集成的電路教學平臺――從理論到設計仿真、原型測

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)學生理論知識，過渡到了培養(yǎng)學生對基本工程概念的興趣和動手實踐的能力，即工程實踐教育。此外，工程實踐教育還面臨著一些困難：如何無縫地從理論學習過渡到實踐環(huán)節(jié);計算機技術、軟硬件技術日新月異，要盡可能避免因為技術過時而帶來經常性課件修改的工作量增加;如何在有限的課時安排下，有效地利用計算機輔助工具幫助和提升理論學習。電路設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，包括針對電類院系的模擬電子技術基礎、數字電子技術基礎、電子線路等課程，以及針對非電類院系的電工技術、電子技術等課程。通常，學生學習理論知識，并使用電路仿真軟件來幫助學習，但在用真實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、記錄和分析測量結果;并通過對實際電路測量結果和計算機仿真結果的比較環(huán)節(jié)，來發(fā)現差別并分析其原因，以避免在設計轉化為產品之后

才發(fā)現問題，從而節(jié)約時間和成本;在通過比較環(huán)節(jié)之后，最終將電路設計實現，如PCB。從上述分析發(fā)現，如果有一個集成的電路教學平臺，既能夠很好的銜接仿真和原型，又能通過提供的實際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行比較，甚至最終將電路實現，如圖1所示，這無疑將有助于對學生理論學習和動手實踐能力，以及對電路設計興趣的培養(yǎng);對于一個具體的電路設計，利用這個平臺將很大程度的節(jié)約時間和成本。

圖1 集成的電路教學平臺

電子學教育平臺

美國國家儀器有限公司(NI)針對目前電路教學面臨的困難，提供一個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習環(huán)境。在專業(yè)PCB設計和仿真工具的基礎上，還通過一系列針對電路教學的特色功能，如虛擬元器件、在超過最大值時會斷路的額定元器件、3D虛擬電路試驗板、微控制器協仿真等，幫助學生在動手實踐中更好地理解和掌握理論知識。下面以一個RC基礎電路為實例進行分析。

RC電路理論分析

教師常通過教授基礎電路，培養(yǎng)學生電路預測、設計、測量和分析等方面的能力。RC電路是一個基礎模擬電路，如圖2所示，通過適當的參數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，設計一個截止頻率(-3dB點)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，以及在實驗之前，對不同的設計想法進行驗證，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計本身和分析理解上。

Multisim是專門為電路相關教育工作者、設計工程師和工科學生而設計的基于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)標準。Multisim具有工業(yè)品質且使用方便，包含許多功能強大的虛擬儀器——即仿真實驗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果，同時也為在實驗室中使用這些儀器做好了準備。正如加州大學伯克利分校的Bharathwaj Muthuswamy教授所說：“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，示波器用于觀察該激勵和響應的實域信號，并將示波器顯示的通道數據保存到文件，用于與實際原型電路測量結果的比較。此外，還可用波特圖儀進行濾波器幅頻、相頻分析。

圖2 RC電路

圖3 RC電路在Multisim軟件中的實現

原型與測量

NI提供一款專門面向實驗教學的原型平臺ELVIS，它由LabVIEW，數據采集卡和原型工作臺組成，能夠低成本的實現實驗室常用的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)設計工具，廣泛應用于測試測量自動化、控制、設計等領域;因為其使用方便，工程師、科學家和學者可以把更多的時間和精力集中在算法和設計本身上，而不是代碼編寫上。

電路原型分虛擬原型和實際原型。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，因為無需真實硬件和器件，但又能對完成狀態(tài)和正確性給予反饋，學生可以在家中或宿舍里無風險的搭建電路圖，并可嘗試不同的布局、連線方式;可以減少真正實驗時的連線錯誤等，以節(jié)省時間。

實際原型，是指在可移動的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LabVIEW編程實現自定義的儀器功能。在這個實驗中，利用兩個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際測量結果進行比較，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，會使學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際可接受范圍。在對實際原型電路進行測量的同時，裝載仿真結果數據，進行比較，并在同一圖表上顯示兩者結果和其差別以便分析。這將使學生把更多時間放在理解電路理論、分析真實器件參數影響、理解仿真環(huán)節(jié)意義上，這也是目的所在。

圖4是LabVIEW實現的電路圖B點電壓仿真結果和實際測量結果的對比，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，還可利用無需編程的、直觀的向導式工具SignalExpress來實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

實現

在原型電路驗證之后，可將Multisim原理圖網表導入Ultiboard軟件或者第三方提供的軟件，如Mentor Graphics PADS，進行布局布線。在電路設計轉換為產品的制造過程中或對產品的驗證時，又可利用NI提供的電子測量自動化(EMA)方案。即從最初的設計開始，到最終的產品交付，都可以在由單一廠商提供的統(tǒng)一平臺下來實現。

總結

電路設計教育是工程實踐教育的組成部分。針對目前電路教學面臨的一些挑戰(zhàn)，軟硬件相集成的平臺可以無縫地將理論學習、設計仿真、原型測量、比較和電路實現環(huán)節(jié)連接起來，即從理論過渡到實際。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)現問題，都可以很容易地返回，以避免在最后電路實現時才發(fā)現問題，從而節(jié)省時間和成本。該平臺又是動手實踐的平臺，不僅幫助學生掌握理論知識，又培養(yǎng)學生對電路設計、工程概念的興趣，并為最終學以致用打下很好的基礎。