集成的电路教学平台——从理论到设计仿真、原型测量、比较、实现

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  来源：NI 高校市场部工程师 梁锐

近年来，工程教育理念发生了重要变化，已从之前注重培养学生理论知识，过渡到了培养学生对基本工程概念的兴趣和动手实践的能力，即工程实践教育。此外，工程实践教育还面临着一些困难：如何无缝地从理论学习过渡到实践环节；计算机技术、软硬件技术日新月异，要尽可能避免因为技术过时而带来经常性课件修改的工作量增加；如何在有限的课时安排下，有效地利用计算机辅助工具帮助和提升理论学习。电路设计教育是工程教育的一个组成部分，同样面临着上述挑战。

　　电路相关课程是目前国内大多数工科院系的必修课程，包括针对电类院系的模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电子线路等课程，以及针对非电类院系的电工技术、电子技术等课程。通常，学生学习理论知识，并使用电路仿真软件来帮助学习，但在用真实电子元器件搭建硬件电路时往往需要一套全新的工具来观察、记录和分析测量结果；并通过对实际电路测量结果和计算机仿真结果的比较环节，来发现差别并分析其原因，以避免在设计转化为产品之后

  

才发现问题，从而节约时间和成本；在通过比较环节之后，最终将电路设计实现，如PCB。从上述分析发现，如果有一个集成的电路教学平台，既能够很好的衔接仿真和原型，又能通过提供的实际I/O信号帮助电路原型的搭建和测试，并能很方便地将测试结果和仿真结果进行比较，甚至最终将电路实现，如图1所示，这无疑将有助于对学生理论学习和动手实践能力，以及对电路设计兴趣的培养；对于一个具体的电路设计，利用这个平台将很大程度的节约时间和成本。

                               
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　　图1 集成的电路教学平台

　　电子学教育平台

　　美国国家仪器有限公司(NI)针对目前电路教学面临的困难，提供一个强大的集成化解决方案。该平台包括用于原理图捕捉和仿真的Multisim、用于原型设计的ELVIS、以及用于测量和比较的LabVIEW和SignalExpress。该软件与硬件相集成的平台创建了一个包含有电路仿真、电路试验板制作（即面包板）、测量以及分析在内的完整的学习环境。在专业PCB设计和仿真工具的基础上，还通过一系列针对电路教学的特色功能，如虚拟元器件、在超过最大值时会断路的额定元器件、3D虚拟电路试验板、微控制器协仿真等，帮助学生在动手实践中更好地理解和掌握理论知识。下面以一个RC基础电路为实例进行分析。

　　RC电路理论分析

　　教师常通过教授基础电路，培养学生电路预测、设计、测量和分析等方面的能力。RC电路是一个基础模拟电路，如图2所示，通过适当的参数选择使之成为无源低通滤波器来抑制输入信号中高于截止频率的频率成份。例如，设计一个截止频率(-3dB点)为159Hz的低通滤波器，通过Kirchhoff电流或电压定律得到该RC电路的增益表达式：


　　对应截止频率为：

　　根据截止频率为159Hz的设计要求，由上式得到。选择其中一组符合要求的参数：电阻为，电容为，进行分析。

　　原理图设计及仿真

　　使用计算机仿真软件是为了帮助理解和分析电路，以及在实验之前，对不同的设计想法进行验证，并对一些难以用手工方法计算得到的结果有一定估计；学生用尽可能短的时间熟悉和使用仿真软件搭建原理图，这样就可以把更多的时间放在设计本身和分析理解上。

　　Multisim是专门为电路相关教育工作者、设计工程师和工科学生而设计的基于SPICE的交互式电路仿真和分析工具，其中，SPICE（Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis）是美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)开发的一种电路描述和仿真语言，已成为工业标准。Multisim具有工业品质且使用方便，包含许多功能强大的虚拟仪器——即仿真实验室中可见的各种仪器，如示波器、万用表、波形发生器等。这些仪器不仅提供了一种快速且直观的方式来获得仿真结果，同时也为在实验室中使用这些仪器做好了准备。正如加州大学伯克利分校的Bharathwaj Muthuswamy教授所说：“我们在EE100课程中使用Multisim，因为其提供了非常有用的特性并且使用方便”。

　　根据选择的参数，搭建好的Multisim原理图如图3所示，其中波形发生器提供频率为50Hz、占空比为50%、幅值为1.2V的方波作为激励，示波器用于观察该激励和响应的实域信号，并将示波器显示的通道数据保存到文件，用于与实际原型电路测量结果的比较。此外，还可用波特图仪进行滤波器幅频、相频分析。

                               
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　　图2  RC电路

                               
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　　图3  RC电路在Multisim软件中的实现  

原型与测量

　　NI提供一款专门面向实验教学的原型平台ELVIS，它由LabVIEW，数据采集卡和原型工作台组成，能够低成本的实现实验室常用的12种类似台式仪器功能，包括万用表、示波器、波形发生器、可变电源等。LabVIEW是直观的图形化系统设计工具，广泛应用于测试测量自动化、控制、设计等领域；因为其使用方便，工程师、科学家和学者可以把更多的时间和精力集中在算法和设计本身上，而不是代码编写上。


　　电路原型分虚拟原型和实际原型。虚拟原型是指在Multisim提供的ELVIS原理图环境中搭建，并可利用一组和真实ELVIS完全一致的接口；在得到正确的仿真结果后，可在虚拟的3D ELVIS下搭建电路图，因为无需真实硬件和器件，但又能对完成状态和正确性给予反馈，学生可以在家中或宿舍里无风险的搭建电路图，并可尝试不同的布局、连线方式；可以减少真正实验时的连线错误等，以节省时间。

　　实际原型，是指在可移动的ELVIS原型设计板上搭建电路图，并利用提供的波形发生器、示波器、电源等仪器功能；还可以通过LabVIEW编程实现自定义的仪器功能。在这个实验中，利用两个模拟输入通道分别记录激励信号和响应信号，结果如图4显示。

  
　　比较

　　在完成仿真和原型后，需要对仿真结果和实际测量结果进行比较，理解和分析仿真和测量结果差别的原因。若采用手工处理方法则是比较困难和复杂的，会使学生将大部分精力都集中在了如何比较上。仿真和测量的结果差别也不只是由元器件误差导致，还可能是因为输入端和输出端的负载影响，比如阻抗匹配、串扰等，也可能是使用的仿真模型超出了实际可接受范围。在对实际原型电路进行测量的同时，装载仿真结果数据，进行比较，并在同一图表上显示两者结果和其差别以便分析。这将使学生把更多时间放在理解电路理论、分析真实器件参数影响、理解仿真环节意义上，这也是目的所在。

　　图4是LabVIEW实现的电路图B点电压仿真结果和实际测量结果的对比，可以看到两者吻合得较好，即原型电路很好地反映了仿真的电路行为。此外，还可利用无需编程的、直观的向导式工具SignalExpress来实现对原型电路的测量，以及与仿真结果的比较。

                               
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　　图4  原型电路和仿真结果响应信号的对比

　　实现

　　在原型电路验证之后，可将Multisim原理图网表导入Ultiboard软件或者第三方提供的软件，如Mentor Graphics PADS，进行布局布线。在电路设计转换为产品的制造过程中或对产品的验证时，又可利用NI提供的电子测量自动化(EMA)方案。即从最初的设计开始，到最终的产品交付，都可以在由单一厂商提供的统一平台下来实现。

　　总结

　　电路设计教育是工程实践教育的组成部分。针对目前电路教学面临的一些挑战，软硬件相集成的平台可以无缝地将理论学习、设计仿真、原型测量、比较和电路实现环节连接起来，即从理论过渡到实际。不仅可以直观的仿真和快速的测量，而且即便在其中任一个环节发现问题，都可以很容易地返回，以避免在最后电路实现时才发现问题，从而节省时间和成本。该平台又是动手实践的平台，不仅帮助学生掌握理论知识，又培养学生对电路设计、工程概念的兴趣，并为最终学以致用打下很好的基础。