付 扬

(北京工商大学 计算机与信息工程学院, 北京 100048)

基于Multisim技术的电子电路综合设计改革

付 扬

(北京工商大学 计算机与信息工程学院, 北京 100048)

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。

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。

图1 基于Multisim的电路设计流程图

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[6-7]。

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。

图2 数字式日历牌设计方案框图

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。

图3 基于Multisim数字式日历牌原理图

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。

图4 分计数显示子电路内部电路图

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。

References)

[1] 张琼.知识运用与创新能力培养：基于创新教育理念的大学专业课程变革[J].高等教育研究,2016,37(3)：62-67.

[2] 王尔申,李轩,王相海,等.基于Multisim的电工及工业电子学课程仿真实验设计[J].实验技术与管理,2014,31(10)：128-131.

[3] 杨蕊,王晓燕,杨婷.基于Multisim虚拟仿真技术的电工电子实验室建设[J].实验技术与管理,2015,32(10)：129-131.

[4] 林纯,吴晓新,王建平.开设“电子系统综合设计”课程 培养学生实践能力[J].实验室研究与探索,2015,34(2)：163-166.

[5] 刘金华,周文辉.基于Multisim的电工电子学综合设计性实验[J].大学教育,2013(3)：135-136.

[6] 付扬.电路电子技术实验与课程设计[M].北京：机械工业出版社,2015.

[7] 杨立娜,崔文华,王顺俞.基于Multisim和LabVIEW的模拟电路虚拟实验平台的设计[J].中国教育信息化,2014(2)：66-69.

[8] 张志友.Multisim在电工电子课程教学中的典型应用[J].实验技术与管理,2012,29(4)：108-110,114.

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[11] 盛苏英.开放式虚实结合实验教学探索与实践[J].实验科学与技术,2014,12(1)：97-101,104.

[12] 王香婷,王雪松.电类本科专业创新人才培养体系的构建与实践[J].中国大学教学,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

北京高等学校教育教学改革立项项目(2013-ms142，2015-ms146)

付扬(1962—)，女，辽宁抚顺，硕士，副教授，主要从事电工电子基础课教学和研究、嵌入式片上系统设计及信息处理.

E-mail：fsfy988@126.com

G642.0

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1002-4956(2017)4-0112-03