集成的電路教學(xué)平臺(tái)――從理論到設(shè)計(jì)仿真、原型測(cè)

近年來，工程教育理念發(fā)生了重要變化，已從之前注重培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)，過渡到了培養(yǎng)學(xué)生對(duì)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)踐教育還面臨著一些困難：如何無縫地從理論學(xué)習(xí)過渡到實(shí)踐環(huán)節(jié);計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟硬件技術(shù)日新月異，要盡可能避免因?yàn)榧夹g(shù)過時(shí)而帶來經(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(jì)算機(jī)輔助工具幫助和提升理論學(xué)習(xí)。電路設(shè)計(jì)教育是工程教育的一個(gè)組成部分，同樣面臨著上述挑戰(zhàn)。

電路相關(guān)課程是目前國內(nèi)大多數(shù)工科院系的必修課程，包括針對(duì)電類院系的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、電子線路等課程，以及針對(duì)非電類院系的電工技術(shù)、電子技術(shù)等課程。通常，學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)，并使用電路仿真軟件來幫助學(xué)習(xí)，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觀察、記錄和分析測(cè)量結(jié)果;并通過對(duì)實(shí)際電路測(cè)量結(jié)果和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的比較環(huán)節(jié)，來發(fā)現(xiàn)差別并分析其原因，以避免在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品之后

才發(fā)現(xiàn)問題，從而節(jié)約時(shí)間和成本;在通過比較環(huán)節(jié)之后，最終將電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，如PCB。從上述分析發(fā)現(xiàn)，如果有一個(gè)集成的電路教學(xué)平臺(tái)，既能夠很好的銜接仿真和原型，又能通過提供的實(shí)際I/O信號(hào)幫助電路原型的搭建和測(cè)試，并能很方便地將測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行比較，甚至最終將電路實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，這無疑將有助于對(duì)學(xué)生理論學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐能力，以及對(duì)電路設(shè)計(jì)興趣的培養(yǎng);對(duì)于一個(gè)具體的電路設(shè)計(jì)，利用這個(gè)平臺(tái)將很大程度的節(jié)約時(shí)間和成本。

圖1 集成的電路教學(xué)平臺(tái)

電子學(xué)教育平臺(tái)

美國國家儀器有限公司(NI)針對(duì)目前電路教學(xué)面臨的困難，提供一個(gè)強(qiáng)大的集成化解決方案。該平臺(tái)包括用于原理圖捕捉和仿真的Multisim、用于原型設(shè)計(jì)的ELVIS、以及用于測(cè)量和比較的LabVIEW和SignalExpress。該軟件與硬件相集成的平臺(tái)創(chuàng)建了一個(gè)包含有電路仿真、電路試驗(yàn)板制作(即面包板)、測(cè)量以及分析在內(nèi)的完整的學(xué)習(xí)環(huán)境。在專業(yè)PCB設(shè)計(jì)和仿真工具的基礎(chǔ)上，還通過一系列針對(duì)電路教學(xué)的特色功能，如虛擬元器件、在超過最大值時(shí)會(huì)斷路的額定元器件、3D虛擬電路試驗(yàn)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(shí)。下面以一個(gè)RC基礎(chǔ)電路為實(shí)例進(jìn)行分析。

RC電路理論分析

教師常通過教授基礎(chǔ)電路，培養(yǎng)學(xué)生電路預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)、測(cè)量和分析等方面的能力。RC電路是一個(gè)基礎(chǔ)模擬電路，如圖2所示，通過適當(dāng)?shù)膮?shù)選擇使之成為無源低通濾波器來抑制輸入信號(hào)中高于截止頻率的頻率成份。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率(-3dB點(diǎn))為159Hz的低通濾波器，通過Kirchhoff電流或電壓定律得到該RC電路的增益表達(dá)式：

對(duì)應(yīng)截止頻率

為：

根據(jù)截止頻率為159Hz的設(shè)計(jì)要求，由上式得到

。選擇其中一組符合要求的參數(shù)：電阻為

，電容為

，進(jìn)行分析。

原理圖設(shè)計(jì)及仿真

使用計(jì)算機(jī)仿真軟件是為了幫助理解和分析電路，以及在實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)不同的設(shè)計(jì)想法進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)一些難以用手工方法計(jì)算得到的結(jié)果有一定估計(jì);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(shè)計(jì)本身和分析理解上。

Multisim是專門為電路相關(guān)教育工作者、設(shè)計(jì)工程師和工科學(xué)生而設(shè)計(jì)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)開發(fā)的一種電路描述和仿真語言，已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Multisim具有工業(yè)品質(zhì)且使用方便，包含許多功能強(qiáng)大的虛擬儀器——即仿真實(shí)驗(yàn)室中可見的各種儀器，如示波器、萬用表、波形發(fā)生器等。這些儀器不僅提供了一種快速且直觀的方式來獲得仿真結(jié)果，同時(shí)也為在實(shí)驗(yàn)室中使用這些儀器做好了準(zhǔn)備。正如加州大學(xué)伯克利分校的Bharathwaj Muthuswamy教授所說：“我們?cè)贓E100課程中使用Multisim，因?yàn)槠涮峁┝朔浅Ｓ杏玫奶匦圆⑶沂褂梅奖?rdquo;。

根據(jù)選擇的參數(shù)，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(lì)，示波器用于觀察該激勵(lì)和響應(yīng)的實(shí)域信號(hào)，并將示波器顯示的通道數(shù)據(jù)保存到文件，用于與實(shí)際原型電路測(cè)量結(jié)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(xiàn)

原型與測(cè)量

NI提供一款專門面向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的原型平臺(tái)ELVIS，它由LabVIEW，數(shù)據(jù)采集卡和原型工作臺(tái)組成，能夠低成本的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室常用的12種類似臺(tái)式儀器功能，包括萬用表、示波器、波形發(fā)生器、可變電源等。LabVIEW是直觀的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，廣泛應(yīng)用于測(cè)試測(cè)量自動(dòng)化、控制、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域;因?yàn)槠涫褂梅奖悖こ處?、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(shè)計(jì)本身上，而不是代碼編寫上。

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(jié)果后，可在虛擬的3D ELVIS下搭建電路圖，因?yàn)闊o需真實(shí)硬件和器件，但又能對(duì)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風(fēng)險(xiǎn)的搭建電路圖，并可嘗試不同的布局、連線方式;可以減少真正實(shí)驗(yàn)時(shí)的連線錯(cuò)誤等，以節(jié)省時(shí)間。

實(shí)際原型，是指在可移動(dòng)的ELVIS原型設(shè)計(jì)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LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)自定義的儀器功能。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，利用兩個(gè)模擬輸入通道分別記錄激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)，結(jié)果如圖4顯示。

比較

在完成仿真和原型后，需要對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，理解和分析仿真和測(cè)量結(jié)果差別的原因。若采用手工處理方法則是比較困難和復(fù)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(cè)量的結(jié)果差別也不只是由元器件誤差導(dǎo)致，還可能是因?yàn)檩斎攵撕洼敵龆说呢?fù)載影響，比如阻抗匹配、串?dāng)_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(duì)實(shí)際原型電路進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)，裝載仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較，并在同一圖表上顯示兩者結(jié)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(shù)影響、理解仿真環(huán)節(jié)意義上，這也是目的所在。

圖4是LabVIEW實(shí)現(xiàn)的電路圖B點(diǎn)電壓仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果的對(duì)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，還可利用無需編程的、直觀的向?qū)焦ぞ逽ignalExpress來實(shí)現(xiàn)對(duì)原型電路的測(cè)量，以及與仿真結(jié)果的比較。

圖4 原型電路和仿真結(jié)果響應(yīng)信號(hào)的對(duì)比

實(shí)現(xiàn)

在原型電路驗(yàn)證之后，可將Multisim原理圖網(wǎng)表導(dǎo)入U(xiǎn)ltiboard軟件或者第三方提供的軟件，如Mentor Graphics PADS，進(jìn)行布局布線。在電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的制造過程中或?qū)Ξa(chǎn)品的驗(yàn)證時(shí)，又可利用NI提供的電子測(cè)量自動(dòng)化(EMA)方案。即從最初的設(shè)計(jì)開始，到最終的產(chǎn)品交付，都可以在由單一廠商提供的統(tǒng)一平臺(tái)下來實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)

電路設(shè)計(jì)教育是工程實(shí)踐教育的組成部分。針對(duì)目前電路教學(xué)面臨的一些挑戰(zhàn)，軟硬件相集成的平臺(tái)可以無縫地將理論學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)仿真、原型測(cè)量、比較和電路實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)連接起來，即從理論過渡到實(shí)際。不僅可以直觀的仿真和快速的測(cè)量，而且即便在其中任一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)問題，都可以很容易地返回，以避免在最后電路實(shí)現(xiàn)時(shí)才發(fā)現(xiàn)問題，從而節(jié)省時(shí)間和成本。該平臺(tái)又是動(dòng)手實(shí)踐的平臺(tái)，不僅幫助學(xué)生掌握理論知識(shí)，又培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)、工程概念的興趣，并為最終學(xué)以致用打下很好的基礎(chǔ)。