虛實結合法在數模混合電路課程設計中的應用

摘要：數模混合課程設計是電類專業一項重要的實踐環節。介紹了一種基于PSPICE軟件仿真平臺的虛實結合數模混合電路課程設計的實踐教學體系。通過比較數模混合課程設計的傳統教學模式和虛實結合教學模式，突出了虛實結合教學模式的優勢。最后，結合PSpice仿真平臺，介紹了PSpice軟件在虛實結合數模混合課程設計中的具體應用。

關鍵詞：虛實結合；數模混合電路；課程設計；PSpice

作者簡介：周偉林（1972-），男，湖南東安人，湖南商學院計算機與信息工程學院，副教授；何靜（1972-），女，湖北隨州人，湖南商學院計算機與信息工程學院，講師。（湖南 長沙 410205）

中圖分類號：G642.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0064-02

模擬和數字電子技術是電類專業重要的專業基礎課程，擔負著各專業課程的承上啟下作用。數模混合電路課程設計是電子信息工程專業的首次課程設計，具有十分重要的意義。[1]學生通過綜合運用已學模擬和數字電子技術知識，實現功能相對完整的系統設計、安裝和調試，從而加深對已學知識的理解和掌握，增強工程意識，提高學生運用理論知識解決實際問題的能力。在傳統的數模混合課程設計模式中，學生完成理論設計后便直接進入實物的安裝和調試環節。這種模式往往存在電路參數計算繁瑣、設計方案不易修改、缺乏靈活性和創新性等弊端，大大拉長了設計周期，降低了設計效率。近年來，隨著計算機輔助設計技術的發展，多款用于數、模混合電路仿真軟件相繼問世，許多基于電路仿真軟件的虛擬實驗平臺也先后被提出。[2]本文將當今流行的電路仿真軟件PSpice與數模混合課程設計實踐環節相結合，構建了基于PSpice虛實結合數模混合課程設計教學模式，在多年的數模混合課程設計中取得了較好效果。

一、傳統的數模混合課程設計模式

在傳統數模混合課程設計模式中，學生首先根據設計的功能和技術指標要求確定系統的基本框圖，并進一步確定單元電路的選型和器件的參數計算。[3]在確認器件參數計算無誤后，便直接進行器件的安裝和通電調試，根據調試結果，修改電路和器件參數，再進行安裝調試，直到調試結果滿足設計要求，設計流程如圖1（a）所示。如果調試結果滿足設計要求，則大功告成。然而，多數情況卻是調試結果達不到設計要求，或相差甚遠。于是只能重返器件參數計算，修改器件參數，另選器件后重新安裝調試。反復的理論分析、參數計算、頻繁的器件更換和系統調試耗費大量的人力、物力，延長了設計周期，降低了設計效率。在首次課程設計中，許多學生因屢受挫折，課程設計積極性大減，工程意識培養效果大打折扣，易在后續的專業課程的學習中產生畏難情緒，甚至對專業失去信心。

二、虛實結合數模混合課程設計模式的提出

針對傳統模式數模混合課程設計的不足，我們構建了基于電路設計和仿真軟件的虛實結合課程設計模式，設計流程如圖1（b）所示。學生首先按照所給的技術指標確定單元電路，在實物制作之前，先借助虛擬仿真平臺對電路進行仿真分析，通過仿真結果學生可以判斷其設計方案是否正確，若不正確則可反復修改電路及器件參數直到仿真結果滿足要求。如果仿真結果滿足設計要求，接下來便可以進行實物的安裝和調試了。

與傳統設計模式相比，虛實結合課程設計模式具有以下顯著優勢。

1.節約了設計時間，降低了設計成本

虛實結合課程設計模式采用電路仿真軟件代替了傳統模式中的反復修改電路、更換器件和安裝調試這一繁瑣過程，從而大大壓縮了設計工作量。同時，電路修改和器件更換是在軟件平臺實現，因而避免了實物的消耗，降低了設計成本。

2.打消了學生害怕心理、增強了課程設計的興趣

數模混合課程設計是電類專業首次課程設計，在這之前大多數學生只有抽象的理論知識，缺乏對電路的感性認識和實踐操作經驗，面對功能相對完整的電子系統安裝調試，顯得信心不足。而在虛實結合課程設計模式中，學生完成理論設計后并不立即進入實物的制作環節，而是先在虛擬實驗平臺進行仿真分析，對理論設計的正確性進行驗證后，再進入實物的安裝調試。因此，虛擬實驗平臺在抽象理論設計和實物實驗之間建立了一座橋梁，起到了過渡作用，使學生克服了擔心儀器設備損壞和人身安全的心理壓力，可以大膽嘗試，加深了對電路原理的理解，同時積累了一定實踐經驗，增強了下一步實物制作的信心。

3.拓寬了學生設計思路，提高了課程設計的創新性

數模混合課程設計時，教師往往要求學生提出幾種預選方案，并選擇一種方案予以實現。在傳統設計模式中，由于受條件限制，學生只能對備選方案停留在粗略的理論論證，無法全面預見各方案的實際運行結果。由于虛擬實驗平臺不受實物實驗條件的限制，學生可以綜合運用理論知識，大膽提出創新性方案，并在軟件平臺上仿真驗證，從而大大拓寬了學生的設計思路，增強了課程設計的靈活性和創新性。

三、基于PSpice虛實結合數模混合課程設計模式

電路仿真軟件主要有PSpice、PROTEUS、EWB、MULTISIM等。其中，PSpice是一種模擬/數字電路分析軟件，系由Spice發展而來的用于微機系列的通用電路分析程序，它由美國MicroSim公司開發并于1984年1月首次推出。[4]由于PSpice適合于PC上使用，因此得到了廣泛的應用，其版本也不斷升級更新。在PSpice V4.0之前，主要是對模擬電路進行輔助分析，而在V4.0及以后的版本中，增加了對數字邏輯電路及數模混合電路的分析功能，非常適合對模擬電路和數字電路的仿真分析。

PSpice軟件主要包括Schematics 電路圖繪制、PSpice AD電路仿真、Model Editor器件模型編輯、Stimulus Editor信號源編輯和Probe仿真結果輸出五個功能模塊。可以對電路進行直流工作點和直流掃描分析、交流掃描分析、參數掃描分析、溫度分析、靈敏度分析、直流傳輸特性分析和蒙特卡羅分析等仿真分析。[5]下面以簡易鋸齒波發生器設計為例，介紹基于PSpice軟件虛實結合課程設計的具體實施。

設計目的和要求：要求鋸齒波幅度為10V、鋸齒波頻率為50Hz、鋸齒波上升和下降斜率可調。根據設計要求，通過查閱相關文獻，確定先產生方波信號，再將方波信號進行積分得到鋸齒波的設計方案，選用基于集成運放的方波信號產生電路和有源積分電路相級聯形式，具體電路如圖2所示。

在實物制作之前，在PSpice仿真平臺上對電路進行了仿真分析，仿真結果如圖3所示。結果表明，輸出鋸齒波信號幅度決定于電阻R1和R2的取值；而鋸齒波的頻率則決定于R1、R2、W1、W2和C1的值；在保持W1+W2不變的情況下，改變W1和W2的取值，可改變方波的占空比，從而實現鋸齒波上升和下降斜率變化。

經過反復修改關鍵器件的參數后仿真分析，得到滿足要求的鋸齒波輸出，確定了關鍵器件的參數為R1=5k、R2=10k、C1=0.4uf。同時，保持W1+W2=10k，改變W1和W2的比值可以得到不同的鋸齒波斜率，實際應用中只要用一個10k的電位器代替W1和W2就可方便地調節鋸齒波斜率。確定了器件參數后，下一步就可以進行實物的安裝調試。由于前期的仿真分析已經得到了正確的電原理圖和合適的器件參數，因而后期的實物制作過程就非常順利了。

四、虛實結合模式中實物實驗平臺的主體地位

虛實結合模式中實物實驗平臺的主體地位是絕不能動搖的。首先，數模混合課程設計的目的除了加深學生對已學模擬和數字電子技術理論知識的理解，更重要的是要培養學生的實踐動手能力，積累實踐經驗和掌握實驗研究方法，探索和發現人類未知的規律。其次，在實物安裝調試過程中可能出現某些異常現象和故障，這些現象和故障不可能在虛擬仿真中一一反映出來，[6]比如上例中由于運放的輸入失調引起積分漂移現象，儀器在調試中所表現出的異常現象，電路中的虛焊、開路和短路等故障，這些現象和故障可以培養學生發現、分析和解決實際問題的能力。所以說虛擬仿真不能代替實物操作，就像計算機不能完全代替人一樣。虛實結合模式中，“虛”是手段，“實”是目的，實物制作永遠是“虛實結合”課程設計模式中最重要的環節。

五、結束語

發揮傳統課程設計模式優勢的同時引進現代化的計算機輔助設計方法，將虛擬仿真驗證和實物制作同時并舉，虛實結合，既能適應現代電子設計的發展要求，又能培養、提高學生的實踐技能，以滿足實際應用的需要，同時還有助于促進學生認識、理解和鞏固所學知識，提高創新意識和創新能力，達到全面培養學生的綜合能力和素質的良好效果。

參考文獻：

[1]Jinyan Cai Alam，M·S.An algorithm for dividing ambiguitysets for analog fault dictionary IEEE[J].Circuits and Systems，Aug，2008：89-92.

[2]胡榮強，等.PSPICE仿真軟件及其在電力電子技術中的應用[J].電子設計自動化，2009，（3）.

[3]孫峻朝，王建瑩，楊孝宗.故障注入方法與工具的研究現狀[J].宇航學報，2001，22（1）.

[4]Pinjala，K.K.Kim，B.C.An approach for selection of testpoints for analog fault diagnosis[J].IEEE Defect and FaultTol-erance in VLSI Systems，Nov，2003：287-294.

[5]Chakrabarti，S.Cherubal，S.and Chatterjee，A.Fault diagnosisfor mixed-signal electronic systems[J].IEEE Aerospace Confer-ence，March，1999：169-179.

[6]唐人亨.模擬電子系統的自動故障診斷[M].北京：高等教育出版社，1991.

（責任編輯：劉輝）