集成的電路教學(xué)平臺――從理論到設(shè)計仿真、原型測量、比較、實(shí)現(xiàn)

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，過渡到了培養(yǎng)學(xué)生對基本工程概念的興趣和動手實(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;如何在有限的課時安排下，有效地利用計算機(jī)輔助工具幫助和提升理論學(xué)習(xí)。電路設(shè)計教育是工程教育的一個組成部分，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，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往往需要一套全新的工具來觀察、記錄和分析測量結(jié)果;并通過對實(shí)際電路測量結(jié)果和計算機(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)計轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品之后

才發(fā)現(xiàn)問題，從而節(jié)約時間和成本;在通過比較環(huán)節(jié)之后，最終將電路設(shè)計實(shí)現(xiàn)，如PCB。從上述分析發(fā)現(xiàn)，如果有一個集成的電路教學(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(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，這無疑將有助于對學(xué)生理論學(xué)習(xí)和動手實(shí)踐能力，以及對電路設(shè)計興趣的培養(yǎng);對于一個具體的電路設(shè)計，利用這個平臺將很大程度的節(jié)約時間和成本。

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，提供一個強(qiáng)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(shè)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)建了一個包含有電路仿真、電路試驗(yàn)板制作(即面包板)、測量以及分析在內(nèi)的完整的學(xué)習(xí)環(huán)境。在專業(yè)PCB設(shè)計和仿真工具的基礎(chǔ)上，還通過一系列針對電路教學(xué)的特色功能，如虛擬元器件、在超過最大值時會斷路的額定元器件、3D虛擬電路試驗(yàn)板、微控制器協(xié)仿真等，幫助學(xué)生在動手實(shí)踐中更好地理解和掌握理論知識。下面以一個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、設(shè)計、測量和分析等方面的能力。RC電路是一個基礎(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中高于截止頻率的頻率成份。例如，設(shè)計一個截止頻率(-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：

對應(yīng)截止頻率

為：

根據(jù)截止頻率為159Hz的設(shè)計要求，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)計及仿真

使用計算機(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，對不同的設(shè)計想法進(jìn)行驗(yàn)證，并對一些難以用手工方法計算得到的結(jié)果有一定估計;學(xué)生用盡可能短的時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間放在設(shè)計本身和分析理解上。

Multisim是專門為電路相關(guān)教育工作者、設(shè)計工程師和工科學(xué)生而設(shè)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：“我們在EE100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，示波器用于觀察該激勵和響應(yīng)的實(shí)域信號，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)

原型與測量

NI提供一款專門面向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的原型平臺ELVIS，它由LabVIEW，數(shù)據(jù)采集卡和原型工作臺組成，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)計工具，廣泛應(yīng)用于測試測量自動化、控制、設(shè)計等領(lǐng)域;因?yàn)槠涫褂梅奖悖こ處?、科學(xué)家和學(xué)者可以把更多的時間和精力集中在算法和設(shè)計本身上，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)時的連線錯誤等，以節(jié)省時間。

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

比較

在完成仿真和原型后，需要對仿真結(jié)果和實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行比較，理解和分析仿真和測量結(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(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。在對實(shí)際原型電路進(jìn)行測量的同時，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)際測量結(jié)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，還可利用無需編程的、直觀的向?qū)焦ぞ逽ignalExpress來實(shí)現(xiàn)對原型電路的測量，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)信號的對比

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Ultiboard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)計轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的制造過程中或?qū)Ξa(chǎn)品的驗(yàn)證時，又可利用NI提供的電子測量自動化(EMA)方案。即從最初的設(shè)計開始，到最終的產(chǎn)品交付，都可以在由單一廠商提供的統(tǒng)一平臺下來實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)

電路設(shè)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(zhàn)，軟硬件相集成的平臺可以無縫地將理論學(xué)習(xí)、設(shè)計仿真、原型測量、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量，而且即便在其中任一個環(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)時才發(fā)現(xiàn)問題，從而節(jié)省時間和成本。該平臺又是動手實(shí)踐的平臺，不僅幫助學(xué)生掌握理論知識，又培養(yǎng)學(xué)生對電路設(shè)計、工程概念的興趣，并為最終學(xué)以致用打下很好的基礎(chǔ)。