系统的性能会受到环境的影响。不仅是遗传算法，神经网络、人工智能工程以及胚胎学都可以应用到可进化系统中。虽然目前设计出的可进化硬件还存在着许多需要解决的问题，如系统的鲁棒性等。但在未来的发展中，电子电路可进化的设计方法将不可避免的取代传统的自顶向下设计方法，系统的复杂性将不再成为系统设计的障碍。另一方面，硬件本身的自我重构能力对于那些在复杂多变的环境，特别是人不能直接参与的环境工作的系统来说将带来极大的影响。因此可进化硬件的研究将会进一步深入并会得到广泛的应用而造福人类。

篇9

关键词：电路与模拟电子技术；教学实践；心得体会

作者简介：王玉菡（1981-），女，河北衡水人，重庆理工大学电子信息与自动化学院，讲师；杨奕（1970-），男，重庆人，重庆理工大学电子信息与自动化学院，副教授。（重庆400050）

基金项目：本文系重庆市教委高等教育改革重点项目（项目编号：112003）的研究成果。

中国分类号：G642     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）12-0091-02

“电路与模拟电子技术”是高等工业学校本科计算机及其应用专业和电子类相关专业必修的一门技术基础课，是把“电路”和“模拟电路”两门课程合成一门的课程，同时调整了教学要求，教学学时也相应进行了压缩。课程的主要任务是通过讲授电路理论和电路分析方法、电子电路的分析和初步设计方法，使学生获得必要的电路分析和模拟电子技术的基本理论、基本方法和基本技能，了解电子技术发展的概况，初步掌握电子电路的分析、设计方法，为学习后续课程打下基础。为提高教学质量，本文主要结合课堂教学实践，阐述了笔者对教学方法改革的认识和一些具体做法。

一、“电路与模拟电子技术”教学中存在的难点分析

1.如何合理分配学时

“电路与模拟电子技术”课程分电路基础和模拟电子技术两部分，教材编写通常是按80学时左右编写，重庆理工大学选定的教材是由西安电子科技大学出版社出版，江晓安老师编写的，本科教学理论学时数为64学时。如何针对仅有的学时，合理分配教学内容，使学生准确理解并掌握课程的内容，是本课程教学需解决的一大问题。

2.如何突出把握重点

“电路与模拟电子技术”课程内容多，要让学生在短时间内掌握知识，就要求教师在讲授课程过程中，突出重点内容，便于学生课下自学和复习。

3.如何紧跟时代步伐

“电路与模拟电子技术”课程教材体系滞后，不能够与时俱进。在电子技术飞速发展的当今，现有教材没有任何关于EWB仿真的内容，没有把计算机辅助分析融合到教学中。

4.如何提高学生兴趣

俗话说：兴趣是最好的老师。就算是再难的课程，只要有兴趣，肯坚持学习，就一定能学好。关键是如何调动学生的学习兴趣？这就要求教师上课要灵活，不能上死课，要多联系实际，把抽象问题具体化，把复杂问题简单化，把理论问题生活化，给学生体会知识的机会，只有感同身受，才能印象深刻。

二、改进教学方法

1.综合教学，化难为易，合理分配学时

课堂时间是短暂的，要在短时间内让学生明白一些概念和问题就需要教师抓住所讲内容的内在联系，以点带面，举一反三，综合运用相关的知识进行讲解。因为这些知识点之间是有联系的，通过多角度、多视角联系和讲授知识，可以使学生印象深刻，进而掌握知识点。经过笔者多次课程实践教学发现学时数最好的分配是：电路部分24学时，模拟部分40学时。因为电路部分的内容，包括电路基本概念和定律以及电路的分析方法、电路的暂态分析以及正弦稳态电路分析，学习起来并不费力，很多内容学生在“大学物理”、“高等数学”、“复变函数”等课程中都有所接触，是有基础的，即使自学也可以很好的掌握。而模拟电路部分内容，由于涉及到微观粒子的运动、特性曲线以及工程中的近似等效等内容，对学生来说比较生疏，需要多花时间慢慢讲解，很多学生自学也是完全不懂得。因此实践证明讲授这门课程，采用“前紧后松”的教学节奏，要把前面的进度稍稍加快，进入模拟电路部分后，就要慢慢讲授。

2.善于引导，因材施教，突出把握重点

教师在台上固然是授课者，但是学生也不应只是被动接受者。授课是个交流的过程，教师要会讲，善于讲，善于观察学生的反映，适时调动起学生的积极性。笔者在教学实践过程中，讲每一章内容时，都会先告诉学生本章的重点。并以“了解”、“理解”和“掌握”三个词来区分一章内容的轻重。在讲课的时候，只需了解的内容让学生自学即可，重点讲授需要理解和掌握的，突出重点，这样学生学习起来就有了层次感。例如讲授第六章放大电路分析基础时，因为时间有限，通常只着重介绍三极管放大电路及其分析，场效应管放大电路的分析作为了解和自学的内容，这样学生学习起来就会把主要精力放在三极管及其放大电路的学习上了。只要把三极管及其放大电路学习好了，就会运用同样的分析方法去分析场效应管及其放大电路。

3.鼓励学生，自己学习，建立良好课堂气氛

由于课时有限，教师在教授过程中不可能面面俱到，所以适时安排一些内容自学，一方面可以更大限度地完成多一点的教学任务，另一方面也可以提高学生学习的积极性，变被动学习为主动学习，提高教学质量，是绝对的双赢。例如在讲第3章动态电路分析时，就只需要介绍电容元件的一阶零输入响应、零状态响应以及全响应的求解过程，对于电感元件的类似电路就交由学生课下自学，让学生上课讲给大家听，一个学生讲完了，其余的学生还可以补充，大家一起学习，使得印象深刻，学习气氛浓厚了，教学质量也就跟着提高了。

4.每章小结，重视作业，不断深化知识

每章节的小结是为了回顾、总结这一章节的主要内容和知识重点，这样做可以帮助学生掌握其内在联系，理清所学知识的层次结构，形成知识框架；能够促进学生掌握知识，总结规律，从总体上把握知识；能够为学生下一步的学习架设桥梁，为下一节课做好铺垫。所以说章节回顾在教学中有着举足轻重的作用。对于教师，为了检验教学效果是否达到预期目的，为了强化和检查学生对所学内容的理解、掌握程度，每当讲解完一个新的知识点都应布置相应的习题，这也是对学生的一个督促。作为教师，也应该认真批阅学生的作业，分析作业的完成质量，进而了解学生理解的弱点，进行有针对性地备课准备，进一步改进自己的教学方法。

5.结合多媒体增加教学的直观性和趣味性

多媒体课件在现在的教学中已经是不可缺少的了。“电路与模拟电子技术”作为一门重要专业技术基础课，其特点是：理论性强，原理抽象，定理、定律、公式和概念多。如果只用传统教学方法和手段，很难解决该课程中的“图形、电路、图表、原理图、结构”等问题，必然导致知识传授的枯燥无味，会使学生在学习过程中感觉困难，使学生积极性受挫，久而久之会使学生失去学习兴趣，产生厌学情绪，不能按时完成教学任务，也难有好的教学效果。为此，除采用演示、实验手段和语言鼓励之外，还采用多媒体技术手段，通过新颖的、多样的、生动有趣的画面、图像、声音来展现教学内容，可增强课堂教学的形象性、生动性和趣味性，使学生激发起浓厚的学习兴趣和积极性，产生强烈的求知欲望，加强教学效果。

6.增加EDA教学内容，与时俱进

EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。现今，EDA技术日益成熟，已渗透到电子系统和集成电路设计的各个环节。为了让学生了解电子技术的新发展，了解现代电路设计方法，了解日益发展的电路设计技术，跟上时代的步伐，掌握最基本的EDA技术，特增加这一部分的内容，拿出一个课时专门介绍EDA技术基础、EWB软件、可编程模拟器件及应用，将计算机辅助分析融合到具体的教学内容中。

7.加强实践教学，培养学生的动手能力

理论需联系实际才会有意义，学生学习的最终目的也是学以致用。所以需要加强实践教学，培养学生的动手能力，增加综合实验内容，将有内在联系的实验内容组合到一起，以加强综合能力的培养；同时注意在训练的过程上增加梯度，由浅入深，增加中大规模集成电路的实验内容。随着电子技术的发展，中大规模集成电路的应用越来越广泛，如课堂上只讲授器件基本原理，难以解决实际器件的使用问题。因此，在实验中加强了这方面的训练，其目的是使学生从看懂芯片管脚图功能表，理解电路原理图，一直到电路的实现，以培养解决实际问题的能力。

三、教学成效

在教学过程中，结合传统的教学方法，适当的引入多媒体教学，极大地调动了学生的学习积极性，避免了学生学习过程中的枯燥感，加深了学生对知识的理解和掌握程度。教师的教学过程也改变了以前的只教不学的模式，以学生为主体，充分地发挥了他们的主观能动性，从被教授到主动学习，同时也增进了师生之间的交流。各种综合性的实验项目，很好地将理论和实践结合起来，加强了学生的动手能力。实践证明，在学生的后续学习中，学生的积极性和主动性都有所增强，学习成绩也得到明显的提升。良好的学习习惯和扎实的基础使他们有足够的能力去主动学习他们感兴趣的知识，参加各种电子设计大赛。这既培养了他们的综合能力，也为以后的工作积累了一定的经验。

四、总结

总的来说，教学中存在的问题，主要还是教师这个Leader，要带领好学生，掌控好教学的节奏，做到张弛有度，让学生感受到知识的重要性，自发的学习，而不是为了考试而学习。笔者在“电路与模拟电子技术”课程的教学中不断总结和探索，实践证明了通过以上改革可有效提高教学效果，激发学生的学习兴趣。

参考文献：

[1]高玉良.电路与模拟电子技术课程教学改革的实践[J].长江大学学报,2008,(3).

[2]李心广,王金矿,马文华,等.计算机专业《电路与电子技术基础》课程教学改革研究与实践[J].湘潭师范学院学报,2008,(2).

篇10

ElectronicsWorkbench(简称EWB)，中文又称电子工程师仿真工作室。EWB5.12软件的仿真功能十分强大，近似100%地仿真出真实电路的结果。而且，它就像在实验室桌面或工作现场那样提供了示波器、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，万用表等广播电视设备设计、检测与维护必备的仪器、仪表工具。采用EWB虚拟电子工作台，即通过计算机软件仿真的方法，对电子线路分析进行模拟，下面以电子线路中设计的一个稳压电源实际电路为例，详细讲述其操作程序，以掌握电路仿真分析的应用方法。EWB软件最明显的特点是：仿真手段切合实际，选用元器件、仪器与实际情形非常相近。用EWB进行仿真模拟实验，实验过程非常接近实际操作的效果。各元器件选择范围广，参数修改方便，不会像实际操作那样多次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。软件不但提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件,还提供了各种丰富的调试测量工具：各种电压表、电流表、示波器、指示器分析仪等。是一个全开放性的仿真实验和课件制作平台,给我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技术实验室。

关键词：EWB，仿真，电子技术

目录

摘要

目录

第1章前言

1.1简介

1.2EWB的使用

第2章EDA仿真技术在电子线路分析中的应用

2.1软件的功能与特点

2.1.1软件仿真分析设计流程

2.2应用仿真软件对实际电子线路进行仿真分析举例

图2-2导线连接图

2.2.2仪器的使用

2.2.3电路的仿真分析

2.2.4设计指标测试

第3章EWB在《模拟电子技术基础》课程教学中的应用

3.1在模拟电子技术中使用EWB的必要性

3.2研究的方法与内容

3.3单级放大器放大特性的研究

3.3.1相关数据的计算

3.3.2数据的分析

3.3.3单极放大器放大特性分析

3.4放大器的最佳工作点与晶体管最大允许输入电压的研究

3.5谐振荡器与波形变换

3.5.1测量振荡周期与波形

3.5.2输出波形的改善和应用

3.6集成运算放大器的应用

3.6.1反相与求和电路

3.6.2文氏桥式及RC振荡电路

第4章结论

致谢

参考文献

第1章前言

1.1简介

随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电子线路的设计工作也日益显得重要。经过人工设计、制作实验板、调试再修改的多次循环才定型的传统产品设计方法必然被计算机辅助设计所取代，因为这种费时费力又费资源的设计调试方法既增加了产品开发的成本，又受到实验工作场地及仪器设备的限制。为了克服上述困难，加拿大InteractiveImageTechnologies公司推出的基于Windows95／98／NT操作系统的EDA软件（ElectronicsWorkbench“电子工作台”，EWB）。他可以将不同类型的电路组合成混合电路进行仿真。EWB是用在计算机上作为电子线路设计模拟和仿真的新的软件包，是一个具有很高实用价值的计算机辅助设计工具。目前已在电子工程设计等领域得到了广泛地应用。与目前流行的电路仿真软件相比较，EWB具有界面直观、操作方便等优点。他改变了有些电路仿真软件输入电路采用文本方式的不便之处，该软件在创建电路、选用元器件的测试仪器等均可以直接从屏幕图形中选取，而且测试仪器的图形与实物外形基本相似，从而大大提高了电子设计工作的效率。此外，从另一角度来看，随着计算机技术和集成电路技术的发展，现代电子与电工设计，已经步入了电子设计自动化（EDA）的时代，采用虚拟仿真的手段对电子产品进行前期工作的调试，已成为一种发展的必然趋势。通过对实际电子线路的仿真分析，从而提高对电路的分析、设计和创新能力。

1.2EWB的使用

ElectronicsWorkbench(简称EWB)，中文又称电子工程师仿真工作室。该软件是加拿大交换图像技术有限公司(INTERACTIVEIMAGETECHNOLOGIESLtd)在90年代初推出的EDA软件。而在国内应用EWB软件，却是近几年的事。目前应用较普遍的EWB软件是在Windows95/98环境下工作的ElectronicsWorkbench5.12(简称EWB5.12)，该公司近期又推出了最新电子电路设计仿真软件EWB6.0版本。

在众多的应用于计算机上的电路模拟EDA软件中，EWB5.12软件就像一个方便的实验室。相对其它EDA软件而言，它是一个只有几兆的小巧EDA软件。而且功能也较单一、似乎不太可能成为主流的EDA软件形象，也就是用于进行模拟电路和数字电路的混合仿真。

但是，EWB5.12软件的仿真功能十分强大，近似100%地仿真出真实电路的结果。而且，它就像在实验室桌面或工作现场那样提供了示波器、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，万用表等广播电视设备设计、检测与维护必备的仪器、仪表工具。EWB5.12软件的器件库中则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。

EWB5.12软件是众多的电路仿真软件最易上手的。它的工作界面非常直观、原理图与各种工具都在同一个窗口内，即使是未使用过它的工程技术人员，稍加学习就可以熟练地应用该软件。现代的广播电视设备电路结构复杂，而EWB5.12软件，可以使你在许多电路设计、检测与维护中无须动用电烙铁就可以知道它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只须点点鼠标即可。