原创 利用EWB虚拟平台对电子技术实验进行高级分析的探讨

1 EWB简介

随着计算机技术的发展和对各种电子元件进行数学建模的进一步研究，再借助计算机软件对其进行分析，在计算机上可以仿真出近似于实验结果的数据及各种波形。EWB(Electronics Workbench)是加拿大InteractivelmageTechnologies公司推出的一个专门用于电子电路设计与仿真的软件，他是非常优秀的电子技术实验训练工具，其特点是虚拟仪器齐全、容纳各种高级分析方法、提供丰富的元器件、根据需要可以自己制作库元件。他的操作也很方便，画电路时可直接从桌面上的器件库和仪器库选取元器件和测试仪器来创建电路，界面非常直观。电路的设计、仿真与分析工作只需轻点鼠标即可完成，EWB是一种全新的虚拟实验环境，在这种环境下学生进行障碍性实验，不必担心安全问题，可以轻松地凭想象进行实验。这样不仅提高了兴趣，还大大提高了电子设计的质量和效率，也排除了元器件损耗和仪器损坏，从而解决经费不足的问题。可以说安装了EWB，就相当于拥有了一个功能强大、设备齐全、器件丰富的小型“电子实验室”。

2 传统电子技术实验的不足和引入EWB进行高级分析的必要性

2.1 完成一个实验题目的时间

传统电子技术实验主要使用万用表、频率计、示波器、交流毫伏表等测试仪器进行观测，然后经过计算再与理论比较，完成一个实验题目一般需要3 h的时间。而使用EWB高级分析大部分都是直接分析出实验结果，所以完成一个实验题目所需时间不到1 h。

2.2 观测节点个数

传统电子技术实验使用万用表、交流毫伏表一次只能测量一个节点的参数，用双踪示波器也最多能同时观测两路不同节点的波形。而使用EWB高级分析能同时测量若干个节点的参数，也可以同时规测若干个节点的波形。

2.3 特殊测量

传统的实验室由于实验室仪器和元器件品种、规格、数量的限制，只能测量电子系统输出与输入信号的幅度和相位关系。而利用计算机辅助设计EWB高级分析不仅能模拟与分析输入和输出的关系，还能对由于实验室条件限制而无法观测的实验现象都可以通过EWB高级仿真进行模拟测试，比如测试不同温度下任意节点的参数和波形，测量某器件对任意节点产生的噪声和失真度等，并且可以随意设置故障进行实验。这些不仅加强学生对知识点、难点的理解，也为综合性设计、毕业设计开辟了一条捷径。

3 用EWB的高级分析完成共射极放大器实验

3.1 确定工作点Q

对放大器而言，让工作点Q尽量处在交流负载线的中点是保证输出波形最大而且不失真的关键，Q点过高或过低容易出现饱和和截止失真，图1为共射极放大器电路。启用EWB的参数扫描分析，输出波形的瞬态特性如图2所示，从图中可以看出当R1=300 kΩ时，输出波形出现了失真，当R3=700 kΩ时，输出幅度出现了衰减，只有R3=500 kΩ时，波形幅度最大而且不失真。所以在上偏置电阻R3=500 kΩ时Q点几乎处于交流负载线的中点。

3.2 静态工作点的测量

启用EWB的直流工作点分析得出图3的结果，从表中可以读出各节点和三极管各极的的电压，通过图3可以计算出集电极电流为:

其中，v1是电源电压；v3是节点3的电压。

3.3 动态测量

3.3.1 高级分析的动态测量

首先将V1改成小电压以满足进行传递函数分析时输入源的要求，启用EWB的传递函数分析，可得出图4中的结果，从图4可读取输出电阻、放大倍数、输入电阻。

3.3.2 理论分析动态特性

通过前面计算出来的集电极电流计算出基射极的体电阻为：

则输入电阻近似为：

输出电阻近似为：

电压放大倍数近似为：

β=200，是三极管的交流放大倍数，将理论与实验进行比较，基本相符。

3.4 带宽WB的测量

启用EWB的交流频率分析，结果如图5，图5有两个游标，分别移动两个游标使输出电压(Y1，Y2)为最大输出电压的70％，然后读取带宽dx近似为：

WB=dx=13.4 MHz

Y1，Y2，dx是从图3中读取的数值。

3.5 噪声分析

噪声分析是用于检测电路输出信号的噪声功率幅度，用于计算、分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。在分析时各噪声源是相互独立的，总的噪声是各噪声在输出节点的和(有效值)。启用噪声功率分析功能，得到如图6的分析结果，图中的两个曲线分别是输入和输出的噪声功率谱，从图6中可以分析出在低频时的噪声比较大，所以为了减小噪声，加入的输入信号频率一般要大于800 Hz。噪声分析为分析、设计电路提供了理论依据。

4 结 语

随着科学技术的发展，以电路设计自动化为核心的现代电路仿真实验将会打破传统的电路教学模式，“以仿代实”、“以软代硬”不仅节约了时间也极大地提高了传递实验内容的效益，增大了单位时间所授知识的广度和深度，也极大地提高了实验中测量与处理数据的速度和精度。使教学实验由单纯的验证型向启发型、设计型转化，增加实验教学的灵活性和多样性，提高对不断更新课程内容的适应能力。但这不意味着忽略硬件实验，实验课适当调配，既要加强学生的基本功训练，以培养学生的动手能力，又要让学生在这样虚拟环境下接受新知识、新技术，只有这样才能培养既有扎实基础，又具有全新现代化技术能力的人才。