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數字建模與仿真在《微電子器件與系統》教學(xué)中論文
本文介紹了數字建模與仿真在《微電子器件與系統》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(guān)的表現器件與系統的功能，有利于教學(xué)水平的提高，并得到學(xué)生的認可和歡迎，根據教學(xué)實(shí)例的驗證，可以確定數字建模與仿真在微電子器件與系統教學(xué)中有著(zhù)重要的作用。
自21世紀以來(lái)，隨著(zhù)電子科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展。器件與系統的種類(lèi)、復雜程度日益提高。給這方面的教學(xué)帶來(lái)了新的挑戰。因此，隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，傳統的電子技術(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爭的社會(huì )中所需的知識，模型與仿真的就是一種很重要的教學(xué)方法。利用數字建模與仿真可以實(shí)現對制造、測試、驗證、應用過(guò)程的模擬，減少設計的工作量，簡(jiǎn)化測試的復雜程度，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。
本文根據教學(xué)目標，進(jìn)行建模與仿真，對幾種教學(xué)工具進(jìn)行了研究以便滿(mǎn)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(mǎn)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教學(xué)中一般具有如下作用：①用不同的數學(xué)公式所描述的復雜物理相互作用可以用清晰明了的方式進(jìn)行解釋;②對輸入輸出關(guān)系進(jìn)行更直觀(guān)描述;③通過(guò)建�？梢赃M(jìn)一步理解物理現象;④可以使用合適的、易于使用的計算工具。
目前，很多教學(xué)工具在教學(xué)內容的層次與復雜性上面沒(méi)有足夠的彈性，使得學(xué)生對概念和方法難以理解和掌握。如果不能從實(shí)際效用中獲得數據，則程序往往無(wú)法操作，計算無(wú)法進(jìn)行。我們在實(shí)際的教學(xué)研究中。發(fā)展了建模與仿真方法，制作適當的工具來(lái)滿(mǎn)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)適當的模型單元及其相互作用打破了復雜性。通過(guò)編輯程序解釋一些復雜的現象，如微電子器件的功率與穩定性、負載流等。在器件工作中，理論與算法的解決方案大部分需要現場(chǎng)操作。在我們的教學(xué)中，可以利用模擬工具來(lái)執行，為進(jìn)一步的復雜情況確定新的教學(xué)方式。
通過(guò)對真實(shí)系統的復雜性說(shuō)明可以更好的講授一些現象，使得問(wèn)題從容易到復雜過(guò)渡，特別是進(jìn)行大型集成電路的設計問(wèn)題，可以結合仿真工具進(jìn)行解決。
二、器件與系統運行狀態(tài)的分析與模擬
狀態(tài)的功能是系統不可分割的一部分，在設計中，需要根據不同的系統計算最佳工作狀態(tài)，處理子系統與整體系統之間的關(guān)系。因此，在教學(xué)中，引入的概念、觀(guān)測、位置、數據和誤差具有十分重要的作用，對其有效的講述有利于更好地理解和解釋狀態(tài)的結果，可以采用模擬工具達到教學(xué)目標。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)應用程序所組成。在圖形用戶(hù)界面下運行。它允許交互式數據輸入和顯示的結果在網(wǎng)絡(luò )上顯示。學(xué)生可以即時(shí)觀(guān)察在網(wǎng)絡(luò )上運行的結果，并根據網(wǎng)絡(luò )數據，建立系統圖，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：設計一個(gè)測量系統，能夠使得網(wǎng)絡(luò )可觀(guān)察，并且允許錯誤數據在整個(gè)測量中被識別。
在此設計中，將給予學(xué)生網(wǎng)絡(luò )數據。他們首先建立系統圖形，然后將數據應用于系統中。在任何設計階段，學(xué)生可以激活觀(guān)測實(shí)驗功能的可視化分析，學(xué)生確保任何測量準確無(wú)誤。通過(guò)測量網(wǎng)絡(luò )圖上的運行狀態(tài)，確定所有關(guān)鍵測試均在網(wǎng)絡(luò )圖上。
實(shí)例2：通過(guò)人為引入錯誤數據并觀(guān)察其在評估中的作用
由于有些測量非常關(guān)鍵，因此，錯誤數據將不被探測到。另一些正確數據屬于非關(guān)鍵數據，且沒(méi)有適當的身份證明，錯誤數據在冗余的測量中將回到測試過(guò)程中，測試中還包括以下情況：沒(méi)有測量的誤差出現，但進(jìn)行新的測量設置分析。因此，測量可用于不同的拓撲結構，且拓撲錯誤對狀態(tài)評估有影響，通過(guò)觀(guān)察可以解釋測量狀態(tài)。
EET軟件已經(jīng)在兩個(gè)本科生和研究生班運行，大多數學(xué)生認為有一個(gè)互動(dòng)工具使得學(xué)習變得簡(jiǎn)單，讓他們除了體會(huì )到分析外，還有設計方面的問(wèn)題，使得整個(gè)教學(xué)與實(shí)際的工程設計應用得到了很好的結合。
實(shí)例3：繼電保護行為
傳統的教學(xué)在繼電保護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計。這種方法不能理解系統中的瞬態(tài)行為及相關(guān)的延遲反應。沒(méi)有這些理解，學(xué)生很難根據需要選擇和應用各個(gè)繼電器設計。今天的微處理繼電器是復雜控制器，利用了先進(jìn)的信號處理技術(shù)。需要了解其運作和行為。確定與故障瞬變相關(guān)的問(wèn)題。在繼電保護中，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轉換)，并能夠分析信號處理算法在最常見(jiàn)的數字信號處理中的作用，及評估動(dòng)態(tài)之間的互動(dòng)等。
為了表示數字繼電器和系統模型。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。因為Matlab及其各種工具箱已經(jīng)被普遍使用，工具箱、模擬系統等均是其中不可分割的一部分，因此可以根據數據庫需要進(jìn)一步發(fā)展，使之更容易進(jìn)行鏈接，并通過(guò)信號延遲說(shuō)明數字處理的作用。在數字繼電器的設計中，可采用三大信號處理單元：①數據采集塊，其構成前端的繼電器和連接數字處理部分的模擬輸入;②輸入信號參數的測量塊;③信號參數設置塊，適用于某些延誤和邏輯功能，以便發(fā)出跳閘和報警的信號。在這個(gè)實(shí)例中，學(xué)生可以主動(dòng)在系統模型中排查故障，并觀(guān)察繼電器的反應。根據不同故障反應設置不同的方案，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)是能選擇適當的軟件模塊。學(xué)生反饋認為有機會(huì )親身體體驗設計繼電器和中繼站，該教學(xué)工具具有很好的使用價(jià)值。
實(shí)例4：對負載流的理解
對負載流來(lái)說(shuō)，只用簡(jiǎn)單數學(xué)模型和小型系統來(lái)進(jìn)行教學(xué)很困難，難以講清楚重要的互聯(lián)系統。在負載流教學(xué)中，要涉及兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的計算問(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)�、牛頓一迭代，快速分解算法和直流負載流量逼近。通過(guò)對基本概念的分析可以讓學(xué)生進(jìn)行算法設計，但更深入的學(xué)習，還應該解決重要的建模及算法，可以使用模擬工具以達到教學(xué)目標。
根據負載流的標準，可以進(jìn)行建模和建立解決方案，利用Madab代碼執行算法。學(xué)生通過(guò)課堂教學(xué)可以對模型有一個(gè)基本的了解，同時(shí)，對數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雜的模型，利用該模型，學(xué)生給出Matlab的源代碼和數據，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)習并提出負載流解決方案。比如采用采用牛頓迭代、說(shuō)明自適應大小的收斂性問(wèn)題。
通過(guò)學(xué)生的評價(jià)及與學(xué)生之間的討論對以上方法進(jìn)行了評估，根據評估結果，在微電子器件與系統教學(xué)中�？梢愿鶕䦟�(shí)際需要進(jìn)行數字建模與仿真，提高課程的教學(xué)效果。
三、結論
在微電子器件與系統的教學(xué)中，利用matlab、3DMAX等軟件進(jìn)行建模與仿真，可以直觀(guān)的表現器件與系統的功能，有利于教學(xué)水平的提高。
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