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基于EWB的运算放大器仿真教学及应用

时间:10-16 来源:互联网 点击:

在模拟电子技术基础这门课中,运算放大器及其线性应用内容是教学中的一个重要内容,如何在教学中使学生熟练掌握这些内容是教学中必须解决的问题。运用EWB仿真辅助教学,对这些内容进行仿真分析,并将其应用到相关的内容教学中,有助于学生对这些内容的理解与掌握。

EWB(Electronic Workbench)软件是InterActive Image Technologies Ltd在20世纪90年代初推出的电路仿真软件。目前普遍使用的是EWB5.2,相对于其它EDA软件,它是较小巧的软件(只有16 M)。但它对模数电路的混合仿真功能却十分强大,几乎100%地仿真出真实电路的结果,并且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、电流表等仪器仪表。它的界面直观,易学易用。

1 基于EWB的运算放大器及其线性应用电路仿真教学

通过仿真可以生动具体的将电路及结论展示给学生,一方面加深了学生对理论的理解,另一方面学生通过仿真软件了解了电路的结构和使用方法。

1.1 同相比例放大电路

电压增益Av

根据虚短和虚断的概念有:

(此处设问,让学生计算出该仿真电路的电压放大倍数)

根据仿真电路图得到,计算出同相比例放大电路的理论电压放大倍数为:

仿真结论:

通过仿真,观察图2示波器:蓝色为输入信号(上面),红色为输出信号(下面),两波形的幅度读数相等,但输入信号波形每格对应的是200 mV,输出波形的每格对应的是2 V,相位相同,因此输出信号与输入信号波形电压比为10,该结论与理论值相符合。

1.2 电压跟随器

特性分析:

根据虚拟短路和根据虚拟断路:vo=vn≈vp=vi

仿真结论:

通过仿真,观察图4示波器:两波形的幅度读数相等,相位相同,因此输出信号与输入信号波形电压比为1,该结论与理论值相符合。

1.3 反相比例放大电路

电压增益AV

提问:“-”是什么意思? (可作为公式直接使用)

根据仿真电路图得到,反相比例放大器,理论电压放大倍数为-1(此处设问,让学生计算出该仿真电路的电压放大倍数)

仿真结论:

通过仿真,观察图6示波器:水平轴上面为输入信号波形,水平轴下面为输出信号,两波形的幅度读数相等,但输入信号波形每格对应的是2 V,输出波形的每格对应的是2 V,但相位是相反的,因此输出信号与输入信号电压比为-1,该结论与理论值相符合。

1. 4 运算放大器应用实例解答及其仿真辅助教学

例图7直流毫伏表电路,当R2>>R3时,

1)试证明Vs=(R3R1/R2)Im;

2)R1=R2=150 kW,R3=1 kW,输入信号电压

Vs=100 mV时,通过毫伏表的最大电流Im(max)=?

解:(1)根据虚断有Ii=0

所以I2=Is=Vs/R1

又根据虚短有Vp=Vn=0

R2和R3相当于并联,

所以-I2R2=R3(I2-Im)

所以,当R2>>R3时,Vs=(R3R1/R2)Im

(2)代入数据计算即可得Im=100μA。

仿真结论:

通过仿真,观察虚拟示波器图9可以读出输入信号为100.00 mV,输出信号为-100.665μV,由于示波器不能直接测电流,因此只有通过将电流转换为电压来测量,所以仿真电路中用了一个电流控制电压源,控制系数为1 Ω,因此,将示波器读出来的电压-100.665μV,转换为电流就是-100.665μA,符号表示电流的方向从负载流出,同电路图中标示的方向是一致的,误差为0.665μA,这个误差非常小,在工程上完全可以忽略。

2 结束语

综上所述,通过EWB对运算放大器及其线性应用电路的仿真教学,可以将比较枯燥的理论讲解和仿真实验巧妙的结合起来,充分利用仿真技术对相应的电路进行仿真,可以使一些结论等内容得到验证,从而加深学生对理论的理解,提高了学生学习积极性、兴趣爱好及提高课堂效率;另外生动的仿真也加深了学生对理论的理解记忆,从而实现了理论与实际的结合,并且在还可以充分利用仿真这个虚拟实验平台,学生只需要掌握这些仿真软件使用方法,就可解决学校办学设备不足,可以克服实验室试验箱只能做固定的一些实验的缺点,学生可以自主的任意设置实验内容,从而大大丰富拓展了实验教学的内容与手段,有利于培养学生综合和设计性实验的能力及提高学生创新实践能力。

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