集成的電路教學(xué)平臺――從理論到設計仿真、原型測

近年來(lái)，工程教育理念發(fā)生了重要變化，已從之前注重培養學(xué)生理論知識，過(guò)渡到了培養學(xué)生對基本工程概念的興趣和動(dòng)手實(shí)踐的能力，即工程實(shí)踐教育。此外，工程實(shí)踐教育還面臨著(zhù)一些困難：如何無(wú)縫地從理論學(xué)習過(guò)渡到實(shí)踐環(huán)節;計算機技術(shù)、軟硬件技術(shù)日新月異，要盡可能避免因為技術(shù)過(guò)時(shí)而帶來(lái)經(jīng)常性課件修改的工作量增加;如何在有限的課時(shí)安排下，有效地利用計算機輔助工具幫助和提升理論學(xué)習。電路設計教育是工程教育的一個(gè)組成部分，同樣面臨著(zhù)上述挑戰。

電路相關(guān)課程是目前國內大多數工科院系的必修課程，包括針對電類(lèi)院系的模擬電子技術(shù)基礎、數字電子技術(shù)基礎、電子線(xiàn)路等課程，以及針對非電類(lèi)院系的電工技術(shù)、電子技術(shù)等課程。通常，學(xué)生學(xué)習理論知識，并使用電路仿真軟件來(lái)幫助學(xué)習，但在用真實(shí)電子元器件搭建硬件電路時(shí)往往需要一套全新的工具來(lái)觀(guān)察、記錄和分析測量結果;并通過(guò)對實(shí)際電路測量結果和計算機仿真結果的比較環(huán)節，來(lái)發(fā)現差別并分析其原因，以避免在設計轉化為產(chǎn)品之后

才發(fā)現問(wèn)題，從而節約時(shí)間和成本;在通過(guò)比較環(huán)節之后，最終將電路設計實(shí)現，如PCB。從上述分析發(fā)現，如果有一個(gè)集成的電路教學(xué)平臺，既能夠很好的銜接仿真和原型，又能通過(guò)提供的實(shí)際I/O信號幫助電路原型的搭建和測試，并能很方便地將測試結果和仿真結果進(jìn)行比較，甚至最終將電路實(shí)現，如圖1所示，這無(wú)疑將有助于對學(xué)生理論學(xué)習和動(dòng)手實(shí)踐能力，以及對電路設計興趣的培養;對于一個(gè)具體的電路設計，利用這個(gè)平臺將很大程度的節約時(shí)間和成本。

圖1 集成的電路教學(xué)平臺

電子學(xué)教育平臺

美國國家儀器有限公司(NI)針對目前電路教學(xué)面臨的困難，提供一個(gè)強大的集成化解決方案。該平臺包括用于原理圖捕捉和仿真的Multisim、用于原型設計的ELVIS、以及用于測量和比較的LabVIEW和SignalExpress。該軟件與硬件相集成的平臺創(chuàng )建了一個(gè)包含有電路仿真、電路試驗板制作(即面包板)、測量以及分析在內的完整的學(xué)習環(huán)境。在專(zhuān)業(yè)PCB設計和仿真工具的基礎上，還通過(guò)一系列針對電路教學(xué)的特色功能，如虛擬元器件、在超過(guò)最大值時(shí)會(huì )斷路的額定元器件、3D虛擬電路試驗板、微控制器協(xié)仿真等，幫助學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐中更好地理解和掌握理論知識。下面以一個(gè)RC基礎電路為實(shí)例進(jìn)行分析。

RC電路理論分析

教師常通過(guò)教授基礎電路，培養學(xué)生電路預測、設計、測量和分析等方面的能力。RC電路是一個(gè)基礎模擬電路，如圖2所示，通過(guò)適當的參數選擇使之成為無(wú)源低通濾波器來(lái)抑制輸入信號中高于截止頻率的頻率成份。例如，設計一個(gè)截止頻率(-3dB點(diǎn))為159Hz的低通濾波器，通過(guò)Kirchhoff電流或電壓定律得到該RC電路的增益表達式：

對應截止頻率

為：

根據截止頻率為159Hz的設計要求，由上式得到

。選擇其中一組符合要求的參數：電阻為

，電容為

，進(jìn)行分析。

原理圖設計及仿真

使用計算機仿真軟件是為了幫助理解和分析電路，以及在實(shí)驗之前，對不同的設計想法進(jìn)行驗證，并對一些難以用手工方法計算得到的結果有一定估計;學(xué)生用盡可能短的時(shí)間熟悉和使用仿真軟件搭建原理圖，這樣就可以把更多的時(shí)間放在設計本身和分析理解上。

Multisim是專(zhuān)門(mén)為電路相關(guān)教育工作者、設計工程師和工科學(xué)生而設計的基于SPICE的交互式電路仿真和分析工具，其中，SPICE(Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis)是美國加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)開(kāi)發(fā)的一種電路描述和仿真語(yǔ)言，已成為工業(yè)標準。Multisim具有工業(yè)品質(zhì)且使用方便，包含許多功能強大的虛擬儀器——即仿真實(shí)驗室中可見(jiàn)的各種儀器，如示波器、萬(wàn)用表、波形發(fā)生器等。這些儀器不僅提供了一種快速且直觀(guān)的方式來(lái)獲得仿真結果，同時(shí)也為在實(shí)驗室中使用這些儀器做好了準備。正如加州大學(xué)伯克利分校的Bharathwaj Muthuswamy教授所說(shuō)：“我們在EE100課程中使用Multisim，因為其提供了非常有用的特性并且使用方便”。

根據選擇的參數，搭建好的Multisim原理圖如圖3所示，其中波形發(fā)生器提供頻率為50Hz、占空比為50%、幅值為1.2V的方波作為激勵，示波器用于觀(guān)察該激勵和響應的實(shí)域信號，并將示波器顯示的通道數據保存到文件，用于與實(shí)際原型電路測量結果的比較。此外，還可用波特圖儀進(jìn)行濾波器幅頻、相頻分析。

圖2 RC電路

圖3 RC電路在Multisim軟件中的實(shí)現

原型與測量

NI提供一款專(zhuān)門(mén)面向實(shí)驗教學(xué)的原型平臺ELVIS，它由LabVIEW，數據采集卡和原型工作臺組成，能夠低成本的實(shí)現實(shí)驗室常用的12種類(lèi)似臺式儀器功能，包括萬(wàn)用表、示波器、波形發(fā)生器、可變電源等。LabVIEW是直觀(guān)的圖形化系統設計工具，廣泛應用于測試測量自動(dòng)化、控制、設計等領(lǐng)域;因為其使用方便，工程師、科學(xué)家和學(xué)者可以把更多的時(shí)間和精力集中在算法和設計本身上，而不是代碼編寫(xiě)上。

電路原型分虛擬原型和實(shí)際原型。虛擬原型是指在Multisim提供的ELVIS原理圖環(huán)境中搭建，并可利用一組和真實(shí)ELVIS完全一致的接口;在得到正確的仿真結果后，可在虛擬的3D ELVIS下搭建電路圖，因為無(wú)需真實(shí)硬件和器件，但又能對完成狀態(tài)和正確性給予反饋，學(xué)生可以在家中或宿舍里無(wú)風(fēng)險的搭建電路圖，并可嘗試不同的布局、連線(xiàn)方式;可以減少真正實(shí)驗時(shí)的連線(xiàn)錯誤等，以節省時(shí)間。

實(shí)際原型，是指在可移動(dòng)的ELVIS原型設計板上搭建電路圖，并利用提供的波形發(fā)生器、示波器、電源等儀器功能;還可以通過(guò)LabVIEW編程實(shí)現自定義的儀器功能。在這個(gè)實(shí)驗中，利用兩個(gè)模擬輸入通道分別記錄激勵信號和響應信號，結果如圖4顯示。

比較

在完成仿真和原型后，需要對仿真結果和實(shí)際測量結果進(jìn)行比較，理解和分析仿真和測量結果差別的原因。若采用手工處理方法則是比較困難和復雜的，會(huì )使學(xué)生將大部分精力都集中在了如何比較上。仿真和測量的結果差別也不只是由元器件誤差導致，還可能是因為輸入端和輸出端的負載影響，比如阻抗匹配、串擾等，也可能是使用的仿真模型超出了實(shí)際可接受范圍。在對實(shí)際原型電路進(jìn)行測量的同時(shí)，裝載仿真結果數據，進(jìn)行比較，并在同一圖表上顯示兩者結果和其差別以便分析。這將使學(xué)生把更多時(shí)間放在理解電路理論、分析真實(shí)器件參數影響、理解仿真環(huán)節意義上，這也是目的所在。

圖4是LabVIEW實(shí)現的電路圖B點(diǎn)電壓仿真結果和實(shí)際測量結果的對比，可以看到兩者吻合得較好，即原型電路很好地反映了仿真的電路行為。此外，還可利用無(wú)需編程的、直觀(guān)的向導式工具SignalExpress來(lái)實(shí)現對原型電路的測量，以及與仿真結果的比較。

圖4 原型電路和仿真結果響應信號的對比

實(shí)現

在原型電路驗證之后，可將Multisim原理圖網(wǎng)表導入Ultiboard軟件或者第三方提供的軟件，如Mentor Graphics PADS，進(jìn)行布局布線(xiàn)。在電路設計轉換為產(chǎn)品的制造過(guò)程中或對產(chǎn)品的驗證時(shí)，又可利用NI提供的電子測量自動(dòng)化(EMA)方案。即從最初的設計開(kāi)始，到最終的產(chǎn)品交付，都可以在由單一廠(chǎng)商提供的統一平臺下來(lái)實(shí)現。

總結

電路設計教育是工程實(shí)踐教育的組成部分。針對目前電路教學(xué)面臨的一些挑戰，軟硬件相集成的平臺可以無(wú)縫地將理論學(xué)習、設計仿真、原型測量、比較和電路實(shí)現環(huán)節連接起來(lái)，即從理論過(guò)渡到實(shí)際。不僅可以直觀(guān)的仿真和快速的測量，而且即便在其中任一個(gè)環(huán)節發(fā)現問(wèn)題，都可以很容易地返回，以避免在最后電路實(shí)現時(shí)才發(fā)現問(wèn)題，從而節省時(shí)間和成本。該平臺又是動(dòng)手實(shí)踐的平臺，不僅幫助學(xué)生掌握理論知識，又培養學(xué)生對電路設計、工程概念的興趣，并為最終學(xué)以致用打下很好的基礎。