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摘 要： 摘 要:為提高電子電路綜合設計教學效果,對傳統電子電路綜合設計教學進行了改革.將 Multisim 技術引入電子電路綜合設計,研究 Multisim 電子電路綜合設計方法,結合數字式日歷牌設計實例,給出 Multisim 技術在電子電路綜合設計中的應用,分析了基于 Multisim 電子電路綜合
摘 要:為提高電子電路綜合設計教學效果,對傳統電子電路綜合設計教學進行了改革.將 Multisim 技術引入電子電路綜合設計,研究 Multisim 電子電路綜合設計方法,結合數字式日歷牌設計實例,給出 Multisim 技術在電子電路綜合設計中的應用,分析了基于 Multisim 電子電路綜合設計的優勢.實踐表明,Multisim 技術在電子電路綜合設計中優勢明顯,切實提升了學生實踐創新能力.
關鍵詞:電子電路;綜合設計;Multisim;實踐教學改革
電子電路綜合設計是電工電子類課程的重要實踐環節,為高校自動化、電氣工程及自動化、信息工程、電子科學與技術等專業的學生開設.該課程內容綜合性強,對工科學生綜合素質的提高以及創新能力的培養至關重要.但是,由于實驗室儀器和條件限制等原因, 該課程的實踐環節遠沒有達到對學生能力培養的期許.如何激發學生對該課程綜合設計實踐環節的興趣,有效提升實踐教學效果和學生實踐能力,是需要教師積極探索的問題[1].
現代計算機技術的發展和虛擬軟件的出現,使得復雜的學習簡單化、興趣化和自動化.Multisim 就是計算機的虛擬軟件技術,它可以使傳統的電子電路綜合設計實現根本性改革.Multisim 是美國國家儀器公司推出的原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件.Mu1tisim 提供了全面集成化的設計環境,能完成原理圖設計、電路仿真分析和電路功能測試等項工作.它提供了眾多虛擬元器件,包括數千個器件模型; 提供了齊全的虛擬電子儀器設備,操作這些儀器設備如同操作真實儀器設備一樣;還提供了全面的分析工具,可以進行電路仿真設計分析[2].
1 電子電路綜合設計實踐中的問題分析
電子電路綜合設計實踐是對電子技術基礎課程知識的拓寬和提高,是對各知識點的綜合運用.在該實踐環節,教師要布置有一定難度的實踐題目.在給學生布置的綜合設計性實踐題目中,要充分考慮知識的綜合性與設計的開創性,使學生在掌握電子電路理論知識的同時,提升實踐創新能力,要求學生自行設計電子電路 并 實 際 焊 接 印 制 電 路 板 (PCB),實 現 電 路功能[3].
在 Multisim 使用之前,按照傳統的電子電路綜合設計實踐要求,學生設計的電子電路圖要在 PCB板上進行焊接和上電測試.這種做法的主要問題[4]是:
(1)學生感覺難度較大,信心不足.由于電子電路綜合設計實踐要求以實物實現功能,如果電子電路設計有缺陷或焊接有問題,查找錯誤需要花大量的時間和精力,還要損耗材料;如果設計錯誤則要重新開始,花費大量時間還不一定能夠成功,很容易挫傷學生的學習積極性.
(2)實踐平臺單一,學生只能在實驗室完成設計; 而由于課程安排等原因,學生來實驗室不方便,完成綜合設計的時間顯得不足.
(3)實驗用元器件損耗大、實驗儀器損壞多、實驗經費花費多,增加了實驗室教師的工作量.由于學生設計的電子電路的正確性無法保證,各種元器件焊接上電后易損壞.還由于實驗室實驗儀器有限,使得設計功能不容易實現.
基于上述問題,基于 Multisim 技術進行電子電路綜合設計改革勢在必行.要通過課程改革使電子電路綜合設計“虛實結合、軟硬兼施”,以達到培養和提升學生實踐能力和創新精神的目的[5].
2 基于 Multisim 的電子電路綜合設計方法
基于 Multisim 的電子電路綜合設計流程如圖 1所示.
首先,學生根據教師布置的綜合設計任務查找資料,研究和確定設計方案,并進行原理圖設計.
然后,進入 Multisim 軟件環境,在 Multisim 下構建虛擬電路模型.建立模型后仿真,研究仿真結果,通過虛擬儀器檢驗技術指標.如果檢驗結果不合適,則修改參數、模型、原理圖等.
最后,在該環境下反復地設計、調試、修改和完善, 直到滿足設計要求[6G7]. 3 一例綜合設計實踐———數字式日歷牌設計對于綜合系統設計,Multisim 采用自上而下的設計方法,即先在頂層進行功能劃分、行為描述和結構設計,然后 在 底 層 進 行 方 案 設 計 與 驗 證、電 路 設 計 與 PCB設計等.除系統設計、功能劃分和行為描述外, 其余工作由計算機完成.顯然,該設計方法成本低、效率高、周期短、功能強、應用范圍廣.一個綜合設計實踐的實例———數字式日歷牌就采用了自上而下的設計方法[8].
3.1 設計任務和要求
用中小規模集成電路設計數字式日歷牌,并實現以下功能: (1)產生定時脈沖信號; (2)自動顯示“年、月、日、星期、時、分”; (3)根據大月和小月、平年和閏年顯示各月天數; (4)可手動校正,即手動進行年、月、日、星期、時的脈沖輸入或連續脈沖輸入校正.
3.2 數字式日歷牌設計方案
數字式日歷牌設計方案框圖2所示,分計數采用六十進制計數,小時計數采用二十四進制計數,日計數采用二十八、二十九、三十、三十一等進制計數.日計數受年計數(判斷平年或閏年)、月計數(判斷大或小月)控制,年計數為萬進制計數.
3.3 基于 Multisim 的數字式日歷牌設計實現
根據設計方案,采用 Multisim 自上向下的模塊化設計.數字式日歷牌由 X0—X6共7個子單元模塊和各單元模塊校準開關構成,子單元模塊分別為定時脈沖、分、星期、小時、日、月、年模塊.數字式日歷牌電路原理如圖3所示.
每個子單元模塊電路采用中規模芯片和一些門電路設計而成.X0由555定時器構成多諧振蕩器; X1由2片 十 進 制 計 數 器 74LS160 構 成 六 十 進 制 分計數器;X2由2片十進制計數器74LS160構成二十四進制計數器;X3由1片十進制計數器74LS160構成 七 進 制 星 期 計 數 器;X4 由 2 片 十 進 制 計 數 器74LS160構成二十八、二十九、三十、三十一進制日計數器;X5由2片十進制計數器74LS160構成十二進制計數器和 控 制 電 路,控 制 日 子 電 路;X6 由 4 片 十進制計 數 器 74LS160 構 成 萬 進 制 計 數 器 和 控 制 電路,控制閏年或平年2月的日期.
以 X1分計數器為例(見圖4),六十進制分計數器由2個 74LS160N 計數器 和 與 非 門 構 成,當 計 到 59時,非門輸出的進位顯示燈亮,其余計數時該燈不亮.
該數字式日歷牌設計盡管使用了13個中規模芯片,若干門電路、電阻、電容和13個數碼顯示器,連線也比較多,但是 Multisim 能隨時糾正電路原理圖設計、芯片使用、連線中的錯誤,元器件調換、修改設計和測試也很方便,使學生在實際設計中信心大大增加[9].
4 應用 Multisim 進行電子電路設計的優勢
利用 Multisim 進行電子電路設計的實踐可以看出,Multisim 在電子電路實驗教學中的應用具有很大的優勢.
(1)可以提升學生對電子電路綜合設計的興趣和積極性,增加學習的自信心,更好地發揮學生的創造性.由于學生愿意使用電腦,使用電腦軟件上手快,利用 Multisim 可以方便地修改電路、調換元器件、修改參數,不用擔心設計實驗失敗,使每一步設計的實現都帶來了成就感和自信心[10].
(2)時間和空間的利用靈活和方便,提高了學生綜合設計的效率.實驗平臺不再局限于實驗室,學生利用空余時間在教室、宿舍都可以利用電腦進行電路設計與仿真[11].
(3)Multisim 軟件提供了失真分析儀等一般實驗室配置較少的儀器,同時提供了各種分析功能,如失真度分析和傅里葉分析等,它非常直觀地加強了學生對設計電子電路的全面理解,可大大提升學生分析問題和解決問題的能力[12].
(4)能明顯減少實驗器件和儀器的損壞,減少實驗室的經費開支.由于電子電路設計是在 Multisim 中進行的,最終給出的是一個能實現且較優的設計方案,因此有效避免了直接焊接電路板可能導致的元器件燒壞,避免了儀器設備的損壞.
(5)Multisim 軟件可以提高實踐環節的安全性. 對于有一定危險的實驗,通過仿真虛擬實驗設計、調試并仿真成功后,再搭建實際電路,使學生和設備的安全更有保障.
5 結語
使 用 Multisim 軟 件 進 行 電 子 電 路 綜 合 設 計,有效地提升了學生的綜合素質和創新能力.由于它彌補了傳統電 子 電 路 綜 合 設 計 實 踐 的 不 足,學 生 的 積極主動性和自信心明顯增強.學生不再懼怕電子電路設計,積極參加校內外電子設計大賽.Multisim 已經成為學生 進 行 電 路 設 計 的 首 選 工 具,并 幫 助 學 生在設計競 賽 中 取 得 了 很 好 的 成 績.在 2016 年 北 京市大學生電子設計競賽中,北京工商大學組建了45個隊參加比賽,其中有12個隊獲一等獎,13個隊獲得二等獎,12個隊獲得三等獎,獲獎人數在參賽學校中名列前茅,取 得 了 本 校 參 加 該 項 競 賽 以 來 的 最 好成績. ——論文作者：付 揚
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