數(shù)字建模與仿真在《微電子器件與系統(tǒng)》教學(xué)中論文
本文介紹了數(shù)字建模與仿真在《微電子器件與系統(tǒng)》教學(xué)中的作用，利用matlab、3DMAX等軟件進(jìn)行建模與仿真，可以直觀的表現(xiàn)器件與系統(tǒng)的功能，有利于教學(xué)水平的提高，并得到學(xué)生的認(rèn)可和歡迎，根據(jù)教學(xué)實(shí)例的驗(yàn)證，可以確定數(shù)字建模與仿真在微電子器件與系統(tǒng)教學(xué)中有著重要的作用。
自21世紀(jì)以來(lái)，隨著電子科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展。器件與系統(tǒng)的種類、復(fù)雜程度日益提高。給這方面的教學(xué)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此，隨著時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)的電子技術(shù)課程的教學(xué)方法必須加以改變。使得畢業(yè)生具有在日趨激烈競(jìng)爭(zhēng)的社會(huì)中所需的知識(shí)，模型與仿真的就是一種很重要的教學(xué)方法。利用數(shù)字建模與仿真可以實(shí)現(xiàn)對(duì)制造、測(cè)試、驗(yàn)證、應(yīng)用過(guò)程的模擬，減少設(shè)計(jì)的工作量，簡(jiǎn)化測(cè)試的復(fù)雜程度，給生產(chǎn)帶來(lái)很大方便，也有利教學(xué)工作的進(jìn)行和發(fā)展。
本文根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)行建模與仿真，對(duì)幾種教學(xué)工具進(jìn)行了研究以便滿足教學(xué)需要，其中包括自定義工具箱、一般用途工具箱和程序。每個(gè)建模與仿真工具都能夠滿足特定的教學(xué)任務(wù)與教學(xué)需要。
一、建模與仿真在教學(xué)中的作用
建模與仿真在微電子器件與系統(tǒng)教學(xué)中一般具有如下作用：①用不同的數(shù)學(xué)公式所描述的復(fù)雜物理相互作用可以用清晰明了的方式進(jìn)行解釋;②對(duì)輸入輸出關(guān)系進(jìn)行更直觀描述;③通過(guò)建模可以進(jìn)一步理解物理現(xiàn)象;④可以使用合適的、易于使用的計(jì)算工具。
目前，很多教學(xué)工具在教學(xué)內(nèi)容的層次與復(fù)雜性上面沒(méi)有足夠的彈性，使得學(xué)生對(duì)概念和方法難以理解和掌握。如果不能從實(shí)際效用中獲得數(shù)據(jù)，則程序往往無(wú)法操作，計(jì)算無(wú)法進(jìn)行。我們?cè)趯?shí)際的教學(xué)研究中。發(fā)展了建模與仿真方法，制作適當(dāng)?shù)墓ぞ邅?lái)滿足課堂需要，常用的軟件有Matlab、3Dmax、Simulinkt、及其他易于使用的圖形操作軟件。通過(guò)建模與仿真，使教學(xué)找到了更有效的方法，通過(guò)適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛦卧捌湎嗷プ饔么蚱屏藦?fù)雜性。通過(guò)編輯程序解釋一些復(fù)雜的現(xiàn)象，如微電子器件的功率與穩(wěn)定性、負(fù)載流等。在器件工作中，理論與算法的解決方案大部分需要現(xiàn)場(chǎng)操作。在我們的教學(xué)中，可以利用模擬工具來(lái)執(zhí)行，為進(jìn)一步的復(fù)雜情況確定新的教學(xué)方式。
通過(guò)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜性說(shuō)明可以更好的講授一些現(xiàn)象，使得問(wèn)題從容易到復(fù)雜過(guò)渡，特別是進(jìn)行大型集成電路的設(shè)計(jì)問(wèn)題，可以結(jié)合仿真工具進(jìn)行解決。
二、器件與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的分析與模擬
狀態(tài)的功能是系統(tǒng)不可分割的一部分，在設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)不同的系統(tǒng)計(jì)算最佳工作狀態(tài)，處理子系統(tǒng)與整體系統(tǒng)之間的關(guān)系。因此，在教學(xué)中，引入的概念、觀測(cè)、位置、數(shù)據(jù)和誤差具有十分重要的作用，對(duì)其有效的講述有利于更好地理解和解釋狀態(tài)的結(jié)果，可以采用模擬工具達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。在模擬工具中，使用一個(gè)互動(dòng)的教學(xué)工具，能夠提供即時(shí)的、有效的反饋給學(xué)生。我們給這個(gè)工具命名為電子教學(xué)工具(EET)。該教學(xué)工具由幾個(gè)應(yīng)用程序所組成。在圖形用戶界面下運(yùn)行。它允許交互式數(shù)據(jù)輸入和顯示的結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)上顯示。學(xué)生可以即時(shí)觀察在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的結(jié)果，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)圖，然后進(jìn)行提交，下面的例子可以用來(lái)說(shuō)明采用EET教授上述概念的作用。
實(shí)例1：設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，能夠使得網(wǎng)絡(luò)可觀察，并且允許錯(cuò)誤數(shù)據(jù)在整個(gè)測(cè)量中被識(shí)別。
在此設(shè)計(jì)中，將給予學(xué)生網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。他們首先建立系統(tǒng)圖形，然后將數(shù)據(jù)應(yīng)用于系統(tǒng)中。在任何設(shè)計(jì)階段，學(xué)生可以激活觀測(cè)實(shí)驗(yàn)功能的可視化分析，學(xué)生確保任何測(cè)量準(zhǔn)確無(wú)誤。通過(guò)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)圖上的運(yùn)行狀態(tài)，確定所有關(guān)鍵測(cè)試均在網(wǎng)絡(luò)圖上。
實(shí)例2：通過(guò)人為引入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并觀察其在評(píng)估中的作用
由于有些測(cè)量非常關(guān)鍵，因此，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)將不被探測(cè)到。另一些正確數(shù)據(jù)屬于非關(guān)鍵數(shù)據(jù)，且沒(méi)有適當(dāng)?shù)纳矸葑C明，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)在冗余的測(cè)量中將回到測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試中還包括以下情況：沒(méi)有測(cè)量的誤差出現(xiàn)，但進(jìn)行新的測(cè)量設(shè)置分析。因此，測(cè)量可用于不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且拓?fù)溴e(cuò)誤對(duì)狀態(tài)評(píng)估有影響，通過(guò)觀察可以解釋測(cè)量狀態(tài)。
EET軟件已經(jīng)在兩個(gè)本科生和研究生班運(yùn)行，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為有一個(gè)互動(dòng)工具使得學(xué)習(xí)變得簡(jiǎn)單，讓他們除了體會(huì)到分析外，還有設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，使得整個(gè)教學(xué)與實(shí)際的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用得到了很好的結(jié)合。
實(shí)例3：繼電保護(hù)行為
傳統(tǒng)的教學(xué)在繼電保護(hù)一章中主要是介紹短路的方法表示故障值，并使用相位模型研究繼電器的設(shè)計(jì)。這種方法不能理解系統(tǒng)中的瞬態(tài)行為及相關(guān)的延遲反應(yīng)。沒(méi)有這些理解，學(xué)生很難根據(jù)需要選擇和應(yīng)用各個(gè)繼電器設(shè)計(jì)。今天的微處理繼電器是復(fù)雜控制器，利用了先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)。需要了解其運(yùn)作和行為。確定與故障瞬變相關(guān)的問(wèn)題。在繼電保護(hù)中，需進(jìn)行短路研究并解決時(shí)間域的電磁暫態(tài)，要求熟悉基本功能(采樣、濾波、A/D轉(zhuǎn)換)，并能夠分析信號(hào)處理算法在最常見(jiàn)的數(shù)字信號(hào)處理中的作用，及評(píng)估動(dòng)態(tài)之間的互動(dòng)等。
為了表示數(shù)字繼電器和系統(tǒng)模型。使互動(dòng)過(guò)程的故障更容易理解，需采用合適的教學(xué)工具。我們采用Matlab和Sinmlink，自己開(kāi)發(fā)了一套新工具，命名為MS2008。因?yàn)镸atlab及其各種工具箱已經(jīng)被普遍使用，工具箱、模擬系統(tǒng)等均是其中不可分割的一部分，因此可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)需要進(jìn)一步發(fā)展，使之更容易進(jìn)行鏈接，并通過(guò)信號(hào)延遲說(shuō)明數(shù)字處理的作用。在數(shù)字繼電器的設(shè)計(jì)中，可采用三大信號(hào)處理單元：①數(shù)據(jù)采集塊，其構(gòu)成前端的繼電器和連接數(shù)字處理部分的模擬輸入;②輸入信號(hào)參數(shù)的測(cè)量塊;③信號(hào)參數(shù)設(shè)置塊，適用于某些延誤和邏輯功能，以便發(fā)出跳閘和報(bào)警的信號(hào)。在這個(gè)實(shí)例中，學(xué)生可以主動(dòng)在系統(tǒng)模型中排查故障，并觀察繼電器的反應(yīng)。根據(jù)不同故障反應(yīng)設(shè)置不同的方案，確定短路的解決辦法。
這一套建模和仿真工具已經(jīng)在木科生課程中使用，該工具的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能選擇適當(dāng)?shù)能浖K。學(xué)生反饋認(rèn)為有機(jī)會(huì)親身體體驗(yàn)設(shè)計(jì)繼電器和中繼站，該教學(xué)工具具有很好的使用價(jià)值。
實(shí)例4：對(duì)負(fù)載流的理解
對(duì)負(fù)載流來(lái)說(shuō)，只用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型和小型系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行教學(xué)很困難，難以講清楚重要的互聯(lián)系統(tǒng)。在負(fù)載流教學(xué)中，要涉及兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的計(jì)算問(wèn)題：建模及算法的方法。包括以下的基本概念：①基本模型式和網(wǎng)絡(luò)矩陣;②一般的算法解決方案，包括高斯一賽德?tīng)枴⑴ｎD一迭代，快速分解算法和直流負(fù)載流量逼近。通過(guò)對(duì)基本概念的分析可以讓學(xué)生進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，但更深入的學(xué)習(xí)，還應(yīng)該解決重要的建模及算法，可以使用模擬工具以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。
根據(jù)負(fù)載流的標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)行建模和建立解決方案，利用Madab代碼執(zhí)行算法。學(xué)生通過(guò)課堂教學(xué)可以對(duì)模型有一個(gè)基本的了解，同時(shí)，對(duì)數(shù)值算法和銜接的概念也有一定的理解。
在這個(gè)階段，學(xué)生可以接觸到比較復(fù)雜的模型，利用該模型，學(xué)生給出Matlab的源代碼和數(shù)據(jù)，并修改算法。在整個(gè)過(guò)程中，要求學(xué)生提出意見(jiàn)、學(xué)習(xí)并提出負(fù)載流解決方案。比如采用采用牛頓迭代、說(shuō)明自適應(yīng)大小的收斂性問(wèn)題。
通過(guò)學(xué)生的評(píng)價(jià)及與學(xué)生之間的討論對(duì)以上方法進(jìn)行了評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果，在微電子器件與系統(tǒng)教學(xué)中。可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行數(shù)字建模與仿真，提高課程的教學(xué)效果。
三、結(jié)論
在微電子器件與系統(tǒng)的教學(xué)中，利用matlab、3DMAX等軟件進(jìn)行建模與仿真，可以直觀的表現(xiàn)器件與系統(tǒng)的功能，有利于教學(xué)水平的提高。
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