虛擬電子實驗室在“電子技術課程設計”中的應用

摘要：“電子技術課程設計”是電類專業學生的一個重要實踐環節。介紹了電子技術課程設計的方法，并以簡易電子琴為例重點介紹了基于Muhisim仿真軟件的虛擬電子實驗室在“電子技術課程設計”中的應用，闡述了虛擬實驗室對“電子技術課程設計”教學改革的影響和作用。

關鍵詞：電子技術課程設計；虛擬實驗室；Muhisim；仿真簡易電子琴

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）24-0083-03

“電子技術課程設計”是電氣、電子等電類專業教學中的一個重要的實踐教學環節，是針對“模擬電子技術”“數字電子技術”課程基本理論知識進行的綜合性訓練。其目的是通過學生獨立進行某一課題的設計、安裝和調試，鞏固和加深對電子技術課程理論知識的理解，初步掌握電子電路的一般設計方法，提高學生的實驗實踐技能，為以后從事電子電路設計、研制電子產品奠定基礎。[1]

在“模擬電子技術”“數字電子技術”課程中通常只介紹單元電路的結構原理、集成芯片的特性功能等。[2，3]而“電子技術課程設計”的課題常常是一個由多個單元電路、集成芯片組成的小電子系統。為獲得綜合訓練的良好效果，“電子技術課程設計”課題的選擇顯得十分重要。應盡量選擇適合學生當前知識結構和水平，又具有一定趣味性的小型實用電子系統，例如低頻功率放大器、簡易電子琴、直流穩壓電源、彩燈控制器、數字搶答器、交通燈控制、多功能數字鐘等。電子琴因為操作簡單，而廣受大眾的喜愛，其實現的方案多種多樣，如單片機、FPGA等。[4，5]但作為“電子技術課程設計”的課題，其主振電路通常采用RC串并聯振蕩電路，信號再經功率放大并驅動揚聲器發音，涉及到“模擬電子技術”課程中RC正弦波振蕩電路以及功率放大電路的知識。而多功能數字鐘是另一個典型的電子電路系統，可使學生將“數字電子技術”課程中學過的計數器、顯示譯碼器及數碼管等電路知識有機地聯系起來構成一個有趣而實用的小系統。

電子系統的設計往往與設計者綜合應用所學知識的能力、經驗等有關。“電子技術課程設計”的一般方法和步驟是：理論設計——總體方案設計、單元電路設計、單元電路之間的連接；仿真測試——運用EDA工具進行模擬，以進一步完善理論設計；安裝調試——對電子系統進行電路搭接，對方案及單元電路參數進行修改并繪制總體電路；撰寫報告——寫出課程設計說明書。EDA技術的發展及廣泛應用為設計電子系統提供了有效的電路分析設計手段。仿真測試就是運用EDA工具進行電路模擬，以驗證理論設計方案的正確性，經逐步完善后再進行實物安裝調試，為學生提供了一個不受時間地點限制的可獨立操作的虛擬實驗環境。既減少了對電子器件和儀器的限制，也節省了時間，從而提高了設計效率。

一、虛擬實驗室簡介

當前主流的電子電路仿真和設計工具有PSPICE、PROTEL、Muhisim等，它們均有較強的仿真功能，即在計算機上設計電子電路及系統，并通過修改元器件的參數或電路結構，利用虛擬儀器測試電路參數指標。盡管在電子電路仿真方面三種軟件的功能相近，但它們又各有所長。PSPICE、Multisim兩種軟件主要側重于電路的仿真，PROTEL軟件側重于PCB圖的設計。下面簡單介紹這三種軟件。[6]

1.PSPICE

1984年MicroSim公司推出了基于美國加州大學伯克利分校于20世紀70年代推出的Spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）的PC版軟件——PSPICE。它是一款仿真精度高、功能強大的模擬和數字電路（包括對中規模和大規模集成電路）仿真軟件，在國內外得到了普遍使用，尤其是在集成電路的仿真方面。

2.PROTEL

20世紀80年代末，PROTEL（現更名為Altium）公司推出了一款CAD工具——PROTEL。早期的PROTEL主要作為PCB板自動布線的工具，現在普遍使用的是PROTEL 99、SE等，已是一個全方位的功能強大的電路設計系統，包括原理圖繪制、電路仿真、PCB板設計等功能。但它最具代表性的是電路的PCB設計。

3.Multisim

Multisim的前身是加拿大IIT（Interactive Image Technoligics Ltd）公司在20世紀80年代后期研制推出的基于Windows的虛擬電子工作平臺EWB（Electronics Workbench），后被美國NI公司收購后，更名為NI Multisim，主要用于模擬和數字電路的仿真。該軟件的很多功能模仿了Spice的設計，但界面直觀，易學易用。它提供了萬用表、示波器、信號發生器、掃描儀、邏輯分析儀、數字信號發生器等直觀的虛擬儀器，仿真分析能力強大。對于初學者而言，利用Multisim的圖形輸入方式，可以方便地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。

電子電路和系統的設計本身就是一個不斷調試的過程。在實物上調試往往消耗大量人力、物力和財力。而且受到實驗環境的影響，某些功能未能全部實現。在實驗硬件環境不具備的情況下，采用虛擬實驗平臺進行電子電路和系統的設計可有效解決實驗設備不足，這也使其更適合電子技術教育。

利用NI Multisim 11可以實現計算機仿真設計與虛擬實驗，與傳統的電子電路設計與實驗方法相比，具有如下特點：設計與實驗可以同步進行，可以邊設計邊實驗，修改調試方便；設計和實驗用的元器件及測試儀器儀表齊全，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；實驗中不消耗實際的元器件，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；還可以對被仿真電路中的元器件設置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。NI Multisim 11用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現了“軟件即元器件”“軟件即儀器”。相對其他仿真軟件，Multisim的優點之一是引入了著名的安捷倫及泰克的測試儀及示波器等虛擬儀器，其控制面板、界面操作以及測量結果與實際的儀器完全相同，這使得用戶使用Muhisim猶如在實驗室進行實驗操作一樣。這也促使Multisim在高等院校教學中獲得了廣泛應用。

二、虛擬實驗室Multisim應用舉例——簡易電子琴

電子琴是電子科學技術發展的產物，因其種類多、體積小、攜帶方便、價格低廉而深受音樂愛好者的喜愛。[7，8]一首首動聽的樂曲是由不同的音階組成的，而每個音階又對應著不同的音源振動或振蕩頻率。傳統樂器與電子琴的根本區別在于音源不同。前者的音源是由機械振動產生的，而后者來自電振蕩。國際標準音A的頻率是440HZ，本設計所需C調八個基本音階的頻率如表1所示。

現代電子琴的元件眾多、電路也相當復雜。本課題主要是通過對電子琴主體部分的電路進行模仿設計，達到電子琴固有的基本功能，故叫簡易電子琴。從模擬電子技術的角度看，其基本電路包括振蕩電路、放大電路等，即振蕩電路產生的各音階頻率電信號經放大電路放大后傳給揚聲系統來發音。其基本結構框圖如圖1所示。

1.理論設計

電子琴的音源是由電振蕩產生的，制作電子琴首先要設計適用于電子琴的振蕩電路。模擬電子電路中的橋式RC正弦波振蕩電路可以產生20HZ-20KHZ的正弦波，適合產生各音階頻率的電振蕩信號。通過利用RC串并聯選頻網絡的選頻特性，選出某個特定頻率的正弦波信號。[2]而且如果改變R或C的取值，則可以產生所需對應不同音階的各種頻率的正弦信號，信號再經放大電路放大后即可驅動揚聲器發出所需的音階。本設計的RC串并聯支路中的兩組8個與電容串接的開關是聯動的，對應著電子琴的8個音階琴鍵，所以使用時只能同時閉合一個開關。而不同音階的有機組合就可奏出不同的音調。改變兩個電容的C值使得頻率改變。為了改變起振速度，可以調整Rw的大小。

振蕩電路產生的信號經過集成運放組成的同相比例放大電路，放大一定倍數后再經兩個功放管構成的乙類功放電路進行功率放大提供所需的輸出功率，以驅動揚聲器。

2.仿真測試

利用Multisim進行虛擬仿真，可進一步完善理論設計。大致可以分為以下幾步：首先，根據理論設計所得的方案畫好原理圖。在按照原理圖輸入時，要注意細節比如端點是否連接好等。圖2是初步設計的簡易電子琴的電路圖。其次，利用Multisim進行仿真調試，同時改變兩個電容的C的值，可得到8個音階對應的頻率。圖3為音階7的功放輸出波形及頻率。

事實上，上述電路及其仿真僅僅是某個學生做簡易電子琴課程設計時提出的幾個方案之一。就其單元電路的結構而言，還存在許多不足之處。在設計過程中，該生對這幾種方案都進行了仿真比較，使學生有機會從對所設計的方案中優選出最佳方案，從而加深了對相關知識的理解。

3.安裝調試

根據仿真成功的電路圖，在電路板上將元器件安裝連接好，然后對實際樣機進行測試。安裝調試過程應按照先局部后整機的原則，根據信號的流向逐個單元進行，使各功能單元都要達到各自技術指標的要求。本文對安裝調試過程不做詳解。

4.撰寫報告

課程設計報告書是在學生完成安裝調試后，對技術文檔進行歸納。通過撰寫，不僅可以把設計、安裝、調試及其技術參數等內容進行全面總結，還可以把實踐內容提升到理論高度。所以報告撰寫也是課程設計不可或缺的一環。報告書可按如下內容順序用A4紙進行打印（撰寫）并裝訂成冊：統一的封面（如課程設計課題名稱、專業、班級、姓名、學號、指導教師）；設計任務書（學生選題時由教師提供）；課程設計總結報告正文（應包括系統總體設計方案如系統原理框圖、方案的論證與比較等內容、系統分析與設計如各模塊或單元電路的設計、工作原理闡述、參數計算、元器件選擇、軟件系統設計、完整的系統電路圖等、系統調試與參數測量如使用儀器儀表、故障排除、電路硬件和軟件調試的方法和技巧、指標測試的參數和波形、測量誤差分析、總結如課題的主要內容及使用價值、設計電路的特點和方案的優缺點、改進方向和意見等）；系統所需的元器件清單；成績評定表（由指導教師評定，理論設計占20%、仿真測試占20%、安裝調試占50%、總結報告占10%）。

三、結束語

利用仿真軟件進行虛擬實驗，可以不受經費、時間、地點的限制，隨時隨地使設計者的設計思想落實到實用有趣的課題中，提高設計效率，從而激發學生的創新意識，使學生在電子系統的設計和分析過程中將所學的基礎理論知識融會貫通。當然，也應看到虛擬實驗技術也存在著缺少實物感，且不能完全反映實際元器件工作狀況等局限。但只要能夠正確認識虛擬實驗在課程設計教學中的地位，做到“虛”“實”結合，并充分發揮虛擬技術和硬件技術各自的優勢，就一定能收到好的教學效果。

參考文獻：

[1]彭介華.電子技術課程設計指導[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]康華光.電子技術基礎 模擬部分[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]閻 石.數字電子技術基礎[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]孫萬麟.基于AT89C51單片機的電子琴設計[J].電腦知識與技術，2010，（6）20：5626-5627.

[5]肖林榮.MAX+PLUSⅡ在數字電路實驗教學中的應用[J].嘉興學院學報，2005，（17）3：13-15.

[6]駱新全，黃玲玲.電路仿真與PCB設計——PSpice 80，Multisim 2001及Protel 99 SE的應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[7]崔葛瑾.電子技術課程設計中的EDA 技術訓練[J].實驗室研究與探索，2003，（22）2：36-38.

[8]蘭羽，周茜.基于Multisim八音階電子琴的設計與仿真[J].電子設計工程，2012，（20）12：52-54.

（責任編輯：孫晴）