基于Multisim的通信專業(yè)大學(xué)生電子設(shè)計能力培養(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，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學(xué)期開展，我校的開設(shè)時間分別是在第1/2/3學(xué)期?？傮w來看，這三門課的知識相關(guān)性非常強，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)的課程具有很強的工程性，實驗對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，驗證理論知識，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，改善實驗教學(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)實驗教學(xué)的弊端

傳統(tǒng)的電子硬件類課程的實驗教學(xué)是在教學(xué)設(shè)備制造商為課程專門定制生產(chǎn)的實驗設(shè)備上進(jìn)行的。對于電路分析課程，通常是一臺大型的實驗臺，該設(shè)備可以開展強電和弱點的大部分實驗，設(shè)備上通常有電壓，電流表頭和固定的電路器件，每個器件都有兩個插孔連接，學(xué)生實驗時，通過插接線連接器件和測試表組成網(wǎng)絡(luò)然后進(jìn)行實驗；對于模擬電路而言，大部分是以實驗箱的形式出現(xiàn)，實驗箱上根據(jù)不同的實驗項目，分成不同的區(qū)域，每個區(qū)域可以開展一個或者幾個實驗，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，比例運算放大電路，加法電路等。每個區(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，也是實驗箱的形式，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]。

這種固定式試驗臺和實驗箱的教學(xué)方式，主要存在以下一些弊端：

(1)實驗設(shè)備價格昂貴，體積大。比如電路實驗臺動輒上萬。這就導(dǎo)致學(xué)校在有限的經(jīng)費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，就會出現(xiàn)多人共用設(shè)備的情況。

(2)設(shè)備功能固定，導(dǎo)致實驗項目固定，不利于教學(xué)靈活設(shè)置。比如數(shù)字電路實驗箱，安裝的集成電路數(shù)量只有有限幾個或十幾個，學(xué)生只能使用這些器件開展實驗。而電路實驗臺，可以開展強電實驗，對于通信專業(yè)學(xué)生而言，強電一般不做教學(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，實驗獲得感較差。由于電路已經(jīng)預(yù)先在實驗箱或者試驗臺上制作完成，學(xué)生要做的僅僅是依照實驗步驟把插接線接好就可以獲得正確的實驗結(jié)果。出現(xiàn)問題，學(xué)生常常就是檢查連線是否正確，核對實驗指導(dǎo)書再檢查一遍就解決了問題。導(dǎo)致學(xué)生常說實驗課是插線課。

2 Multisim仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢

EDA(Electronic Design Automation)即電子設(shè)計自動化，是使用計算機(jī)軟件進(jìn)行電子電路的設(shè)計，這些軟件的功能強大，可以進(jìn)行電路的連接，電路參數(shù)計算，提供虛擬儀器進(jìn)行電路的測量，因此在電子工程實踐和課程教學(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)實驗教學(xué)的弊端。其主要優(yōu)點如下：

(1)使用軟件仿真，無需硬件實體，容易實現(xiàn)每個學(xué)生一人一臺。

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

(3)實驗內(nèi)容靈活。在實驗教學(xué)中，教室可以靈活的根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，教學(xué)內(nèi)容靈活的布置實驗項目。

(4)實驗電路需要完全自己獨立搭建，出現(xiàn)問題需要自己獨立思考，使用儀器儀表調(diào)試電路。由此，學(xué)生的實驗內(nèi)容變得更加豐富，實驗步驟更加靈活。學(xué)生的實驗收獲也會相應(yīng)增加。

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

3 Multisim實驗教學(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，從而具有很強的平臺連貫性。下面分別引入三門課程的不同實驗進(jìn)行說明。

■3.1 在電路教學(xué)中的案例

動態(tài)電路分析是電路課程中的重點與難點，而且實驗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表示時間常數(shù)。理論上經(jīng)過3～5倍τ時間后，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時刻，Vc已經(jīng)非常接近1V的穩(wěn)定值。而這個波形在傳統(tǒng)的實驗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)的重點和難點。在傳統(tǒng)的實驗箱上，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。部分實驗箱為了教學(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；也有部分實驗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。比如驗證性實驗，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)計性實驗，則需要學(xué)生自己計算和設(shè)定器件參數(shù)。給出電路案例如圖3所示。該實驗既可以作為驗證性實驗，也可以作為設(shè)計性實驗。

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的誤差導(dǎo)致的。通過仿真可以讓學(xué)生直接體驗到理論計算與實際電路的差異，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

■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)課程實驗中，傳統(tǒng)的實驗箱只能進(jìn)行簡單邏輯運算的驗證和對單個現(xiàn)有邏輯電路的驗證，無法進(jìn)行數(shù)字電路系統(tǒng)的綜合設(shè)計。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。圖5中使用一個二進(jìn)制計數(shù)器74LS161和74LS138譯碼器設(shè)計了一個簡單的流水燈電路。使用信號發(fā)生器提供固定頻率的時鐘，使用161進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果輸入到74138進(jìn)行譯碼，從而實現(xiàn)LED逐個發(fā)光的流水燈效果。學(xué)生在完成軟件仿真后，可以使用實際芯片在面包板上進(jìn)行驗證。

圖5 流水燈電路設(shè)計

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)行仿真實驗，使得學(xué)生的電路的設(shè)計能力相對往屆學(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1項，二等獎2項，三等獎5項。