欒江峰，林兆花，肖 軍，袁劍鋒

（北京師范大學(xué)珠海分校 工程技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519087）

“電子技術(shù)”是電子類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是設(shè)計(jì)制造各種現(xiàn)代智能設(shè)備的基石。傳統(tǒng)電子技術(shù)課程教學(xué)中，大多認(rèn)為元器件具有理想特性，使用集總參數(shù)的方法進(jìn)行分析。這在低頻電路中不會(huì)產(chǎn)生問題，但隨著現(xiàn)代電子設(shè)備信息傳輸速率不斷提高、使用頻段日益加寬，元件非理想特性所帶來的電磁兼容問題已逐漸不可忽略。在繁雜的電磁環(huán)境下，如何保證產(chǎn)品的高可靠性，電磁兼容性能是關(guān)鍵。為更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教協(xié)同，本文對(duì)如何將現(xiàn)代電磁兼容技術(shù)融入傳統(tǒng)電子技術(shù)課程教學(xué)進(jìn)行了初步探索，構(gòu)建了一套基于電磁兼容知識(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)，力求使學(xué)生在學(xué)習(xí)模擬器件功能的同時(shí)，也能夠了解掌握電磁兼容設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生把電磁兼容問題解決在設(shè)計(jì)定型之前的意識(shí)與能力，從而滿足現(xiàn)代電子行業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的需求。

1 電磁兼容仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

現(xiàn)代智能設(shè)備的電磁兼容問題在高速電路中尤為突出。但是，相關(guān)教學(xué)工作的開展困難重重，這是由于一方面此部分理論知識(shí)較集總參數(shù)理論更加抽象復(fù)雜；另一方面高速、高頻實(shí)驗(yàn)的開展需要借助頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等價(jià)格昂貴的儀器，無法在本科教學(xué)中大規(guī)模推廣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用仿真軟件構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)已成為現(xiàn)實(shí)。在高速高頻電路領(lǐng)域，已經(jīng)有許多學(xué)者開發(fā)了多種可應(yīng)用于微波射頻電路教學(xué)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[1-3]。然而，在電子電路基礎(chǔ)教學(xué)中，目前大多仍利用 P S pi c e、Multisim、Matlab 等軟件進(jìn)行理想仿真，并未考慮實(shí)際元件所帶來的電磁兼容問題[4-7]。學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)理想仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際不一致的情況[8]。本文利用Advanced Design System（ADS）軟件設(shè)計(jì)了一套包含3 個(gè)模塊、共計(jì)10 個(gè)實(shí)驗(yàn)的電磁兼容虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1 所示。在電子技術(shù)教學(xué)中，利用改進(jìn)的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)高速信號(hào)的傳輸變化進(jìn)行直觀展示，既有利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，又能使學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)際元器件建模的方法、局部和系統(tǒng)電路網(wǎng)絡(luò)仿真的技巧，為其后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)或研究項(xiàng)目的開展奠定良好基礎(chǔ)。

表1 基于電磁兼容的電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)列表

1.1 元件非理想行為模塊

傳統(tǒng)電子技術(shù)課程中，電阻、電感、電容等通常被當(dāng)作理想器件，但在實(shí)際電路中，由于制作工藝的限制，元件都存在寄生參數(shù)。當(dāng)信號(hào)頻率超過一定值時(shí)，寄生效應(yīng)會(huì)使元件特性偏離理想狀態(tài)：一方面元件在電路中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化；另一方面元件的阻抗等參數(shù)也會(huì)發(fā)生顯著改變，由此可能導(dǎo)致電路性能降低，甚至失效。例如，考慮圖1(a)所示的RC 低通濾波電路，取電阻R 的值為22 Ω，電容C 的值為1μF。圖1(b)為將元件視為理想狀態(tài)進(jìn)行仿真和實(shí)際測量得到的輸出電壓隨頻率的變化曲線。可以看到，由于受電阻、電解電容寄生參數(shù)的影響，當(dāng)頻率升高時(shí)，電路實(shí)際的濾波性能會(huì)下降。

圖1 RC 低通濾波電路的理想仿真與實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)

圖2 為包含寄生參數(shù)的元件阻抗交流仿真實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)幅度為1 A 的交流恒流源構(gòu)造阻抗測量電路，通過阻抗隨頻率的變化反映元件的非理想特性。通過改變圖2(a)中的等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）及等效并聯(lián)電容（EPC）等參數(shù)，學(xué)生可以對(duì)實(shí)際電路元件的特性進(jìn)行仿真預(yù)測。圖2(b)顯示了對(duì)理想電容、電感以及同等容量的實(shí)際去耦電容器、電感線圈仿真的結(jié)果。在理想電容和電感中，ESR、ESL 及EPC 均為零。可以看到，當(dāng)信號(hào)頻率超過實(shí)際元件的自諧振頻率后，元件阻抗將發(fā)生很大變化。以電容為例，高頻時(shí)寄生的感抗將成為阻抗的主要部分，其性能將更加接近電感，無法為信號(hào)提供本來的低阻路徑，從而可能導(dǎo)致電路的性能與預(yù)期不符。

將添加了ESR、ESL 的實(shí)際電容模型替換到RC濾波電路中重新進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3 所示，此時(shí)仿真計(jì)算值與實(shí)測值較圖1 更加吻合。

通過本模塊的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠?qū)?shí)際電路元件的非理想性能建立更加直觀的認(rèn)識(shí)。在根據(jù)元件的理想特性進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，還要根據(jù)信號(hào)頻率對(duì)其非理想行為進(jìn)行修正，以確保電路功能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.2 傳輸線與信號(hào)完整性模塊

在1.1 節(jié)的模塊中，假定實(shí)驗(yàn)電路在面包板上完成，元件之間通過理想導(dǎo)線進(jìn)行連接，導(dǎo)線輸入端的電壓電流與輸出端幾乎相同。然而，在時(shí)鐘和數(shù)據(jù)速率不斷提高的今天，電路中互連的導(dǎo)線將大大影響信號(hào)的傳輸。所謂的信號(hào)完整性就是要保證傳輸線入端與出端的信號(hào)波形近似相同。在本模塊中，學(xué)生將學(xué)習(xí)PCB 板中傳輸線的延時(shí)與反射對(duì)信號(hào)完整性的影響。下面以PCB 傳輸線對(duì)信號(hào)反射的瞬態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)為例，圖4(a)為實(shí)驗(yàn)原理圖。

圖2 包含寄生參數(shù)的阻抗仿真實(shí)驗(yàn)

圖3 使用包含寄生參數(shù)的電容對(duì)RC 濾波電路進(jìn)行仿真

圖4 PCB 傳輸線對(duì)信號(hào)反射的仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以調(diào)節(jié)傳輸線的長度、輸入方波信號(hào)的上升時(shí)間（Tr）以及輸入端接電阻（R1）的大小。通過這些參數(shù)的改變，學(xué)生觀察20 MHz、1 V 的方波輸入信號(hào)在輸出端的變化，從而驗(yàn)證傳輸線理論中的相關(guān)知識(shí)。在仿真時(shí)，傳輸線的物理長度用與電長度相關(guān)的參考頻率F 表示，如式（1）所示，c 為光速，L為傳輸線物理長度，Td表示由傳輸線引起的信號(hào)時(shí)延。

圖4(b)和4(c)分別展示了傳輸線長度變化、輸入信號(hào)上升和下降沿變化對(duì)輸出信號(hào)的影響。為更清楚地觀察結(jié)果，對(duì)輸入信號(hào)分別添加了1 V、0 V 及-1 V的直流偏置。由圖4(b)可見，短傳輸線（線長時(shí)延小于信號(hào)上升沿的20%，對(duì)應(yīng)圖中的1 250 MHz）不會(huì)帶來嚴(yán)重的信號(hào)完整性問題。圖4(c)則顯示了傳輸線長 度一定時(shí)（實(shí)驗(yàn)中f = 625 MHz），更短的上升時(shí)間（通常意味著更高的帶寬）會(huì)帶來更嚴(yán)重的振鈴噪聲問題。

1.3 傳導(dǎo)噪聲抑制模塊

通過1.1 節(jié)和1.2 節(jié)兩個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)電子電路中電磁兼容問題的起因及表現(xiàn)應(yīng)建立了初步的認(rèn)識(shí)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有時(shí)受到成本、產(chǎn)品體積等因素的影響，無法通過PCB 布線等方式規(guī)避所有的電磁兼容問題。因此，本模塊的主要內(nèi)容為用于抑制電路中傳導(dǎo)電磁干擾、提高電子設(shè)備傳導(dǎo)抗擾度的濾波器設(shè)計(jì)仿真。模塊首先針對(duì)傳統(tǒng)定K 型低通濾波器的設(shè)計(jì)編制了仿真實(shí)驗(yàn)。其次，基于歸一化巴特沃斯型濾波器的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了不同階數(shù)、不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的EMI濾波器仿真實(shí)驗(yàn)。教師給定截止頻率、目標(biāo)頻率及期望損耗，要求學(xué)生設(shè)計(jì)出能夠滿足要求的EMI 濾波器，并對(duì)濾波器的性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。最后，貫徹緊密聯(lián)系行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的理念，將業(yè)內(nèi)主流元件產(chǎn)品的EDA 模型引入仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。學(xué)生使用這些真實(shí)元件搭建電路，可以方便地觀察學(xué)習(xí)實(shí)際電路與理想電路的差別，在虛擬仿真中增強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。例如，在使用電容器進(jìn)行抑噪時(shí)，如果電容不足或者目標(biāo)插入損耗由于高ESL 和ESR 難以實(shí)現(xiàn)，可能需要并聯(lián)多個(gè)電容器。圖5 顯示了并聯(lián)電容抑噪仿真實(shí)驗(yàn)。Vout1為使用1 nF 和1 μF 的理想電容進(jìn)行仿真時(shí)的輸出；Vout2為使用村田公司（muRata）同等電容量的電容模型進(jìn)行仿真時(shí)的輸出，產(chǎn)品型號(hào)分別為GRM033R61E102KA01（1 nF）和GRM033R60J105MEA2（1 μF）。

圖5 使用理想與真實(shí)元件的并聯(lián)電容抑噪仿真實(shí)驗(yàn)

由圖5(b)可看到，由于兩個(gè)實(shí)際電容器存在不同的自諧振頻率，在其中一個(gè)的感性阻抗區(qū)和另一個(gè)的容性阻抗區(qū)會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)反諧振，造成該區(qū)域插入損耗變小、電壓增大。這會(huì)在更高頻位置帶來潛在的輻射噪聲問題，可能導(dǎo)致電路無法通過EMC 測試。如果使用理想元件，由于未計(jì)入ESR 和ESL 效應(yīng)，則不會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象。通過本模塊的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠?qū)κ褂脼V波器抑制傳導(dǎo)噪聲建立更直觀、深刻的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，本模塊建立的實(shí)際產(chǎn)品元件庫也可作為學(xué)生今后專業(yè)學(xué)習(xí)的一個(gè)工具，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)電路性能實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的預(yù)測。

2 電磁兼容仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

目前電子類相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中，涉及電磁兼容相關(guān)理論的課程大部分開設(shè)在高年級(jí)，且多以項(xiàng)目實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)等形式開展[9-11]。作為一門迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，電磁兼容涉及的基礎(chǔ)學(xué)科廣，又與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)[12]。高年級(jí)的教學(xué)要取得較好的效果，需要在低年級(jí)基礎(chǔ)課程中滲透培養(yǎng)學(xué)生電磁兼容的意識(shí)，使其在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)能夠?qū)⒁种齐姶旁肼暦诺脚c實(shí)現(xiàn)功能同等重要的地位來考慮。在教學(xué)應(yīng)用中，本套仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可作為電子技術(shù)類課程實(shí)踐教學(xué)的一部分，在傳統(tǒng)集總參數(shù)理論講授完成后開展。在學(xué)生充分掌握理想元件相關(guān)知識(shí)后，引入實(shí)際電路與理想情況的區(qū)別。若條件允許，教師還可依據(jù)仿真項(xiàng)目配合搭建若干實(shí)際電路，在學(xué)生完成仿真后對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性驗(yàn)證，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)的興趣。此外，在開設(shè)有小學(xué)期的院校，也可利用本套實(shí)驗(yàn)開設(shè)專門的小學(xué)期實(shí)踐課程，銜接于電子技術(shù)課程所在的長學(xué)期之后，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

本套實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用于筆者所在學(xué)院的“電氣工程及其自動(dòng)化”“測控技術(shù)與儀器”兩個(gè)專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐中。反饋結(jié)果表明，此套仿真實(shí)驗(yàn)在一定程度上充當(dāng)了電子基礎(chǔ)課程與后續(xù)電磁兼容專業(yè)課程的橋梁，在學(xué)生接觸專業(yè)電磁兼容知識(shí)之前起到了較好的鋪墊作用，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課的難度。通過1.3 節(jié)模塊中使用真實(shí)器件模型進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生解決真實(shí)電子電氣設(shè)計(jì)問題的能力也得到了很好的培養(yǎng)。近兩年來，依托學(xué)院“廣東省高校電磁兼容工程技術(shù)開發(fā)中心”的實(shí)驗(yàn)條件，采用仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)合的方式，這兩個(gè)專業(yè)的學(xué)生已完成“智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)”“96 孔板智能判讀儀研發(fā)”“多節(jié)點(diǎn)無線溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等多項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，表明此教學(xué)方法在提升人才培養(yǎng)質(zhì)量方面有積極的作用。

3 結(jié)語

為順應(yīng)電磁兼容問題在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中日漸重要的趨勢，提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，利用ADS 軟件設(shè)計(jì)了基于電磁兼容的虛擬實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用于電子技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)，使用軟件仿真解決了理論教學(xué)缺乏感性認(rèn)識(shí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)受限于條件難以開展的矛盾。本文設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)通過引入真實(shí)產(chǎn)品元件模型貼近了實(shí)際，提升了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，解決了傳統(tǒng)仿真過于理想化的問題。今后將在仿真實(shí)驗(yàn)操作界面、項(xiàng)目內(nèi)容與數(shù)量等方面深入研究，一方面提升系統(tǒng)的易用性，另一方面將仿真實(shí)驗(yàn)與先修、后續(xù)課程內(nèi)容更緊密結(jié)合，形成統(tǒng)一的教學(xué)體系，更好地服務(wù)于應(yīng)用型人才培養(yǎng)。