基于Multisim技術的電子電路綜合設計改革

付 揚

(北京工商大學 計算機與信息工程學院, 北京 100048)

基于Multisim技術的電子電路綜合設計改革

付 揚

(北京工商大學 計算機與信息工程學院, 北京 100048)

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。

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。

圖1 基于Multisim的電路設計流程圖

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[6-7]。

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。

圖2 數字式日歷牌設計方案框圖

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。

圖3 基于Multisim數字式日歷牌原理圖

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。

圖4 分計數顯示子電路內部電路圖

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。

References)

[1] 張瓊.知識運用與創新能力培養：基于創新教育理念的大學專業課程變革[J].高等教育研究,2016,37(3)：62-67.

[2] 王爾申,李軒,王相海,等.基于Multisim的電工及工業電子學課程仿真實驗設計[J].實驗技術與管理,2014,31(10)：128-131.

[3] 楊蕊,王曉燕,楊婷.基于Multisim虛擬仿真技術的電工電子實驗室建設[J].實驗技術與管理,2015,32(10)：129-131.

[4] 林純,吳曉新,王建平.開設“電子系統綜合設計”課程 培養學生實踐能力[J].實驗室研究與探索,2015,34(2)：163-166.

[5] 劉金華,周文輝.基于Multisim的電工電子學綜合設計性實驗[J].大學教育,2013(3)：135-136.

[6] 付揚.電路電子技術實驗與課程設計[M].北京：機械工業出版社,2015.

[7] 楊立娜,崔文華,王順俞.基于Multisim和LabVIEW的模擬電路虛擬實驗平臺的設計[J].中國教育信息化,2014(2)：66-69.

[8] 張志友.Multisim在電工電子課程教學中的典型應用[J].實驗技術與管理,2012,29(4)：108-110,114.

[9] 顏芳,宋炎翼,謝禮瑩,等.基于Multisim的電路原理課程仿真實驗設計[J].實驗技術與管理,2013,30(5)：59-62.

[10] 安富海.教學實踐是一種創造性實踐[J].高等教育研究,2014,35(3)：68-73.

[11] 盛蘇英.開放式虛實結合實驗教學探索與實踐[J].實驗科學與技術,2014,12(1)：97-101,104.

[12] 王香婷,王雪松.電類本科專業創新人才培養體系的構建與實踐[J].中國大學教學,2014(4)：34-36.

Reform of comprehensive design of electronic circuit based on Multisim technology

Fu Yang

(College of Computer and Information Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048,China)

The comprehensive design of electronic circuit is very important to develop the practical innovative ability of engineering students. Therefore,in view of the problems of traditional electronic circuit design, this paper proposes the Multisim technology into the reform of the electronic circuit design. The Multisim electronic circuit comprehensive design method is studied. Combined with digital Rili Pai design example,the application of the Multisim in electronic circuit comprehensive design is given. The advantage of comprehensive design of electronic circuit based on Multisim is analyzed. Practice shows that Multisim technology advantages are highlighted in the electronic circuit design,to improve the students’ practical innovative ability.

electronic circuit; comprehensive design; Multisim; reform of practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.028

2016-10-09 修改日期：2016-12-05

北京高等學校教育教學改革立項項目(2013-ms142，2015-ms146)

付揚(1962—)，女，遼寧撫順，碩士，副教授，主要從事電工電子基礎課教學和研究、嵌入式片上系統設計及信息處理.

E-mail：fsfy988@126.com

G642.0

A

1002-4956(2017)4-0112-03