数字建模与仿真在《微电子器件与系统》教学中

　　本文介绍了数字建模与仿真在《微电子器件与系统》教学中的作用，利用matlab、3DMAX等软件进行建模与仿真，可以直观的表现器件与系统的功能，有利于教学水平的提高，并得到学生的认可和欢迎，根据教学实例的验证，可以确定数字建模与仿真在微电子器件与系统教学中有着重要的作用。

　　自21世纪以来，随着电子科学与技术的飞速发展。器件与系统的种类、复杂程度日益提高。给这方面的教学带来了新的挑战。因此，随着时代的发展，传统的电子技术课程的教学方法必须加以改变。使得毕业生具有在日趋激烈竞争的社会中所需的知识，模型与仿真的就是一种很重要的教学方法。利用数字建模与仿真可以实现对制造、测试、验证、应用过程的模拟，减少设计的工作量，简化测试的复杂程度，给生产带来很大方便，也有利教学工作的进行和发展。

　　本文根据教学目标，进行建模与仿真，对几种教学工具进行了研究以便满足教学需要，其中包括自定义工具箱、一般用途工具箱和程序。每个建模与仿真工具都能够满足特定的教学任务与教学需要。

　　一、建模与仿真在教学中的作用

　　建模与仿真在微电子器件与系统教学中一般具有如下作用：①用不同的数学公式所描述的复杂物理相互作用可以用清晰明了的方式进行解释;②对输入\输出关系进行更直观描述;③通过建模可以进一步理解物理现象;④可以使用合适的、易于使用的计算工具。

　　目前，很多教学工具在教学内容的层次与复杂性上面没有足够的弹性，使得学生对概念和方法难以理解和掌握。如果不能从实际效用中获得数据，则程序往往无法操作，计算无法进行。我们在实际的教学研究中。发展了建模与仿真方法，制作适当的工具来满足课堂需要，常用的软件有Matlab、3Dmax、Simulinkt、及其他易于使用的图形操作软件。通过建模与仿真，使教学找到了更有效的方法，通过适当的模型单元及其相互作用打破了复杂性。通过编辑程序解释一些复杂的现象，如微电子器件的功率与稳定性、负载流等。在器件工作中，理论与算法的解决方案大部分需要现场操作。在我们的教学中，可以利用模拟工具来执行，为进一步的复杂情况确定新的教学方式。

　　通过对真实系统的复杂性说明可以更好的讲授一些现象，使得问题从容易到复杂过渡，特别是进行大型集成电路的设计问题，可以结合仿真工具进行解决。

　　二、器件与系统运行状态的分析与模拟

　　状态的功能是系统不可分割的一部分，在设计中，需要根据不同的系统计算最佳工作状态，处理子系统与整体系统之间的关系。因此，在教学中，引入的概念、观测、位置、数据和误差具有十分重要的作用，对其有效的讲述有利于更好地理解和解释状态的结果，可以采用模拟工具达到教学目标。在模拟工具中，使用一个互动的教学工具，能够提供即时的、有效的反馈给学生。我们给这个工具命名为电子教学工具(EET)。该教学工具由几个应用程序所组成。在图形用户界面下运行。它允许交互式数据输入和显示的结果在网络上显示。学生可以即时观察在网络上运行的结果，并根据网络数据，建立系统图，然后进行提交，下面的例子可以用来说明采用EET教授上述概念的作用。

　　实例1：设计一个测量系统，能够使得网络可观察，并且允许错误数据在整个测量中被识别。

　　在此设计中，将给予学生网络数据。他们首先建立系统图形，然后将数据应用于系统中。在任何设计阶段，学生可以激活观测实验功能的可视化分析，学生确保任何测量准确无误。通过测量网络图上的运行状态，确定所有关键测试均在网络图上。

　　实例2：通过人为引入错误数据并观察其在评估中的作用

　　由于有些测量非常关键，因此，错误数据将不被探测到。另一些正确数据属于非关键数据，且没有适当的身份证明，错误数据在冗余的测量中将回到测试过程中，测试中还包括以下情况：没有测量的误差出现，但进行新的测量设置分析。因此，测量可用于不同的拓扑结构，且拓扑错误对状态评估有影响，通过观察可以解释测量状态。

　　EET软件已经在两个本科生和研究生班运行，大多数学生认为有一个互动工具使得学习变得简单，让他们除了体会到分析外，还有设计方面的问题，使得整个教学与实际的工程设计应用得到了很好的结合。

　　实例3：继电保护行为

　　传统的教学在继电保护一章中主要是介绍短路的方法表示故障值，并使用相位模型研究继电器的设计。这种方法不能理解系统中的瞬态行为及相关的延迟反应。没有这些理解，学生很难根据需要选择和应用各个继电器设计。今天的微处理继电器是复杂控制器，利用了先进的信号处理技术。需要了解其运作和行为。确定与故障瞬变相关的问题。在继电保护中，需进行短路研究并解决时间域的电磁暂态，要求熟悉基本功能(采样、滤波、A/D转换)，并能够分析信号处理算法在最常见的数字信号处理中的作用，及评估动态之间的互动等。

　　为了表示数字继电器和系统模型。使互动过程的故障更容易理解，需采用合适的教学工具。我们采用Matlab和Sinmlink，自己开发了一套新工具，命名为MS2008。因为Matlab及其各种工具箱已经被普遍使用，工具箱、模拟系统等均是其中不可分割的一部分，因此可以根据数据库需要进一步发展，使之更容易进行链接，并通过信号延迟说明数字处理的作用。在数字继电器的设计中，可采用三大信号处理单元：①数据采集块，其构成前端的继电器和连接数字处理部分的模拟输入;②输入信号参数的测量块;③信号参数设置块，适用于某些延误和逻辑功能，以便发出跳闸和报警的信号。在这个实例中，学生可以主动在系统模型中排查故障，并观察继电器的反应。根据不同故障反应设置不同的方案，确定短路的解决办法。

　　这一套建模和仿真工具已经在木科生课程中使用，该工具的一个优点是能选择适当的软件模块。学生反馈认为有机会亲身体体验设计继电器和中继站，该教学工具具有很好的使用价值。

　　实例4：对负载流的理解

　　对负载流来说，只用简单数学模型和小型系统来进行教学很困难，难以讲清楚重要的互联系统。在负载流教学中，要涉及两个互相关联的计算问题：建模及算法的方法。包括以下的基本概念：①基本模型式和网络矩阵;②一般的算法解决方案，包括高斯一赛德尔、牛顿一迭代，快速分解算法和直流负载流量逼近。通过对基本概念的分析可以让学生进行算法设计，但更深入的学习，还应该解决重要的建模及算法，可以使用模拟工具以达到教学目标。

　　根据负载流的标准，可以进行建模和建立解决方案，利用Madab代码执行算法。学生通过课堂教学可以对模型有一个基本的了解，同时，对数值算法和衔接的概念也有一定的理解。

　　在这个阶段，学生可以接触到比较复杂的模型，利用该模型，学生给出Matlab的源代码和数据，并修改算法。在整个过程中，要求学生提出意见、学习并提出负载流解决方案。比如采用采用牛顿迭代、说明自适应大小的收敛性问题。

　　通过学生的评价及与学生之间的讨论对以上方法进行了评估，根据评估结果，在微电子器件与系统教学中。可以根据实际需要进行数字建模与仿真，提高课程的教学效果。

　　三、结论

　　在微电子器件与系统的教学中，利用matlab、3DMAX等软件进行建模与仿真，可以直观的表现器件与系统的功能，有利于教学水平的提高。

　　作者：雷青松　徐静平 来源：教育科研 2009年3期

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