基于Multisim的通信專業大學生電子設計能力培養方法

楊振南，潘學文

（湖南科技學院電子與信息工程學院，湖南永州，425199）

0 概述

電路分析基礎，模擬電子技術，數字電子技術是通信專業的三門重要硬件類基礎課程，據以往的教學經驗，這三門課程也是學生反映學習困難比較大的課程。一般情況下，這三門的分別在三個學期開展，我校的開設時間分別是在第1/2/3學期。總體來看，這三門課的知識相關性非常強，前面課程學不好，則很容易導致后續課程學習困難加大。硬件相關的課程具有很強的工程性，實驗對于培養學生的動手能力，驗證理論知識，提高學生的學習興趣和學習成就感都具有非常重要的作用，因此，改善實驗教學方法，對于提高這三門課的教學效果具有重要意義[1]。

1 傳統實驗教學的弊端

傳統的電子硬件類課程的實驗教學是在教學設備制造商為課程專門定制生產的實驗設備上進行的。對于電路分析課程，通常是一臺大型的實驗臺，該設備可以開展強電和弱點的大部分實驗，設備上通常有電壓，電流表頭和固定的電路器件，每個器件都有兩個插孔連接，學生實驗時，通過插接線連接器件和測試表組成網絡然后進行實驗；對于模擬電路而言，大部分是以實驗箱的形式出現，實驗箱上根據不同的實驗項目，分成不同的區域，每個區域可以開展一個或者幾個實驗，比如三極管共發射極放大電路，共集電極放大電路，共基極放大電路，比例運算放大電路，加法電路等。每個區域的電路輸入輸出端留有連接端子，學生通過插接線把信號發生器和示波器接入電路，開啟電源就可以獲得正確的輸出結果。數字電路與模擬電路類似，也是實驗箱的形式，用到的集成電路類型也非常多，學生學習和使用比較困難[2]。

這種固定式試驗臺和實驗箱的教學方式，主要存在以下一些弊端：

(1)實驗設備價格昂貴，體積大。比如電路實驗臺動輒上萬。這就導致學校在有限的經費下不能購置足夠多的設備臺套數，在學生人數多于設備臺數時，就會出現多人共用設備的情況。

(2)設備功能固定，導致實驗項目固定，不利于教學靈活設置。比如數字電路實驗箱，安裝的集成電路數量只有有限幾個或十幾個，學生只能使用這些器件開展實驗。而電路實驗臺，可以開展強電實驗，對于通信專業學生而言，強電一般不做教學要求的，又造成了功能的多余。

(3)電路固定，學生參與度低，實驗獲得感較差。由于電路已經預先在實驗箱或者試驗臺上制作完成，學生要做的僅僅是依照實驗步驟把插接線接好就可以獲得正確的實驗結果。出現問題，學生常常就是檢查連線是否正確，核對實驗指導書再檢查一遍就解決了問題。導致學生常說實驗課是插線課。

2 Multisim仿真實驗教學的優勢

EDA(Electronic Design Automation)即電子設計自動化，是使用計算機軟件進行電子電路的設計，這些軟件的功能強大，可以進行電路的連接，電路參數計算，提供虛擬儀器進行電路的測量，因此在電子工程實踐和課程教學中都有廣泛的應用[4]。Multisim軟件是NI公司的一款功能強大的EDA軟件，具有豐富的電子器件庫和虛擬儀器，完全符合電路分析，模擬電路和數字電路仿真需求[5]。使用EDA軟件進行仿真可以有效的解決傳統實驗教學的弊端。其主要優點如下：

(1)使用軟件仿真，無需硬件實體，容易實現每個學生一人一臺。

(2)軟件仿真沒有時間和地點的限制。除了實驗課堂內，學生可以充分利用課余時間在教室或者宿舍進行實驗。

(3)實驗內容靈活。在實驗教學中，教室可以靈活的根據教學進度，教學內容靈活的布置實驗項目。

(4)實驗電路需要完全自己獨立搭建，出現問題需要自己獨立思考，使用儀器儀表調試電路。由此，學生的實驗內容變得更加豐富，實驗步驟更加靈活。學生的實驗收獲也會相應增加。

(5)同一款軟件不僅可以滿足不同課程需求，而且對于工程實踐同樣適用，可以達到學一而多用的目的。

3 Multisim實驗教學在課程中的案例

Multisim軟件可以輕松完成各種模擬和數字電路的設計和仿真。學生只需要一次掌握軟件的使用就可以輕松的在后續課程中持續收益。本案例中，在第1學期的電路課程教學中引入此軟件的使用，在后續課程中就可直接使用此軟件，從而具有很強的平臺連貫性。下面分別引入三門課程的不同實驗進行說明。

■3.1 在電路教學中的案例

動態電路分析是電路課程中的重點與難點，而且實驗觀察也是非常困難的。通過軟件仿真可以容易的獲得與理論計算非常接近的結果，對于學生理解有很大幫助。下面以電容一階電路零狀態響應電路為例進行分析。電路圖如圖1所示。根據理論分析可得電容兩端電壓為：

其中τ表示時間常數。理論上經過3～5倍τ時間后，電容電壓接近穩定值。根據圖1的參數，其τ=RC=0.1mS。使用Multisim的瞬態仿真功能，得出電容電壓Vc的波形圖如圖2所示。從圖中可以看出在0.5ms時刻，Vc已經非常接近1V的穩定值。而這個波形在傳統的實驗臺上是非常難于觀測到的。

圖1 電容充電電路

圖2 電容電壓Vc波形圖

■3.2 在模擬電子技術教學中的案例

三極管共發射極放大電路是模擬電子技術課程中最常用的電路，也是學習的重點和難點。在傳統的實驗箱上，往往已經把三極管，電源，電阻等全部焊接好，且電路也通過PCB上的走線連接好。部分實驗箱為了教學方便把使用絲印把電路畫在電路板上，器件則隱藏在PCB板背面，留給學生的只有輸入信號接口和輸出信號接口；也有部分實驗箱把三極管等器件放在PCB板正面，但仍然是固定了連接的現成電路，學生需要完成的工作很少。使用EDA軟件仿真，則要求學生能夠獨立繪制電路，并合理設置器件參數。教學中可以根據情況設置不同的難度。比如驗證性實驗，只要照著老師的給定電路連接，然后完成仿真，測量電路參數；設計性實驗，則需要學生自己計算和設定器件參數。給出電路案例如圖3所示。該實驗既可以作為驗證性實驗，也可以作為設計性實驗。

圖3 共發射極放大電路

根據理論推導，理想情況下，電路的放大倍數約為：

根據圖中給定參數，可以計算出A=-20倍。在EDA軟件中使用虛擬示波器進行測試可得波形圖如圖4所示。圖4中上面的正弦波為通道A測得的輸入信號，下面的波形為通道B測得的輸出信號。從波形圖上可以看出，輸出信號與輸入信號反向，使用光標測量信號幅度，可得輸出信號為297.59mV，輸入信號為-19.79mV。仿真測得放大倍數為A=297.59/-19.79=15倍。仿真結果與理論估算值存在5倍的誤差。這是由于三極管放大倍數的不確定性和估算時的誤差導致的。通過仿真可以讓學生直接體驗到理論計算與實際電路的差異，以及理論對于工程電路的定性指導意義。

圖4 輸入輸出信號波形圖

圖5 流水燈電路設計

■3.3 EDA軟件在數字電子技術教學中的案例

在數字電子技術課程實驗中，傳統的實驗箱只能進行簡單邏輯運算的驗證和對單個現有邏輯電路的驗證，無法進行數字電路系統的綜合設計。通過Multisim仿真則可以進行相對復雜的數字電路設計。圖5中使用一個二進制計數器74LS161和74LS138譯碼器設計了一個簡單的流水燈電路。使用信號發生器提供固定頻率的時鐘，使用161進行計數，計數結果輸入到74138進行譯碼，從而實現LED逐個發光的流水燈效果。學生在完成軟件仿真后，可以使用實際芯片在面包板上進行驗證。

4 結束語

本人在通信工程專業的教學中承擔了電路分析基礎與模擬電子技術課程的教學，同時與承擔數字電子技術教學的同事一起，自2017年開始通過引入Multsim軟件進行仿真實驗，使得學生的電路的設計能力相對往屆學生有了較大進步。通信專業大學生參加電子設計競賽、物聯網競賽等各類大學生學科競賽成績有了大幅度的提升，2017年至202年共獲得省級一等獎1項，二等獎2項，三等獎5項。