虛擬電子實(shí)驗(yàn)室在“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”中的應(yīng)用

摘要：“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”是電類專業(yè)學(xué)生的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。介紹了電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的方法，并以簡易電子琴為例重點(diǎn)介紹了基于Muhisim仿真軟件的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室在“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”中的應(yīng)用，闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”教學(xué)改革的影響和作用。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；Muhisim；仿真簡易電子琴

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）24-0083-03

“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”是電氣、電子等電類專業(yè)教學(xué)中的一個(gè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是針對(duì)“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”課程基本理論知識(shí)進(jìn)行的綜合性訓(xùn)練。其目的是通過學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行某一課題的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，鞏固和加深對(duì)電子技術(shù)課程理論知識(shí)的理解，初步掌握電子電路的一般設(shè)計(jì)方法，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐技能，為以后從事電子電路設(shè)計(jì)、研制電子產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。[1]

在“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”課程中通常只介紹單元電路的結(jié)構(gòu)原理、集成芯片的特性功能等。[2，3]而“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”的課題常常是一個(gè)由多個(gè)單元電路、集成芯片組成的小電子系統(tǒng)。為獲得綜合訓(xùn)練的良好效果，“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”課題的選擇顯得十分重要。應(yīng)盡量選擇適合學(xué)生當(dāng)前知識(shí)結(jié)構(gòu)和水平，又具有一定趣味性的小型實(shí)用電子系統(tǒng)，例如低頻功率放大器、簡易電子琴、直流穩(wěn)壓電源、彩燈控制器、數(shù)字搶答器、交通燈控制、多功能數(shù)字鐘等。電子琴因?yàn)椴僮骱唵?，而廣受大眾的喜愛，其實(shí)現(xiàn)的方案多種多樣，如單片機(jī)、FPGA等。[4，5]但作為“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”的課題，其主振電路通常采用RC串并聯(lián)振蕩電路，信號(hào)再經(jīng)功率放大并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)音，涉及到“模擬電子技術(shù)”課程中RC正弦波振蕩電路以及功率放大電路的知識(shí)。而多功能數(shù)字鐘是另一個(gè)典型的電子電路系統(tǒng)，可使學(xué)生將“數(shù)字電子技術(shù)”課程中學(xué)過的計(jì)數(shù)器、顯示譯碼器及數(shù)碼管等電路知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來構(gòu)成一個(gè)有趣而實(shí)用的小系統(tǒng)。

電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往與設(shè)計(jì)者綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力、經(jīng)驗(yàn)等有關(guān)?！半娮蛹夹g(shù)課程設(shè)計(jì)”的一般方法和步驟是：理論設(shè)計(jì)——總體方案設(shè)計(jì)、單元電路設(shè)計(jì)、單元電路之間的連接；仿真測試——運(yùn)用EDA工具進(jìn)行模擬，以進(jìn)一步完善理論設(shè)計(jì)；安裝調(diào)試——對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行電路搭接，對(duì)方案及單元電路參數(shù)進(jìn)行修改并繪制總體電路；撰寫報(bào)告——寫出課程設(shè)計(jì)說明書。EDA技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用為設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)提供了有效的電路分析設(shè)計(jì)手段。仿真測試就是運(yùn)用EDA工具進(jìn)行電路模擬，以驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)方案的正確性，經(jīng)逐步完善后再進(jìn)行實(shí)物安裝調(diào)試，為學(xué)生提供了一個(gè)不受時(shí)間地點(diǎn)限制的可獨(dú)立操作的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。既減少了對(duì)電子器件和儀器的限制，也節(jié)省了時(shí)間，從而提高了設(shè)計(jì)效率。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室簡介

當(dāng)前主流的電子電路仿真和設(shè)計(jì)工具有PSPICE、PROTEL、Muhisim等，它們均有較強(qiáng)的仿真功能，即在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)電子電路及系統(tǒng)，并通過修改元器件的參數(shù)或電路結(jié)構(gòu)，利用虛擬儀器測試電路參數(shù)指標(biāo)。盡管在電子電路仿真方面三種軟件的功能相近，但它們又各有所長。PSPICE、Multisim兩種軟件主要側(cè)重于電路的仿真，PROTEL軟件側(cè)重于PCB圖的設(shè)計(jì)。下面簡單介紹這三種軟件。[6]

1.PSPICE

1984年MicroSim公司推出了基于美國加州大學(xué)伯克利分校于20世紀(jì)70年代推出的Spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）的PC版軟件——PSPICE。它是一款仿真精度高、功能強(qiáng)大的模擬和數(shù)字電路（包括對(duì)中規(guī)模和大規(guī)模集成電路）仿真軟件，在國內(nèi)外得到了普遍使用，尤其是在集成電路的仿真方面。

2.PROTEL

20世紀(jì)80年代末，PROTEL（現(xiàn)更名為Altium）公司推出了一款CAD工具——PROTEL。早期的PROTEL主要作為PCB板自動(dòng)布線的工具，現(xiàn)在普遍使用的是PROTEL 99、SE等，已是一個(gè)全方位的功能強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括原理圖繪制、電路仿真、PCB板設(shè)計(jì)等功能。但它最具代表性的是電路的PCB設(shè)計(jì)。

3.Multisim

Multisim的前身是加拿大IIT（Interactive Image Technoligics Ltd）公司在20世紀(jì)80年代后期研制推出的基于Windows的虛擬電子工作平臺(tái)EWB（Electronics Workbench），后被美國NI公司收購后，更名為NI Multisim，主要用于模擬和數(shù)字電路的仿真。該軟件的很多功能模仿了Spice的設(shè)計(jì)，但界面直觀，易學(xué)易用。它提供了萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃描儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器等直觀的虛擬儀器，仿真分析能力強(qiáng)大。對(duì)于初學(xué)者而言，利用Multisim的圖形輸入方式，可以方便地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。

電子電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)不斷調(diào)試的過程。在實(shí)物上調(diào)試往往消耗大量人力、物力和財(cái)力。而且受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，某些功能未能全部實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境不具備的情況下，采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行電子電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可有效解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，這也使其更適合電子技術(shù)教育。

利用NI Multisim 11可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法相比，具有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行，可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的元器件及測試儀器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；可以方便地對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測試和分析；可以直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實(shí)驗(yàn)中不消耗實(shí)際的元器件，實(shí)驗(yàn)所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)速度快，效率高；還可以對(duì)被仿真電路中的元器件設(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。NI Multisim 11用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”“軟件即儀器”。相對(duì)其他仿真軟件，Multisim的優(yōu)點(diǎn)之一是引入了著名的安捷倫及泰克的測試儀及示波器等虛擬儀器，其控制面板、界面操作以及測量結(jié)果與實(shí)際的儀器完全相同，這使得用戶使用Muhisim猶如在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作一樣。這也促使Multisim在高等院校教學(xué)中獲得了廣泛應(yīng)用。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室Multisim應(yīng)用舉例——簡易電子琴

電子琴是電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，因其種類多、體積小、攜帶方便、價(jià)格低廉而深受音樂愛好者的喜愛。[7，8]一首首動(dòng)聽的樂曲是由不同的音階組成的，而每個(gè)音階又對(duì)應(yīng)著不同的音源振動(dòng)或振蕩頻率。傳統(tǒng)樂器與電子琴的根本區(qū)別在于音源不同。前者的音源是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的，而后者來自電振蕩。國際標(biāo)準(zhǔn)音A的頻率是440HZ，本設(shè)計(jì)所需C調(diào)八個(gè)基本音階的頻率如表1所示。

現(xiàn)代電子琴的元件眾多、電路也相當(dāng)復(fù)雜。本課題主要是通過對(duì)電子琴主體部分的電路進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)，達(dá)到電子琴固有的基本功能，故叫簡易電子琴。從模擬電子技術(shù)的角度看，其基本電路包括振蕩電路、放大電路等，即振蕩電路產(chǎn)生的各音階頻率電信號(hào)經(jīng)放大電路放大后傳給揚(yáng)聲系統(tǒng)來發(fā)音。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.理論設(shè)計(jì)

電子琴的音源是由電振蕩產(chǎn)生的，制作電子琴首先要設(shè)計(jì)適用于電子琴的振蕩電路。模擬電子電路中的橋式RC正弦波振蕩電路可以產(chǎn)生20HZ-20KHZ的正弦波，適合產(chǎn)生各音階頻率的電振蕩信號(hào)。通過利用RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，選出某個(gè)特定頻率的正弦波信號(hào)。[2]而且如果改變R或C的取值，則可以產(chǎn)生所需對(duì)應(yīng)不同音階的各種頻率的正弦信號(hào)，信號(hào)再經(jīng)放大電路放大后即可驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出所需的音階。本設(shè)計(jì)的RC串并聯(lián)支路中的兩組8個(gè)與電容串接的開關(guān)是聯(lián)動(dòng)的，對(duì)應(yīng)著電子琴的8個(gè)音階琴鍵，所以使用時(shí)只能同時(shí)閉合一個(gè)開關(guān)。而不同音階的有機(jī)組合就可奏出不同的音調(diào)。改變兩個(gè)電容的C值使得頻率改變。為了改變起振速度，可以調(diào)整Rw的大小。

振蕩電路產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過集成運(yùn)放組成的同相比例放大電路，放大一定倍數(shù)后再經(jīng)兩個(gè)功放管構(gòu)成的乙類功放電路進(jìn)行功率放大提供所需的輸出功率，以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

2.仿真測試

利用Multisim進(jìn)行虛擬仿真，可進(jìn)一步完善理論設(shè)計(jì)。大致可以分為以下幾步：首先，根據(jù)理論設(shè)計(jì)所得的方案畫好原理圖。在按照原理圖輸入時(shí)，要注意細(xì)節(jié)比如端點(diǎn)是否連接好等。圖2是初步設(shè)計(jì)的簡易電子琴的電路圖。其次，利用Multisim進(jìn)行仿真調(diào)試，同時(shí)改變兩個(gè)電容的C的值，可得到8個(gè)音階對(duì)應(yīng)的頻率。圖3為音階7的功放輸出波形及頻率。

事實(shí)上，上述電路及其仿真僅僅是某個(gè)學(xué)生做簡易電子琴課程設(shè)計(jì)時(shí)提出的幾個(gè)方案之一。就其單元電路的結(jié)構(gòu)而言，還存在許多不足之處。在設(shè)計(jì)過程中，該生對(duì)這幾種方案都進(jìn)行了仿真比較，使學(xué)生有機(jī)會(huì)從對(duì)所設(shè)計(jì)的方案中優(yōu)選出最佳方案，從而加深了對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。

3.安裝調(diào)試

根據(jù)仿真成功的電路圖，在電路板上將元器件安裝連接好，然后對(duì)實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行測試。安裝調(diào)試過程應(yīng)按照先局部后整機(jī)的原則，根據(jù)信號(hào)的流向逐個(gè)單元進(jìn)行，使各功能單元都要達(dá)到各自技術(shù)指標(biāo)的要求。本文對(duì)安裝調(diào)試過程不做詳解。

4.撰寫報(bào)告

課程設(shè)計(jì)報(bào)告書是在學(xué)生完成安裝調(diào)試后，對(duì)技術(shù)文檔進(jìn)行歸納。通過撰寫，不僅可以把設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試及其技術(shù)參數(shù)等內(nèi)容進(jìn)行全面總結(jié)，還可以把實(shí)踐內(nèi)容提升到理論高度。所以報(bào)告撰寫也是課程設(shè)計(jì)不可或缺的一環(huán)。報(bào)告書可按如下內(nèi)容順序用A4紙進(jìn)行打?。ㄗ珜懀┎⒀b訂成冊(cè)：統(tǒng)一的封面（如課程設(shè)計(jì)課題名稱、專業(yè)、班級(jí)、姓名、學(xué)號(hào)、指導(dǎo)教師）；設(shè)計(jì)任務(wù)書（學(xué)生選題時(shí)由教師提供）；課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告正文（應(yīng)包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如系統(tǒng)原理框圖、方案的論證與比較等內(nèi)容、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)如各模塊或單元電路的設(shè)計(jì)、工作原理闡述、參數(shù)計(jì)算、元器件選擇、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、完整的系統(tǒng)電路圖等、系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)測量如使用儀器儀表、故障排除、電路硬件和軟件調(diào)試的方法和技巧、指標(biāo)測試的參數(shù)和波形、測量誤差分析、總結(jié)如課題的主要內(nèi)容及使用價(jià)值、設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)和方案的優(yōu)缺點(diǎn)、改進(jìn)方向和意見等）；系統(tǒng)所需的元器件清單；成績?cè)u(píng)定表（由指導(dǎo)教師評(píng)定，理論設(shè)計(jì)占20%、仿真測試占20%、安裝調(diào)試占50%、總結(jié)報(bào)告占10%）。

三、結(jié)束語

利用仿真軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，可以不受經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、地點(diǎn)的限制，隨時(shí)隨地使設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想落實(shí)到實(shí)用有趣的課題中，提高設(shè)計(jì)效率，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，使學(xué)生在電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析過程中將所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)融會(huì)貫通。當(dāng)然，也應(yīng)看到虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)也存在著缺少實(shí)物感，且不能完全反映實(shí)際元器件工作狀況等局限。但只要能夠正確認(rèn)識(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)在課程設(shè)計(jì)教學(xué)中的地位，做到“虛”“實(shí)”結(jié)合，并充分發(fā)揮虛擬技術(shù)和硬件技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，就一定能收到好的教學(xué)效果。

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（責(zé)任編輯：孫晴）