摘 要:为提高电子电路综合设计教学效果,对传统电子电路综合设计教学进行了改革.将 Multisim 技术引入电子电路综合设计,研究 Multisim 电子电路综合设计方法,结合数字式日历牌设计实例,给出 Multisim 技术在电子电路综合设计中的应用,分析了基于 Multisim 电子电路综合设计的优势.实践表明,Multisim 技术在电子电路综合设计中优势明显,切实提升了学生实践创新能力.
关键词:电子电路;综合设计;Multisim;实践教学改革
电子电路综合设计是电工电子类课程的重要实践环节,为高校自动化、电气工程及自动化、信息工程、电子科学与技术等专业的学生开设.该课程内容综合性强,对工科学生综合素质的提高以及创新能力的培养至关重要.但是,由于实验室仪器和条件限制等原因, 该课程的实践环节远没有达到对学生能力培养的期许.如何激发学生对该课程综合设计实践环节的兴趣,有效提升实践教学效果和学生实践能力,是需要教师积极探索的问题[1].
现代计算机技术的发展和虚拟软件的出现,使得复杂的学习简单化、兴趣化和自动化.Multisim 就是计算机的虚拟软件技术,它可以使传统的电子电路综合设计实现根本性改革.Multisim 是美国国家仪器公司推出的原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件.Mu1tisim 提供了全面集成化的设计环境,能完成原理图设计、电路仿真分析和电路功能测试等项工作.它提供了众多虚拟元器件,包括数千个器件模型; 提供了齐全的虚拟电子仪器设备,操作这些仪器设备如同操作真实仪器设备一样;还提供了全面的分析工具,可以进行电路仿真设计分析[2].
1 电子电路综合设计实践中的问题分析
电子电路综合设计实践是对电子技术基础课程知识的拓宽和提高,是对各知识点的综合运用.在该实践环节,教师要布置有一定难度的实践题目.在给学生布置的综合设计性实践题目中,要充分考虑知识的综合性与设计的开创性,使学生在掌握电子电路理论知识的同时,提升实践创新能力,要求学生自行设计电子电路 并 实 际 焊 接 印 制 电 路 板 (PCB),实 现 电 路功能[3].
在 Multisim 使用之前,按照传统的电子电路综合设计实践要求,学生设计的电子电路图要在 PCB板上进行焊接和上电测试.这种做法的主要问题[4]是:
(1)学生感觉难度较大,信心不足.由于电子电路综合设计实践要求以实物实现功能,如果电子电路设计有缺陷或焊接有问题,查找错误需要花大量的时间和精力,还要损耗材料;如果设计错误则要重新开始,花费大量时间还不一定能够成功,很容易挫伤学生的学习积极性.
(2)实践平台单一,学生只能在实验室完成设计; 而由于课程安排等原因,学生来实验室不方便,完成综合设计的时间显得不足.
(3)实验用元器件损耗大、实验仪器损坏多、实验经费花费多,增加了实验室教师的工作量.由于学生设计的电子电路的正确性无法保证,各种元器件焊接上电后易损坏.还由于实验室实验仪器有限,使得设计功能不容易实现.
基于上述问题,基于 Multisim 技术进行电子电路综合设计改革势在必行.要通过课程改革使电子电路综合设计“虚实结合、软硬兼施”,以达到培养和提升学生实践能力和创新精神的目的[5].
2 基于 Multisim 的电子电路综合设计方法
基于 Multisim 的电子电路综合设计流程如图 1所示.
首先,学生根据教师布置的综合设计任务查找资料,研究和确定设计方案,并进行原理图设计.
然后,进入 Multisim 软件环境,在 Multisim 下构建虚拟电路模型.建立模型后仿真,研究仿真结果,通过虚拟仪器检验技术指标.如果检验结果不合适,则修改参数、模型、原理图等.
最后,在该环境下反复地设计、调试、修改和完善, 直到满足设计要求[6G7]. 3 一例综合设计实践———数字式日历牌设计对于综合系统设计,Multisim 采用自上而下的设计方法,即先在顶层进行功能划分、行为描述和结构设计,然后 在 底 层 进 行 方 案 设 计 与 验 证、电 路 设 计 与 PCB设计等.除系统设计、功能划分和行为描述外, 其余工作由计算机完成.显然,该设计方法成本低、效率高、周期短、功能强、应用范围广.一个综合设计实践的实例———数字式日历牌就采用了自上而下的设计方法[8].
3.1 设计任务和要求
用中小规模集成电路设计数字式日历牌,并实现以下功能: (1)产生定时脉冲信号; (2)自动显示“年、月、日、星期、时、分”; (3)根据大月和小月、平年和闰年显示各月天数; (4)可手动校正,即手动进行年、月、日、星期、时的脉冲输入或连续脉冲输入校正.
3.2 数字式日历牌设计方案
数字式日历牌设计方案框图2所示,分计数采用六十进制计数,小时计数采用二十四进制计数,日计数采用二十八、二十九、三十、三十一等进制计数.日计数受年计数(判断平年或闰年)、月计数(判断大或小月)控制,年计数为万进制计数.
3.3 基于 Multisim 的数字式日历牌设计实现
根据设计方案,采用 Multisim 自上向下的模块化设计.数字式日历牌由 X0—X6共7个子单元模块和各单元模块校准开关构成,子单元模块分别为定时脉冲、分、星期、小时、日、月、年模块.数字式日历牌电路原理如图3所示.
每个子单元模块电路采用中规模芯片和一些门电路设计而成.X0由555定时器构成多谐振荡器; X1由2片 十 进 制 计 数 器 74LS160 构 成 六 十 进 制 分计数器;X2由2片十进制计数器74LS160构成二十四进制计数器;X3由1片十进制计数器74LS160构成 七 进 制 星 期 计 数 器;X4 由 2 片 十 进 制 计 数 器74LS160构成二十八、二十九、三十、三十一进制日计数器;X5由2片十进制计数器74LS160构成十二进制计数器和 控 制 电 路,控 制 日 子 电 路;X6 由 4 片 十进制计 数 器 74LS160 构 成 万 进 制 计 数 器 和 控 制 电路,控制闰年或平年2月的日期.
以 X1分计数器为例(见图4),六十进制分计数器由2个 74LS160N 计数器 和 与 非 门 构 成,当 计 到 59时,非门输出的进位显示灯亮,其余计数时该灯不亮.
该数字式日历牌设计尽管使用了13个中规模芯片,若干门电路、电阻、电容和13个数码显示器,连线也比较多,但是 Multisim 能随时纠正电路原理图设计、芯片使用、连线中的错误,元器件调换、修改设计和测试也很方便,使学生在实际设计中信心大大增加[9].
4 应用 Multisim 进行电子电路设计的优势
利用 Multisim 进行电子电路设计的实践可以看出,Multisim 在电子电路实验教学中的应用具有很大的优势.
(1)可以提升学生对电子电路综合设计的兴趣和积极性,增加学习的自信心,更好地发挥学生的创造性.由于学生愿意使用电脑,使用电脑软件上手快,利用 Multisim 可以方便地修改电路、调换元器件、修改参数,不用担心设计实验失败,使每一步设计的实现都带来了成就感和自信心[10].
(2)时间和空间的利用灵活和方便,提高了学生综合设计的效率.实验平台不再局限于实验室,学生利用空余时间在教室、宿舍都可以利用电脑进行电路设计与仿真[11].
(3)Multisim 软件提供了失真分析仪等一般实验室配置较少的仪器,同时提供了各种分析功能,如失真度分析和傅里叶分析等,它非常直观地加强了学生对设计电子电路的全面理解,可大大提升学生分析问题和解决问题的能力[12].
(4)能明显减少实验器件和仪器的损坏,减少实验室的经费开支.由于电子电路设计是在 Multisim 中进行的,最终给出的是一个能实现且较优的设计方案,因此有效避免了直接焊接电路板可能导致的元器件烧坏,避免了仪器设备的损坏.
(5)Multisim 软件可以提高实践环节的安全性. 对于有一定危险的实验,通过仿真虚拟实验设计、调试并仿真成功后,再搭建实际电路,使学生和设备的安全更有保障.
5 结语
使 用 Multisim 软 件 进 行 电 子 电 路 综 合 设 计,有效地提升了学生的综合素质和创新能力.由于它弥补了传统电 子 电 路 综 合 设 计 实 践 的 不 足,学 生 的 积极主动性和自信心明显增强.学生不再惧怕电子电路设计,积极参加校内外电子设计大赛.Multisim 已经成为学生 进 行 电 路 设 计 的 首 选 工 具,并 帮 助 学 生在设计竞 赛 中 取 得 了 很 好 的 成 绩.在 2016 年 北 京市大学生电子设计竞赛中,北京工商大学组建了45个队参加比赛,其中有12个队获一等奖,13个队获得二等奖,12个队获得三等奖,获奖人数在参赛学校中名列前茅,取 得 了 本 校 参 加 该 项 竞 赛 以 来 的 最 好成绩. ——论文作者：付 扬
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