基于EDA軟件的電子信息工程專業(yè)綜合實(shí)踐新思路

曹立杰 李松松 李響 宋維波 姜鳳嬌

[摘 要] 通過(guò)分析電子信息工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的重要性以及傳統(tǒng)實(shí)踐課程存在的問(wèn)題，本文提出將多種EDA軟件結(jié)合，引入綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過(guò)學(xué)生自行設(shè)計(jì)電路、分析電路功能、制作印刷電路板、焊接元器件、調(diào)試等環(huán)節(jié)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] 實(shí)踐能力； 綜合實(shí)踐； Multisim； Protel

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 05. 073

[中圖分類號(hào)] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2014）05- 0124- 03

1 實(shí)踐課程的重要性

電子信息工程專業(yè)是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，畢業(yè)生的工程實(shí)踐能力， 是本科院校培養(yǎng)方案中畢業(yè)生所要具備的基本能力之一，也是用人單位最為關(guān)注的能力之一， 因此，如何加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，一直是高等教育教學(xué)改革的重要課題。

電子信息工程專業(yè)傳統(tǒng)的實(shí)踐課程基本都是針對(duì)單一技能進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)難以形成知識(shí)體系，知識(shí)孤島相對(duì)較多。因此，為了加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，大連海洋大學(xué)在制訂人才培養(yǎng)方案時(shí)特別增加了電子專業(yè)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，旨在結(jié)合本專業(yè)所學(xué)習(xí)的理論課程，探索應(yīng)用Multisim和Protel等EDA技術(shù)進(jìn)行綜合實(shí)踐的方法，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)理論知識(shí)融合在一起，進(jìn)而熟悉電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和制作流程。

2 綜合實(shí)踐實(shí)施思路

在綜合實(shí)踐過(guò)程中，首先，根據(jù)設(shè)計(jì)的具體要求和其工作原理設(shè)計(jì)原理圖；其次，在Multisim軟件中取用正確的元器件，創(chuàng)建仿真電路圖，并按要求連線，設(shè)置電路參數(shù)；最后，調(diào)出虛擬示波器、萬(wàn)用表及頻譜分析儀等儀表對(duì)電路關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。以上步驟準(zhǔn)備完畢可進(jìn)行電路仿真，根據(jù)電路的要求分析結(jié)果是否正確，如果仿真結(jié)果不正確，檢查原理圖設(shè)計(jì)，直至輸出結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過(guò)上述步驟，學(xué)生已經(jīng)設(shè)計(jì)出正確的原理圖，并通過(guò)仿真驗(yàn)證其正確性。為了讓學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力，要求學(xué)生利用Protel軟件進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì)。Protel提供了豐富的元件封裝庫(kù)、元件封裝編輯器及各種電子線路布局布線工具，使電路布線方便并能提供線路的智能檢查。正確布局布線之后，可以通過(guò)Protel生成三維效果圖，可觀察所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)布局布線后是否美觀，若有不滿意的地方，再進(jìn)行調(diào)整，直到滿意為止。

如果制作的印刷電路板工藝比較復(fù)雜，可以請(qǐng)專門的印刷電路板制造廠商制作，但是，在實(shí)踐環(huán)節(jié)為了讓學(xué)生對(duì)整個(gè)工作流程有所了解，所以采用學(xué)生自己制板的方法。首先，學(xué)生將印刷電路板圖打印，通過(guò)熱轉(zhuǎn)印設(shè)備將印刷電路板圖轉(zhuǎn)印到印刷電路板上；然后，通過(guò)化學(xué)制劑對(duì)印刷電路板進(jìn)行腐蝕工藝處理，腐蝕結(jié)束，學(xué)生要觀察有沒(méi)有被破壞的導(dǎo)線，如有，應(yīng)修繕完好；最后，焊接元器件，進(jìn)行功能調(diào)試。

具體實(shí)施流程如圖1所示。

下面以數(shù)字電子鐘為例，主要介紹在綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)中Multisim和Protel軟件如何運(yùn)用。

2.1 數(shù)字電子鐘的Multisim仿真設(shè)計(jì)

數(shù)字電子鐘是對(duì)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，可以采用一天24小時(shí)或者一天12小時(shí)兩種計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)中采用24小時(shí)計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。包括如下模塊：

2.1.1 秒脈沖發(fā)生器

秒脈沖發(fā)生器的功能為產(chǎn)生周期為1 s的脈沖信號(hào)。由555定時(shí)器構(gòu)成，通過(guò)在555定時(shí)器外圍連接簡(jiǎn)單的阻容元件，構(gòu)成多諧振蕩器，通過(guò)合理設(shè)定參數(shù)，使得多諧振蕩器的周期T = 1 s，占空比q = ■。

2.1.2 秒計(jì)時(shí)電路

使用74LS160和74LS161設(shè)計(jì)一個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)周期為1秒，即每經(jīng)過(guò)一個(gè)脈沖，秒計(jì)時(shí)電路計(jì)1個(gè)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)60秒時(shí)，達(dá)到1分鐘，此時(shí)秒計(jì)時(shí)電路歸零、分鐘計(jì)時(shí)電路加1。為了驗(yàn)證電路準(zhǔn)確性，在Multisim中先對(duì)本部分設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，仿真時(shí)用信號(hào)發(fā)生器代替秒脈沖，在數(shù)碼管上可直觀地觀察到時(shí)間顯示，仿真結(jié)果如圖2所示。

2.1.3 分鐘計(jì)時(shí)電路

分鐘計(jì)時(shí)電路與秒計(jì)時(shí)電路原理非常相似，使用74LS160設(shè)計(jì)一個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，但它的計(jì)數(shù)周期為1分鐘，當(dāng)計(jì)數(shù)60分鐘時(shí)，分鐘計(jì)時(shí)電路歸零，同時(shí)控制小時(shí)計(jì)時(shí)電路加1。

2.1.4 小時(shí)計(jì)時(shí)電路

為了設(shè)計(jì)方便，小時(shí)計(jì)時(shí)電路也取用74LS160，當(dāng)分鐘計(jì)時(shí)電路和秒計(jì)時(shí)電路達(dá)到59分59秒時(shí)，小時(shí)記1，依此類推。

2.1.5 顯示電路

秒計(jì)時(shí)電路、分鐘計(jì)時(shí)電路和小時(shí)計(jì)時(shí)電路輸出均為8421BCD碼，而顯示器件我們一般都選用7段數(shù)碼管，若想使數(shù)碼管顯示正確的8421BCD碼，需要在計(jì)數(shù)器和數(shù)碼管之間連接顯示譯碼器。

在Multisim軟件中，將上述每一個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后將整機(jī)圖進(jìn)行仿真。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，已經(jīng)設(shè)計(jì)出數(shù)字電子鐘的原理圖。接下來(lái)，設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘的印刷電路板圖。

2.2 數(shù)字電子鐘的印刷電路板設(shè)計(jì)

Protel是一款非常簡(jiǎn)單、易用的制作印刷電路板工具。在驗(yàn)證了原理圖設(shè)計(jì)正確之后，學(xué)生可以應(yīng)用Protel軟件進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì)。在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用Protel，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，例如有些元件學(xué)生需要建立自己的元件封裝庫(kù)、元件引腳間距必須與實(shí)際元件一致、放置元器件時(shí)要考慮布線安全等問(wèn)題，這一系列的過(guò)程使學(xué)生掌握了元件庫(kù)的建立、布局布線的基本規(guī)則與技巧，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和自我創(chuàng)新的能力。

以上設(shè)計(jì)的數(shù)字電子鐘印刷電路板圖如圖3所示，其3D效果圖如圖4所示。

3 結(jié) 論

電子信息工程專業(yè)綜合實(shí)踐是課程教學(xué)體系中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)， 它不僅對(duì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、加深對(duì)理論的感性認(rèn)識(shí)有著非常重要的作用， 同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的主要途徑。學(xué)生按照老師的設(shè)計(jì)要求，可以自行設(shè)計(jì)電路，可以對(duì)比不同的輸入情況下的輸出結(jié)果，自主選擇元器件，設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的電路，擺脫了傳統(tǒng)實(shí)踐課程中電路固定、元器件固定等方面的限制。在電子綜合實(shí)踐實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情被激發(fā)，大幅度提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，以及學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，取得了較好的教學(xué)效果。

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