EDA技術在電子信息工程專業教學中的應用研究

曳永芳 杜啟高 景彥君 肖 虹 孟紅良

1.山西師范大學物理與信息工程學院 山西臨汾 041004 2.山西師范大學實驗中學 山西臨汾 041000

電子信息工程專業許多課程的理論性和實踐性都很強，傳統的理論授課中，對一些概念或電路的講解、分析不免使學生感覺抽象或難于理解，課堂效率不高，且有礙于學生創新思維的培養[1,2]。另外，要培養學生的電路設計、分析和開發能力，僅在傳統實驗室進行電路焊接、安裝、調試，費時費力且效果不佳。隨著計算機技術的迅猛發展，Multisim和Proteus等EDA(Electronic Design Automation，電子設計自動化)軟件所搭建的虛擬平臺可以使學生迅速捕捉電路行為，理解電路工作狀態，化抽象為直觀具體，并激發學習興趣，進行相應電路設計分析和創新思維的訓練[3]。

1 Multisim在課堂教學中的應用

模擬電路是電子信息工程專業的基礎課，其課堂教學中涉及許多概念、電路原理的理解。Multisim是加拿大圖像交互技術(IIT)公司生產的專門用于電路仿真和設計的EDA工具軟件，其擁有豐富的元器件庫和萬用表、示波器等大量仿真儀器。在課堂教學中引入Multisim軟件，可以輔助教師較好較快地闡述理論知識，同時幫助學生迅速掌握教學內容，加深對概念和電路原理的理解，進一步熟悉測量儀表儀器的使用。

筆者分別以模擬電路課程中的晶體管單管放大和負反饋放大電路為實例，分析利用Multisim輔助課堂理論教學的情況。

1.1 晶體管單管放大電路的分析

圖1 晶體管單管放大電路

晶體管單管放大電路分析是模擬電路課程中的一個重要知識點。在分析靜態工作點對放大電路輸出波形的影響時，僅憑教師的講解和理論推導計算會使學生陷入被動接收理論知識的困境。如果結合使用Multisim創建圖1所示的晶體管單管放大電路，并在Multisim環境下，滑動電位器R4的滑動端，同時調出示波器，即可使學生實時觀察電路工作狀態，變被動為主動，從而進一步提高學習積極性。

在Multisim中，電位器R4的阻值可以5%的速度遞增或遞減。當R4的阻值百分比為35%時，電路的輸出波形如圖2a所示；當電位器R4的阻值百分比為70%時，電路的輸出波形如圖2b所示；當電位器R4的阻值百分比為90%時，電路的輸出波形如圖2c所示[4]。直觀的波形顯示有助于學生理解靜態工作點對放大電路的重要性，同時還有助于學生觀察晶體管單管共射放大電路輸入與輸出信號的相位關系以及理解如何消除飽和、截止失真。將Multisim仿真軟件引入課堂教學，不但可以豐富教師的授課內容，而且可以提高學生的聽課效率。

1.2 負反饋放大電路的分析

負反饋放大電路分析是模擬電路課程中的又一重要知識點。在傳統課堂教學中，在分析負反饋引入會降低放大電路的放大倍數時，教師會從電路開環和閉環電壓放大倍數的定義入手進行理論推導進而得出結論[5]。對學生而言，理論關系式呈現抽象。若能借助Multisim仿真平臺創建如圖3所示的阻容耦合差分—共射負反饋放大電路，并調出示波器，圖4和圖5根據節點1和13分別顯示了電路開環和閉環的放大波形，若讓學生自主對比兩圖波形及Multisim示波器的通道設置信息，即能獨立得出結論：開環和閉環電路均對輸入信號實現了放大，但是加入負反饋的放大電路的電壓放大倍數比開環時變小了。該電路還可用于對學生電路綜合分析能力的考查。這樣既能提高課堂效率，又能鍛煉學生的細微觀察、獨立思考和綜合分析能力。

2 Proteus在實驗教學中的應用

數字電路實驗是電子信息工程專業的一門基礎實驗課，本課程要求學生既掌握基本組合、時序邏輯電路的分析，又具備數字電路的設計能力。Proteus是英國Labcenter Electronics公司開發的一款功能強大的電路系統設計與仿真分析軟件，它除具有其他EDA軟件的仿真功能外，還能對單片機及其外圍元器件進行仿真。利用Proteus可以真正實現從概念到產品的完整設計。將Proteus引入數字電路、單片機等專業課程的實驗教學，可以節省設計時間和開支，提高實驗質量和效率。

筆者分別以數字電路實驗中555定時器的應用和四路數顯搶答器設計為實例，分析利用Proteus輔助實驗教學的情況。

2.1 555定時器的應用

555定時器的應用是數字電路實驗的一個重要組成部分。傳統實驗教學中，講解555定時器的各種典型應用時，教師需在理論分析的基礎上進行元器件插接、連線、儀器連接、調試才可以展示電路輸出波形，費時費力且效果不佳。借助Proteus軟件可對電路系統原理圖設計和仿真的基本平臺—ISIS模塊，輕松搭建圖6a所示的多諧振蕩器，調用示波器并進行掃描時間和通道信號幅度設置，便可出現圖6b所示的波形[5,6]。使用Proteus軟件進行實驗電路搭建快捷方便，且波形直觀具體，可以提高實驗教學效率。

圖6 555定時器構成的多諧振蕩器及其輸出波形

2.2 四路數顯搶答器設計

四路數顯搶答器是數字電路實驗中典型的設計范例。四路數顯搶答器要供4位參賽者使用，每位參賽者設一個搶答按鍵，電路具有優先搶答和復位功能，同時能夠顯示獲得搶答權者的編號，并予以聲音提示。在傳統實驗教學流程中，教師會讓學生按照設計要求進行電路總體方案和內部單元電路的設計，然后進行元器件選擇，經電路安裝、多次調試、測試等環節才有可能最終實現設計要求，過程反復且耗時耗材。采用Proteus對電路原理圖設計階段進行調試、驗證，可使電路性能最優[3]。

基于數字電路中組合和時序邏輯電路的基礎知識并結合設計要求，設計的四路數顯搶答器組成如圖7所示。

圖7 數顯搶答器原理圖

搶答模塊由圖8所示的4片JK觸發器74LS112，4個LED-RED，雙四輸入與門74LS21和電鍵組成。顯示模塊由8線-3線優先編碼器74LS148，七段顯示譯碼器CMOS4511和BCD-共陰極數碼管組成。聲音模塊由四二輸入或非門74LS02和數字蜂鳴器SOUNDER組成。計時模塊由十進制計數器74LS160，四二輸入與非門74LS00和BCD-數碼管組成。

圖8 四路數顯搶答器電路

按圖8所示連接好電路各模塊，啟動仿真。在計時模塊74LS160的一個工作周期(10 s)內，若無人搶答，提示模塊的LED-GREEN燈亮，74LS160的RCO進位端產生無人搶答TIMEOUT信號，使聲音模塊的SOUNDER發出警報聲響，并提示主持人進行RESET操作，顯示模塊和計時模塊也進行RESET操作。在計時模塊74LS160的一個工作周期(10 s)內，若有參賽者搶答，其對應的LED-RED燈亮，并在數碼管上顯示其參賽編號，計時模塊上顯示搶答時間，聲音模塊發出聲響表示參賽者搶答成功。

經過在Proteus中對電路原理圖的設計調試，四路數顯搶答器的理論設計已經完成，借助Proteus具有的高級PCB布線編譯模塊—ARES可對四路數顯搶答器進行布線設計，然后就可依據原理圖和PCB設計圖進行實物焊接、安裝、調試了。借助Proteus輔助電路設計可以縮短設計周期，縮減實驗成本，提高設計效率和質量[3]。

3 結束語

基于Multisim對模擬電路課堂教學中的重要知識點進行輔助分析，并用Proteus軟件對數字電路實驗中的重要實驗內容進行輔助設計。實例應用和實踐教學表明，在電子信息工程專業的教學中適度引入EDA技術，有助于促進理論和實驗教學的改革，提升學生的專業素質和綜合能力。

[1]王爾申,龐濤,李鵬.Multisim和Proteus仿真在數字電路課程教學中的應用[J].實驗技術與管理,2013,30(3):78-81.

[2]曳永芳,行小帥,景彥君.Multisim10仿真軟件在電子線路教學中的應用[J].中國現代教育裝備,2010(10):56-58.

[3]吳小花,吳先球.Proteus電路設計與仿真在教學中的實踐[J].計算機系統應用,2010,19(2):201-204.

[4]鄭步生,吳渭.Multisim 2001電路設計及仿真入門與應用[M].北京:高等教育出版社,2002.

[5]梁明理.電子線路[M].第五版.北京:高等教育出版社,2008.

[6]尉喬南,曹原.基于Proteus的四路彩燈設計[J].科技信息:學術版,2008(19):179-182.