Multisim在電子設計教學中的應用

齊家敏+耿煜+程昊

摘要：本文主要研究現(xiàn)代電子設計教學中存在教學案例與工程實際脫節(jié)、理論教學與實踐教學脫節(jié)的問題，提出Multisim電子仿真軟件應用于日常教學，同時精選實際工程案例設計協(xié)同教學。通過理論教學與課堂實踐效果發(fā)現(xiàn)此種方法對學生理論與實踐知識的提高有很好的效果，有一定的研究和推廣價值。

關鍵詞：電子設計；Multisim；接口設計；課程教學；光電隔離；555定時器

一、引言

電子設計技術是當今發(fā)展變化最快的幾個學科之一[1]。同時也是電子、控制、計算機學科專業(yè)學生必須學好的的一門專業(yè)技術基礎課[2-4]。它不但要求學生必須系統(tǒng)的掌握模擬電路、數(shù)字電路、微控制器等課程的理論分析與設計，而且最重要的是要求學生具有很強的動手實踐能力[5]。純粹的課堂理論教學顯然不能滿足現(xiàn)代電子設計技術課堂教學的要求。因此，如何才能在課堂理論教學中實現(xiàn)以學生為主、以實踐為主，同時教學采用的案例又不脫離工程實際的教學方式是很多從事電子教學的教師急需解決的研究課題[6， 7]。

本文首先討論現(xiàn)如今電子教學的現(xiàn)狀，研究它的不足之處，然后提出應用美國國家儀器公司出品的電子仿真軟件Multisim的半實物仿真技術部分替代課堂中的純理論教學，利用工程實際案例討論如何在電子設計課堂教學中提高和改善學生的學習效果，最后提出論文研究的結論。

二、電子設計教學現(xiàn)狀

電子設計技術是電子通信、計算機嵌入式硬件設計專業(yè)一門綜合性很強的應用實踐課程，它的課程主要目的是強化以前開設的電子基礎類課程，比如電路分析、模擬電路技術、數(shù)字電路技術以及各種控制器（單片機等）。培養(yǎng)學生從系統(tǒng)的角度根據(jù)設計課題目標綜合考慮設計方案。對學生的分析問題的能力、工程實踐的能力和創(chuàng)新設計能力都帶來很大的挑戰(zhàn)。電子類課程一個很鮮明的特點就是重視理論實踐與應用，純粹的理論教學與學習是不可能很好掌握電子硬件設計知識的。在CDIO工程能力培養(yǎng)環(huán)境下，該課程對動手實踐和實際工程能力的訓練應放在首要重視的地位[8]。

教學方式傳統(tǒng)，一言堂式教學已不能滿足現(xiàn)代教學特點的要求，以教師為主滿堂灌的教學方式使大多數(shù)的學生不能跟上教師的思維，缺少互動，學生被動接收，囫圇吞棗，加入學生課后不及時復習消化，就不可能使學生牢固掌握課堂所學的理論知識。這樣日復一日的惡性循環(huán)勢必影響學生的學習興趣，興趣沒了學習新的知識就無從談起。

教學內容陳舊，首先從教材的選用上就可以很明顯體會到這一點，大多數(shù)的理論教材所選用的案例都是很久以前分立電路或者采用早已淘汰不再被采用的芯片，勢必造成學生在遇到需要解決的設計問題時無從下手。

教學手段單一，大多數(shù)的教師基本都是采用多媒體進行課堂理論教學，但是很少有老師在理論推導過程中借助仿真軟件進一步驗證設計的正確性。從接受知識的研究過程發(fā)現(xiàn)，聽是第一步，看與心領神會是最重要的一步，從視覺上接收知識是最直接也是最快的一種方式。大多數(shù)的老師往往忽略了它的重要作用。造成這樣的局面也許問題出在教師的身上，對仿真軟件不熟悉或者多媒體系統(tǒng)未安裝相應的仿真軟件系統(tǒng)等。

實踐與理論脫節(jié)，很有一部分教師嚴格按照教材進行理論教學，理論部分講解比較透徹，但是往往忽略了實踐部分成本、可靠性等方面的因素。

工程訓練匱乏，大多數(shù)的高校在工程訓練的硬件配套設備跟不上時代的發(fā)展，多數(shù)為陳舊的電子設備。名義上的工程訓練大多都是走過場，重形式而沒起到真正對學生實際工程能力的培養(yǎng)。

重理論輕實踐，最明顯的就是理論課時與實踐課時分配不合理，學生僅僅靠幾個學時的實踐是不可能完全掌握電子設計這么綜合性的學習任務。再加上學生本來就缺少工程實踐的感性認識，勢必造成理論與實踐不統(tǒng)一。

針對以上提出的幾點在實際教學與實踐中出現(xiàn)的問題，為了達到教學目標，應根據(jù)電子設計專業(yè)能力培養(yǎng)要求，充分利用現(xiàn)有的教學手段，與工程實際有機結合，課程理論教學要注重可行性、實用性和連貫性。在教材的選用上要盡可能選擇最新的教材，根據(jù)工程實際出發(fā)，選擇來自于工程實際的可行性案例，對比理論教材的案例，找出它們的不同之處，在解決實際工程設計任務的環(huán)境中培養(yǎng)學生的實際工程素養(yǎng)。另外，從課程內容的連貫性來講，一定要整體規(guī)劃、由淺入深，從工程實際設計項目的源頭來逐項解釋說明設計方案的思維源頭，讓學生真正理解和解決心中的疑問。這樣理論教學與實踐教學中間就有了聯(lián)系的渠道，沒門理論課都要安排一定的實訓課程，以解決工程實際案例為主線來學習理論課程，并在平時學習當中逐步提高和完善，把理論學習作為解決工程實際項目的原動力。

三、Multisim的特點及教學方法

Multisim是美國NI 公司推出的電子設計虛擬仿真平臺。它不但可以仿真模擬、數(shù)字和混合電路，而且可以仿真諸如單片機、ARM、DSP和部分FPGA芯片設計的電路。同時它提供了非常豐富的元器件庫以及各種虛擬測試儀器，所以它的特點不但體現(xiàn)在設計電路簡單，同時對電路的仿真測試功能也異常強大。因此，Multisim非常適合作為日常課堂教學的輔助手段及工程實際訓練。

Multisim應用于日常課堂教學首先要根據(jù)教學的知識點，選取工程實際案例，在開發(fā)環(huán)境下繪制設計電路，確定每個元器件的參數(shù)，比如電阻、電容值以及定制所選擇的集成電路。根據(jù)設計要求不斷修改電路參數(shù)值，直至滿足設計要求。在仿真滿足要求的條件下制作實際硬件電路再進行半實物仿真、實物測試。加入實物測試未能滿足要求再返回修改電路。這樣不斷反復。最終達到設計要求。它的教學與實際操作流程如圖1所示。

四、Multisim課堂教學案例設計

根據(jù)應用型人才培養(yǎng)方案要求，鼓勵選取有實用價值的工程實際案例來講解本節(jié)課所需要講解的知識點。脈沖整形電路是機電一體化數(shù)據(jù)采集、分析、控制系統(tǒng)常用的電路，同時也是電子接口設計的重點內容之一。脈沖整形常用的方法是采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或者施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又分微分型、積分型和集成型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，本案例準備采用常用的555定時器采用特定的接法實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。根據(jù)應用型人才培養(yǎng)方案要求，鼓勵教師盡可能選擇工程實際案例來講解關鍵的知識點，以免與實際脫節(jié)。所以本案例選擇作者橫向項目中采用的設計電路來進行講解。本節(jié)采用的案例是無人機（如圖2）發(fā)動機轉速接口硬件設計，項目要求設計人員采集無人機發(fā)動機的次級線圈信號來判斷發(fā)動機的轉速控制參數(shù)。小組成員和企業(yè)人員通過示波器對發(fā)動機的信號進行了各種狀態(tài)測試，發(fā)現(xiàn)信號是很不規(guī)則的信號，上下半波非規(guī)則的正選信號，且正負信號幅值相差兩倍之多以及整個信號幅值超過110伏，如圖3。很明顯飛控主板不能直接接收發(fā)動機的輸出信號（另外飛控板需要接收標準的TTL方波信號）。

經實際測試，小組成員決定采用降壓、選取信號波形一致性更好的負半周信號，加上波形整形電路的方案來解決。設計的硬件原理圖如圖4所示：

如圖4所示，發(fā)動機次級線圈輸出的正負幅值峰值接近110V，所以在Multisim仿真環(huán)境下用120V交流信號模擬發(fā)動機輸出的電壓信號。由于最終的信號要送入后面的飛控板進行處理，所以首先把電壓降到后面的光電隔離器件和555定時器能夠承受的范圍。降壓采用最常用的電阻分壓，由R1和R2來完成。電容C1和R1、R2又構成RC阻容低通濾波器，經光電隔離器件進一步改善輸入的電壓信號。圖中R3、R4主要起限流的作用，不至于電流太大而燒毀光電隔離器件，C2主要起到對光電隔離器件輸出波形的濾波（干擾主要來自于光電隔離器件的非線性和電源雜波）。光電隔離不但起到隔離輸入的高電壓信號，同時也起到限幅的作用。增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。信號經555定時器組成的施密特觸發(fā)器進一步對信號進行整形，如圖5所示，經設計的接口電路的降壓、限幅等脈沖整形手段，最終把不規(guī)則的波形整形成非常規(guī)整的方波，給后續(xù)飛控板的信號處理帶來很大的方便。

下一步的主要工作就是實際驗證，學生根據(jù)原理圖購買原件，用洞洞板制作了本接口，小組成員與企業(yè)技術人員一起對設計的硬件接口進行了實際聯(lián)機測試。首先用實際信號發(fā)生器產生的正弦波施加到設計的硬件電路上，測試效果如圖6所示。測試效果滿意之后，把實際電路接入發(fā)動機次級線圈進行實際工況測試，如圖7、圖8所示，輸出的波形效果良好，滿足設計要求。

五、結論

本文主要討論了利用Multisim仿真軟件應用到電子設計的課堂教學中，結合應用型人才培養(yǎng)方案要求，分析了當今電子設計課程教學中普遍純在的問題，從工程實際出發(fā)精選案例，不斷調整電子元器件的參數(shù)最終達到設計要求。從課堂實際教學效果來看，效果良好。使學生不但從理論上理解脈沖整形的原理，同時也學習和掌握了如何從工程實際出發(fā)設計機電一體化控制系統(tǒng)的硬件接口設計。采用這樣的教學方式不但豐富了課堂教學內容，同時也提高了學生的學習積極性。有一定的推廣實用價值。

參考文獻：

[1]杜宇上 and 肖化， "基于Multisim的混沌電路仿真實驗，" 實驗室研究與探索， pp. 42-45， 2013.

[2]于京生， 陳永志， and 康元元， "Multisim仿真軟件在模擬電子技術實驗教學中的應用，" 石家莊學院學報， pp. 46-50， 2011.

[3]王廷才， "基于Multisim的電路仿真分析與設計，" 計算機工程與設計， pp. 654-656， 2004.

[4]顏芳， 宋焱翼， 謝禮瑩， and 李新科， "基于Multisim的電路原理課程仿真實驗設計，" 實驗技術與管理， pp. 59-62， 2013.

[5]謝頌民， "基于LabVIEW和Multisim電子電路遠程虛擬實驗室的設計，" 碩士， 湖南師范大學， 2015.

[6]蒲永紅， 余粟， and 王維榮， "Multisim輔助電工電子實驗教學的探討，" 實驗室研究與探索， pp. 174-177， 2013.

[7]吳學軍 and 張靜， "EDA仿真設計在《數(shù)字電子技術基礎》課程教學中的應用，" 湖北文理學院學報， vol. 34， pp. 78-81， 2013.

[8]李文， 黃文， 趙全友， and 尹向東， "Multisim仿真的數(shù)字邏輯工程素養(yǎng)培養(yǎng)，" 實驗室研究與探索， pp. 62-65+71， 2014.

基金項目：湖北文理學院教研項目（JY2015061）；湖北省教育廳教研項目（B2016173）