虛實結合的實用型電子實驗設計

婁 娟 孟祥俠 李 輝 王 鶴 吳君鵬

1.東北電力大學電氣工程學院 吉林吉林 132012 2.華北科技學院 北京 101601

電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，使各種電子產品不斷進入我們的生活，可以說我們的生活已經離不開電子技術與產品，因此，學習必要的電工電子學知識就顯得格外重要。

電工電子學的學習，離不開具體的實習和操作，各高校都是通過設置相應的實驗內容培養(yǎng)學生的動手能力，提高學生分析問題與解決問題的能力。但是傳統(tǒng)的電工學實驗內容與現實生活嚴重脫節(jié)，教學方法陳舊、教學內容枯燥，實驗過程冗余復雜，令學生提不起興趣；再者，受實驗室條件的限制，很多實驗開不出來，使得教學效果不理想，往往達不到教學目的。

解決以上問題，我們可以從兩方面入手。一方面，引入Multisim等仿真軟件，其優(yōu)點是：設計和實驗可以同步進行，修改調試非常方便；虛擬元器件及測試儀表齊全，可以完成各種類型的電路設計與實驗；可以方便地對電路參數進行測試和分析；可以直接打印輸出實驗數據、測試參數、曲線和電路原理圖；實驗所需元器件的種類和數量不受限制，實驗成本低，實驗速度快，效率高[1,2]。把虛擬仿真軟件和實驗室硬件結合應用，構建虛實結合的實驗教學手段，可以使學生在電路功能設計、器件選擇、焊接工藝等各方面均受到相應的訓練[3-8]。另一方面，還應從實驗項目內容的編排入手，設計一些結合生活實際的實用型綜合性實驗項目。古語有云：“學以致用”。學的目的就是為了用，而我們的思路是“以用帶學”，讓學生明白，因為有用，所以必須好好學。這樣，更能激發(fā)學生的興趣，使他們學在其中、用在其中、樂在其中，確實達到培養(yǎng)學生綜合能力的目的。

本文闡述了實用型綜合性實驗項目的設計理念、設計方法和研究步驟；以“叮咚”門鈴為例，介紹了Multisim軟件的使用實物焊接及調試定稿的過程。

1 實用型綜合性實驗的設計

1.1 設計理念

(1)緊密圍繞教學要點。設計的實驗內容必須符合電工學教學大綱要求，結合理論教學。

(2)貼近日常生活實際。選擇的實驗必須貼近生活，內容新穎，能吸引學生興趣，調動學生積極性。

(3)電路簡單合理實用。在設計電路時，在滿足性能指標的前提下，力求電路簡單，合理實用，切忌復雜。

(4)工作穩(wěn)定性，能可靠。首先，所用的電路在原理上要正確，不能有大的欠缺，要經過驗證；其次，要通過電路優(yōu)化、減少器件種類、數量和型號等方法提高電路的穩(wěn)定性。

(5)安裝調試維修方便。設計時應盡可能選用常見的元器件，采用模塊化結構、總線結構和標準接口。

1.2 設計步驟

(1)根據大綱要求和學?！耙粚崈蓜?chuàng)”人才培養(yǎng)目標，選定想要展現的教學要點，考慮到實用性，我們選擇了555定時器、集成譯碼器74LS138、D觸發(fā)器、集成運算放大器、差動放大電路、負反饋放大器6個器件。

(2)方案論證與方案設計。針對設計任務、要求和條件，通過調查研究和查閱資料擬定設計方案，畫出原理框圖。

(3)實驗硬件電路設計。設計硬件電路，畫出原理電路圖，這是調試和維修的依據。

(4)原理電路虛擬仿真。進行仿真分析，一方面驗證設計原理的可行性，另一方面通過修改電路的結構和元器件參數使設計的電路更加合理。

(5)焊接調試。焊接時，要注意器件的引腳，不能錯接，否則會使器件損壞，并增加排除故障的難度，浪費時間；調試時，不要急于通電，要反復檢查，在確認電路元器件、連線、直流供電和接地等無誤后再通電，調試方法是先局部后整體，先靜態(tài)(不加信號)后動態(tài)(加信號)。

依據以上設計思想和方法，完成了4個實用型綜合性實驗的設計：利用集成運放和一些簡單器件完成了摩托車霹靂燈的設計；利用NE555芯片實現了“叮咚”電子門鈴的設計[9]；利用74LS138芯片設計了地址指示燈電路；用D觸發(fā)器完成分頻器電路的設計。這些實驗不僅貼近生活，設計新穎，而且符合電工學實驗教學的要求。

2 設計舉例：基于555定時器的門鈴設計

2.1 方案論證與設計

555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結合在同一硅片上的組合集成電路。其設計新穎、構思奇巧、用途廣泛，備受電子專業(yè)設計人員和電子愛好者的青睞。傳統(tǒng)的電子實驗內容一般有三項：一是利用555構成施密特觸發(fā)器，二是構成多諧振蕩器，三是構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。這些實驗盡管只需外接少量電阻電容元件就能充分驗證555的性能，然而由于缺少創(chuàng)造性，遠離生活實際，難以吸引學生的學習興趣，應尋求更貼近生活的綜合性設計性實驗?？紤]到電工學實驗是一門非電專業(yè)的技術基礎課程實驗，電路不能過于復雜，還要滿足實驗所要涵蓋的內容，所以本設計利用555定時器構成多諧振蕩器的基本原理，外加二極管和蜂鳴器(或喇叭)完成“叮咚”門鈴的設計。這個設計不僅是多諧振蕩器原理的具體應用，還能在實際調試中，加深學生對調整充放電時間常數可以改變諧振頻率的理解。

門鈴電路由4部分構成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 門鈴電路組成框圖

2.2 實驗硬件電路設計

叮咚門鈴音色優(yōu)美，現在不少家庭安裝了這種門鈴。利用一塊555時基電路也可以逼真地模擬出“?！恕甭暎盟谱鏖T鈴，其電路如圖2所示。

圖2 門鈴電路原理圖

555時基電路與電阻R2和R4，電容C2組成無穩(wěn)態(tài)音頻振蕩器，當按鈕J1未按下時，555時基電路因強制復位端RST(芯片4腳)通過R1接地呈低電位，電路被復位，振蕩器停振，揚聲器U1無聲，當按下按鈕J1時，電源一路經D2向C1充電，使RST腳電位大于0.4 V時，振蕩器起振；電源另一路經D1，R3，R4向C2充電，這時電阻R2不起作用。所以在J1按下時，C2充電時間常數為(R3+R4)×C2，放電時間常數為R4×C2，振蕩頻率約為1 600 Hz，揚聲器發(fā)出的是模擬“?！甭暋?/p>

松開J1后，C1向R1放電，仍能維持集成塊RST腳為高電平，這時D2反偏截止，R2被接入振蕩電路，C2充電時間常數為(R2+R3+R4)×C2，放電時間常數仍為R4×C2，所以振蕩頻率降低，變?yōu)? 122 Hz左右，揚聲器就發(fā)出模擬的“咚—”聲。隨著C1不斷放電，使集成塊RST腳電位不斷下降，當降至0.4 V以下，振蕩器停振，“咚—”消失，電路恢復原狀。所以按一次J1后，揚聲器U1就發(fā)一次“?！恕表懧?。

2.3 原理電路虛擬仿真

(1)運行Multisim軟件，它會自動打開一個名為“Circuit1”的空白電路文件或者單擊系統(tǒng)工具欄的“新建文件”按鈕，新建一個名為“Circuit1”的空白電路文件。然后，可以使用File菜單中的Save as命令，保存文件，同時可以重命名該文件。

(2)選擇主菜單中的Place/Component命令，或者單擊元器件庫工具欄中的任意一個按鈕，均會彈出一個名為Select a component的窗口，在Database下拉列表框中選擇Master database選項，在Group下拉列表框中選擇Sources，在Component列表框中選擇VCC后，單擊OK按鈕，窗口關閉，出現活動圖標，將此圖標移至電路圖中合適位置，單擊確認，完成放置元件操作。

(3)元器件連線。Multisim提供了自動與手工兩種連線方式。所謂自動連線，就是用戶按線路方向，依次單擊要連線的2個元器件的管腳，由Multisim選擇管腳間最好的路徑自動完成連線操作，它可以避免連線通過元器件時和元器件重疊；手工連線由用戶控制線路走向，操作時通過拖動連線，按用戶自己設計的路徑，單擊確定路徑轉向完成連線?？梢詫⒆詣舆B線和手工連線結合使用，先用自動連線，然后用手動調整線路的布局。完成連線后的電路如圖3所示。

圖3 門鈴電路仿真接線圖

(4)電路的運行仿真。單擊Simulate-＞Run菜單項開始電路仿真，通過View/Grapher打開Grapher View(仿真圖形記錄器窗口)，可觀察到波形如圖4所示。若波形過于密集，可通過調整示波器Timebase的Scale以得到清晰的波形。

圖4 仿真波形圖

2.4 實際電路的焊接調試

按照原理圖合理選擇元件，進行實際電路的焊接和調試，焊接電路如圖5所示。經調試，電路功能正常，且簡單實用。

圖5 門鈴實際焊接電路

2.5 實驗效果驗證

把電路板尺寸做小，再加上裝飾，就可以安裝在寢室門外，增添生活情趣。我院在2013年舉辦的針對大一新生的電子競賽題目就是基于這一項目。由大學生電氣信息實踐創(chuàng)新中心的科技部成員負責電路設計、畫圖、制板及仿真技術指導和焊接工藝培訓，組織部成員負責競賽的策劃和組織報名等工作，學生以寢室為單位參賽，完成的作品掛在寢室外供大家評選，取得了非常好的效果。此次競賽活動培養(yǎng)了學生的團隊精神和創(chuàng)新意識(主要體現在門鈴外觀設計上)，提高了學生實踐動手能力，增強了學生對電子類專業(yè)技術的了解和對科技類競賽的熱情，同時還鍛煉了實踐創(chuàng)新中心學生干部的工作能力。

3 結束語

全國各高校的實踐證明，將Multisim應用到電工電子實驗教學中可以取得良好的教學效果，不僅加強了學生基礎理論知識的掌握和理解，還培養(yǎng)了應用現代化分析手段進行獨立分析問題和解決問題的能力，并彌補了實際中的不足[10]。這種計算機軟件仿真和實際物理連接相結合的方法，再加上合理設計的實用型綜合性實驗內容，不僅達到了縮短電路設計周期、降低設計成本、方便實驗教學的目的，同時還能吸引學生興趣，調動學生積極性，有利于學生對電子電路原理的了解和應用。

[1] 黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[2] 叢宏壽,程衛(wèi)群,李紹銘.Multisim8仿真與應用實例開發(fā)[M].北京:清華大學出版社,2007.

[3] 郭鎖利,劉延飛,李琪,王曉戎,常春藤.基于Multisim9的電子系統(tǒng)設計、仿真與綜合應用[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[4] 劉萬鎖,王雪峰.一種虛實結合實驗教學模式的探討[J].科技資訊,2006(12):76-77.

[5] 蘭水華,丁麗麗,張寶軍,胡進.“虛實結合”實驗教學模式的研究與實踐[J].實驗室科學,2006(3):14-16.

[6] 馬遠新,姜莉.虛實結合的醫(yī)學電工電子實驗室建設[J].中國現代教育裝備,2010(21):125-126.

[7] 石松泉,沈紅衛(wèi),梁偉,謝建偉.虛實結合的電工電子實驗教學體系的設計[J].實驗技術與管理,2008,25(8):184-186.

[8] 李升源,劉宏,周克良,肖發(fā)遠,黃朝志.電工電子虛擬實驗與真實實驗的互補性[J].實驗技術與管理,2010,27(4):74-76.

[9] 張惠敏,陳志紅,付濤.用555定時器制作雙音門鈴[J].電子制作,2008(11):69.

[10] 王安娜,申燕,劉澤軍.電路仿真設計軟件Multismi在電路實驗中的應用[J].實驗室技術與管理,2005,22(12):64-68.