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數字建模與仿真在《微電子器件與系統》教學中論文
本文介紹了數字建模與仿真在《微電子器件與系統》教學中的作用，利用matlab、3DMAX等軟件進行建模與仿真，可以直觀的表現器件與系統的功能，有利于教學水平的提高，并得到學生的認可和歡迎，根據教學實例的驗證，可以確定數字建模與仿真在微電子器件與系統教學中有著重要的作用。
自21世紀以來，隨著電子科學與技術的飛速發展。器件與系統的種類、復雜程度日益提高。給這方面的教學帶來了新的挑戰。因此，隨著時代的發展，傳統的電子技術課程的教學方法必須加以改變。使得畢業生具有在日趨激烈競爭的社會中所需的知識，模型與仿真的就是一種很重要的教學方法。利用數字建模與仿真可以實現對制造、測試、驗證、應用過程的模擬，減少設計的工作量，簡化測試的復雜程度，給生產帶來很大方便，也有利教學工作的進行和發展。
本文根據教學目標，進行建模與仿真，對幾種教學工具進行了研究以便滿足教學需要，其中包括自定義工具箱、一般用途工具箱和程序。每個建模與仿真工具都能夠滿足特定的教學任務與教學需要。
一、建模與仿真在教學中的作用
建模與仿真在微電子器件與系統教學中一般具有如下作用：①用不同的數學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行解釋;②對輸入輸出關系進行更直觀描述;③通過建模可以進一步理解物理現象;④可以使用合適的、易于使用的計算工具。
目前，很多教學工具在教學內容的層次與復雜性上面沒有足夠的彈性，使得學生對概念和方法難以理解和掌握。如果不能從實際效用中獲得數據，則程序往往無法操作，計算無法進行。我們在實際的教學研究中。發展了建模與仿真方法，制作適當的工具來滿足課堂需要，常用的軟件有Matlab、3Dmax、Simulinkt、及其他易于使用的圖形操作軟件。通過建模與仿真，使教學找到了更有效的方法，通過適當的模型單元及其相互作用打破了復雜性。通過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操作。在我們的教學中，可以利用模擬工具來執行，為進一步的復雜情況確定新的教學方式。
通過對真實系統的復雜性說明可以更好的講授一些現象，使得問題從容易到復雜過渡，特別是進行大型集成電路的設計問題，可以結合仿真工具進行解決。
二、器件與系統運行狀態的分析與模擬
狀態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，處理子系統與整體系統之間的關系。因此，在教學中，引入的概念、觀測、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的結果，可以采用模擬工具達到教學目標。在模擬工具中，使用一個互動的教學工具，能夠提供即時的、有效的反饋給學生。我們給這個工具命名為電子教學工具(EET)。該教學工具由幾個應用程序所組成。在圖形用戶界面下運行。它允許交互式數據輸入和顯示的結果在網絡上顯示。學生可以即時觀察在網絡上運行的結果，并根據網絡數據，建立系統圖，然后進行提交，下面的例子可以用來說明采用EET教授上述概念的作用。
實例1：設計一個測量系統，能夠使得網絡可觀察，并且允許錯誤數據在整個測量中被識別。
在此設計中，將給予學生網絡數據。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，學生可以激活觀測實驗功能的可視化分析，學生確保任何測量準確無誤。通過測量網絡圖上的運行狀態，確定所有關鍵測試均在網絡圖上。
實例2：通過人為引入錯誤數據并觀察其在評估中的作用
由于有些測量非常關鍵，因此，錯誤數據將不被探測到。另一些正確數據屬于非關鍵數據，且沒有適當的身份證明，錯誤數據在冗余的測量中將回到測試過程中，測試中還包括以下情況：沒有測量的誤差出現，但進行新的測量設置分析。因此，測量可用于不同的拓撲結構，且拓撲錯誤對狀態評估有影響，通過觀察可以解釋測量狀態。
EET軟件已經在兩個本科生和研究生班運行，大多數學生認為有一個互動工具使得學習變得簡單，讓他們除了體會到分析外，還有設計方面的問題，使得整個教學與實際的工程設計應用得到了很好的結合。
實例3：繼電保護行為
傳統的教學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行為及相關的延遲反應。沒有這些理解，學生很難根據需要選擇和應用各個繼電器設計。今天的微處理繼電器是復雜控制器，利用了先進的信號處理技術。需要了解其運作和行為。確定與故障瞬變相關的問題。在繼電保護中，需進行短路研究并解決時間域的電磁暫態，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的數字信號處理中的作用，及評估動態之間的互動等。
為了表示數字繼電器和系統模型。使互動過程的故障更容易理解，需采用合適的教學工具。我們采用Matlab和Sinmlink，自己開發了一套新工具，命名為MS2008。因為Matlab及其各種工具箱已經被普遍使用，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一步發展，使之更容易進行鏈接，并通過信號延遲說明數字處理的作用。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，以便發出跳閘和報警的信號。在這個實例中，學生可以主動在系統模型中排查故障，并觀察繼電器的反應。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在木科生課程中使用，該工具的一個優點是能選擇適當的軟件模塊。學生反饋認為有機會親身體體驗設計繼電器和中繼站，該教學工具具有很好的使用價值。
實例4：對負載流的理解
對負載流來說，只用簡單數學模型和小型系統來進行教學很困難，難以講清楚重要的互聯系統。在負載流教學中，要涉及兩個互相關聯的計算問題：建模及算法的方法。包括以下的基本概念：①基本模型式和網絡矩陣;②一般的算法解決方案，包括高斯一賽德爾、牛頓一迭代，快速分解算法和直流負載流量逼近。通過對基本概念的分析可以讓學生進行算法設計，但更深入的學習，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目標。
根據負載流的標準，可以進行建模和建立解決方案，利用Madab代碼執行算法。學生通過課堂教學可以對模型有一個基本的了解，同時，對數值算法和銜接的概念也有一定的理解。
在這個階段，學生可以接觸到比較復雜的模型，利用該模型，學生給出Matlab的源代碼和數據，并修改算法。在整個過程中，要求學生提出意見、學習并提出負載流解決方案。比如采用采用牛頓迭代、說明自適應大小的收斂性問題。
通過學生的評價及與學生之間的討論對以上方法進行了評估，根據評估結果，在微電子器件與系統教學中。可以根據實際需要進行數字建模與仿真，提高課程的教學效果。
三、結論
在微電子器件與系統的教學中，利用matlab、3DMAX等軟件進行建模與仿真，可以直觀的表現器件與系統的功能，有利于教學水平的提高。
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