基于Multisim的通信專業(yè)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)方法

楊振南，潘學(xué)文

（湖南科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，湖南永州，425199）

0 概述

電路分析基礎(chǔ)，模擬電子技術(shù)，數(shù)字電子技術(shù)是通信專業(yè)的三門重要硬件類基礎(chǔ)課程，據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，這三門課程也是學(xué)生反映學(xué)習(xí)困難比較大的課程。一般情況下，這三門的分別在三個(gè)學(xué)期開展，我校的開設(shè)時(shí)間分別是在第1/2/3學(xué)期?？傮w來看，這三門課的知識相關(guān)性非常強(qiáng)，前面課程學(xué)不好，則很容易導(dǎo)致后續(xù)課程學(xué)習(xí)困難加大。硬件相關(guān)的課程具有很強(qiáng)的工程性，實(shí)驗(yàn)對于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，驗(yàn)證理論知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)成就感都具有非常重要的作用，因此，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，對于提高這三門課的教學(xué)效果具有重要意義[1]。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端

傳統(tǒng)的電子硬件類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在教學(xué)設(shè)備制造商為課程專門定制生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行的。對于電路分析課程，通常是一臺大型的實(shí)驗(yàn)臺，該設(shè)備可以開展強(qiáng)電和弱點(diǎn)的大部分實(shí)驗(yàn)，設(shè)備上通常有電壓，電流表頭和固定的電路器件，每個(gè)器件都有兩個(gè)插孔連接，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過插接線連接器件和測試表組成網(wǎng)絡(luò)然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；對于模擬電路而言，大部分是以實(shí)驗(yàn)箱的形式出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)箱上根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分成不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以開展一個(gè)或者幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，比如三極管共發(fā)射極放大電路，共集電極放大電路，共基極放大電路，比例運(yùn)算放大電路，加法電路等。每個(gè)區(qū)域的電路輸入輸出端留有連接端子，學(xué)生通過插接線把信號發(fā)生器和示波器接入電路，開啟電源就可以獲得正確的輸出結(jié)果。數(shù)字電路與模擬電路類似，也是實(shí)驗(yàn)箱的形式，用到的集成電路類型也非常多，學(xué)生學(xué)習(xí)和使用比較困難[2]。

這種固定式試驗(yàn)臺和實(shí)驗(yàn)箱的教學(xué)方式，主要存在以下一些弊端：

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，體積大。比如電路實(shí)驗(yàn)臺動(dòng)輒上萬。這就導(dǎo)致學(xué)校在有限的經(jīng)費(fèi)下不能購置足夠多的設(shè)備臺套數(shù)，在學(xué)生人數(shù)多于設(shè)備臺數(shù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)多人共用設(shè)備的情況。

(2)設(shè)備功能固定，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定，不利于教學(xué)靈活設(shè)置。比如數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱，安裝的集成電路數(shù)量只有有限幾個(gè)或十幾個(gè)，學(xué)生只能使用這些器件開展實(shí)驗(yàn)。而電路實(shí)驗(yàn)臺，可以開展強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)，對于通信專業(yè)學(xué)生而言，強(qiáng)電一般不做教學(xué)要求的，又造成了功能的多余。

(3)電路固定，學(xué)生參與度低，實(shí)驗(yàn)獲得感較差。由于電路已經(jīng)預(yù)先在實(shí)驗(yàn)箱或者試驗(yàn)臺上制作完成，學(xué)生要做的僅僅是依照實(shí)驗(yàn)步驟把插接線接好就可以獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。出現(xiàn)問題，學(xué)生常常就是檢查連線是否正確，核對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書再檢查一遍就解決了問題。導(dǎo)致學(xué)生常說實(shí)驗(yàn)課是插線課。

2 Multisim仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢

EDA(Electronic Design Automation)即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，是使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)，這些軟件的功能強(qiáng)大，可以進(jìn)行電路的連接，電路參數(shù)計(jì)算，提供虛擬儀器進(jìn)行電路的測量，因此在電子工程實(shí)踐和課程教學(xué)中都有廣泛的應(yīng)用[4]。Multisim軟件是NI公司的一款功能強(qiáng)大的EDA軟件，具有豐富的電子器件庫和虛擬儀器，完全符合電路分析，模擬電路和數(shù)字電路仿真需求[5]。使用EDA軟件進(jìn)行仿真可以有效的解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)使用軟件仿真，無需硬件實(shí)體，容易實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生一人一臺。

(2)軟件仿真沒有時(shí)間和地點(diǎn)的限制。除了實(shí)驗(yàn)課堂內(nèi)，學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間在教室或者宿舍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容靈活。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教室可以靈活的根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，教學(xué)內(nèi)容靈活的布置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(4)實(shí)驗(yàn)電路需要完全自己獨(dú)立搭建，出現(xiàn)問題需要自己獨(dú)立思考，使用儀器儀表調(diào)試電路。由此，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容變得更加豐富，實(shí)驗(yàn)步驟更加靈活。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)收獲也會(huì)相應(yīng)增加。

(5)同一款軟件不僅可以滿足不同課程需求，而且對于工程實(shí)踐同樣適用，可以達(dá)到學(xué)一而多用的目的。

3 Multisim實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程中的案例

Multisim軟件可以輕松完成各種模擬和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和仿真。學(xué)生只需要一次掌握軟件的使用就可以輕松的在后續(xù)課程中持續(xù)收益。本案例中，在第1學(xué)期的電路課程教學(xué)中引入此軟件的使用，在后續(xù)課程中就可直接使用此軟件，從而具有很強(qiáng)的平臺連貫性。下面分別引入三門課程的不同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明。

■3.1 在電路教學(xué)中的案例

動(dòng)態(tài)電路分析是電路課程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，而且實(shí)驗(yàn)觀察也是非常困難的。通過軟件仿真可以容易的獲得與理論計(jì)算非常接近的結(jié)果，對于學(xué)生理解有很大幫助。下面以電容一階電路零狀態(tài)響應(yīng)電路為例進(jìn)行分析。電路圖如圖1所示。根據(jù)理論分析可得電容兩端電壓為：

其中τ表示時(shí)間常數(shù)。理論上經(jīng)過3～5倍τ時(shí)間后，電容電壓接近穩(wěn)定值。根據(jù)圖1的參數(shù)，其τ=RC=0.1mS。使用Multisim的瞬態(tài)仿真功能，得出電容電壓Vc的波形圖如圖2所示。從圖中可以看出在0.5ms時(shí)刻，Vc已經(jīng)非常接近1V的穩(wěn)定值。而這個(gè)波形在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺上是非常難于觀測到的。

圖1 電容充電電路

圖2 電容電壓Vc波形圖

■3.2 在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的案例

三極管共發(fā)射極放大電路是模擬電子技術(shù)課程中最常用的電路，也是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱上，往往已經(jīng)把三極管，電源，電阻等全部焊接好，且電路也通過PCB上的走線連接好。部分實(shí)驗(yàn)箱為了教學(xué)方便把使用絲印把電路畫在電路板上，器件則隱藏在PCB板背面，留給學(xué)生的只有輸入信號接口和輸出信號接口；也有部分實(shí)驗(yàn)箱把三極管等器件放在PCB板正面，但仍然是固定了連接的現(xiàn)成電路，學(xué)生需要完成的工作很少。使用EDA軟件仿真，則要求學(xué)生能夠獨(dú)立繪制電路，并合理設(shè)置器件參數(shù)。教學(xué)中可以根據(jù)情況設(shè)置不同的難度。比如驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，只要照著老師的給定電路連接，然后完成仿真，測量電路參數(shù)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，則需要學(xué)生自己計(jì)算和設(shè)定器件參數(shù)。給出電路案例如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)既可以作為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也可以作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

圖3 共發(fā)射極放大電路

根據(jù)理論推導(dǎo)，理想情況下，電路的放大倍數(shù)約為：

根據(jù)圖中給定參數(shù)，可以計(jì)算出A=-20倍。在EDA軟件中使用虛擬示波器進(jìn)行測試可得波形圖如圖4所示。圖4中上面的正弦波為通道A測得的輸入信號，下面的波形為通道B測得的輸出信號。從波形圖上可以看出，輸出信號與輸入信號反向，使用光標(biāo)測量信號幅度，可得輸出信號為297.59mV，輸入信號為-19.79mV。仿真測得放大倍數(shù)為A=297.59/-19.79=15倍。仿真結(jié)果與理論估算值存在5倍的誤差。這是由于三極管放大倍數(shù)的不確定性和估算時(shí)的誤差導(dǎo)致的。通過仿真可以讓學(xué)生直接體驗(yàn)到理論計(jì)算與實(shí)際電路的差異，以及理論對于工程電路的定性指導(dǎo)意義。

圖4 輸入輸出信號波形圖

圖5 流水燈電路設(shè)計(jì)

■3.3 EDA軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的案例

在數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱只能進(jìn)行簡單邏輯運(yùn)算的驗(yàn)證和對單個(gè)現(xiàn)有邏輯電路的驗(yàn)證，無法進(jìn)行數(shù)字電路系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)。通過Multisim仿真則可以進(jìn)行相對復(fù)雜的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。圖5中使用一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161和74LS138譯碼器設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的流水燈電路。使用信號發(fā)生器提供固定頻率的時(shí)鐘，使用161進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果輸入到74138進(jìn)行譯碼，從而實(shí)現(xiàn)LED逐個(gè)發(fā)光的流水燈效果。學(xué)生在完成軟件仿真后，可以使用實(shí)際芯片在面包板上進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

本人在通信工程專業(yè)的教學(xué)中承擔(dān)了電路分析基礎(chǔ)與模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)，同時(shí)與承擔(dān)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的同事一起，自2017年開始通過引入Multsim軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生的電路的設(shè)計(jì)能力相對往屆學(xué)生有了較大進(jìn)步。通信專業(yè)大學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)競賽、物聯(lián)網(wǎng)競賽等各類大學(xué)生學(xué)科競賽成績有了大幅度的提升，2017年至202年共獲得省級一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)5項(xiàng)。