学生的一个重要实践环节。介绍了电子技术课程设计的方法，并以简易电子琴为例重点介绍了基于Muhisim仿真软件的虚拟电子实验室在“电子技术课程设计”中的应用，阐述了虚拟实验室对“电子技术课程设计”教学改革的影响和作用。
关键词：电子技术课程设计；虚拟实验室；Muhisim；仿真简易电子琴
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）24-0083-03
“电子技术课程设计”是电气、电子等电类专业教学中的一个重要的实践教学环节，是针对“模拟电子技术”“数字电子技术”课程基本理论知识进行的综合性训练。其目的是通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试，巩固和加深对电子技术课程理论知识的理解，初步掌握电子电路的一般设计方法，提高学生的实验实践技能，为以后从事电子电路设计、研制电子产品奠定基础。[1]
在“模拟电子技术”“数字电子技术”课程中通常只介绍单元电路的结构原理、集成芯片的特性功能等。[2，3]而“电子技术课程设计”的课题常常是一个由多个单元电路、集成芯片组成的小电子系统。为获得综合训练的良好效果，“电子技术课程设计”课题的选择显得十分重要。应尽量选择适合学生当前知识结构和水平，又具有一定趣味性的小型实用电子系统，例如低频功率放大器、简易电子琴、直流稳压电源、彩灯控制器、数字抢答器、交通灯控制、多功能数字钟等。电子琴因为操作简单，而广受大众的喜爱，其实现的方案多种多样，如单片机、FPGA等。[4，5]但作为“电子技术课程设计”的课题，其主振电路通常采用RC串并联振荡电路，信号再经功率放大并驱动扬声器发音，涉及到“模拟电子技术”课程中RC正弦波振荡电路以及功率放大电路的知识。而多功能数字钟是另一个典型的电子电路系统，可使学生将“数字电子技术”课程中学过的计数器、显示译码器及数码管等电路知识有机地联系起来构成一个有趣而实用的小系统。
电子系统的设计往往与设计者综合应用所学知识的能力、经验等有关。“电子技术课程设计”的一般方法和步骤是：理论设计——总体方案设计、单元电路设计、单元电路之间的连接；仿真测试——运用EDA工具进行模拟，以进一步完善理论设计；安装调试——对电子系统进行电路搭接，对方案及单元电路参数进行修改并绘制总体电路；撰写报告——写出课程设计说明书。EDA技术的发展及广泛应用为设计电子系统提供了有效的电路分析设计手段。仿真测试就是运用EDA工具进行电路模拟，以验证理论设计方案的正确性，经逐步完善后再进行实物安装调试，为学生提供了一个不受时间地点限制的可独立操作的虚拟实验环境。既减少了对电子器件和仪器的限制，也节省了时间，从而提高了设计效率。
一、虚拟实验室简介
当前主流的电子电路仿真和设计工具有PSPICE、PROTEL、Muhisim等，它们均有较强的仿真功能，即在计算机上设计电子电路及系统，并通过修改元器件的参数或电路结构，利用虚拟仪器测试电路参数指标。尽管在电子电路仿真方面三种软件的功能相近，但它们又各有所长。PSPICE、Multisim两种软件主要侧重于电路的仿真，PROTEL软件侧重于PCB图的设计。下面简单介绍这三种软件。[6]
1.PSPICE
1984年MicroSim公司推出了基于美国加州大学伯克利分校于20世纪70年代推出的Spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）的PC版软件——PSPICE。它是一款仿真精度高、功能强大的模拟和数字电路（包括对中规模和大规模集成电路）仿真软件，在国内外得到了普遍使用，尤其是在集成电路的仿真方面。
2.PROTEL
20世纪80年代末，PROTEL（现更名为Altium）公司推出了一款CAD工具——PROTEL。早期的PROTEL主要作为PCB板自动布线的工具，现在普遍使用的是PROTEL 99、SE等，已是一个全方位的功能强大的电路设计系统，包括原理图绘制、电路仿真、PCB板设计等功能。但它最具代表性的是电路的PCB设计。
3.Multisim
Multisim的前身是加拿大IIT（Interactive Image Technoligics Ltd）公司在20世纪80年代后期研制推出的基于Windows的虚拟电子工作平台EWB（Electronics Workbench），后被美国NI公司收购后，更名为NI Multisim，主要用于模拟和数字电路的仿真。该软件的很多功能模仿了Spice的设计，但界面直观，易学易用。它提供了万用表、示波器、信号发生器、扫描仪、逻辑分析仪、数字信号发生器等直观的虚拟仪器，仿真分析能力强大。对于初学者而言，利用Multisim的图形输入方式，可以方便地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
电子电路和系统的设计本身就是一个不断调试的过程。在实物上调试往往消耗大量人力、物力和财力。而且受到实验环境的影响，某些功能未能全部实现。在实验硬件环境不具备的情况下，采用虚拟实验平台进行电子电路和系统的设计可有效解决实验设备不足，这也使其更适合电子技术教育。
利用NI Multisim 11可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可以方便地对电路参数进行测试和分析；可以直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；还可以对被仿真电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。NI Multisim 11用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”“软件即仪器”。相对其他仿真软件，Multisim的优点之一是引入了著名的安捷伦及泰克的测试仪及示波器等虚拟仪器，其控制面板、界面操作以及测量结果与实际的仪器完全相同，这使得用户使用Muhisim犹如在实验室进行实验操作一样。这也促使Multisim在高等院校教学中获得了广泛应用。
二、虚拟实验室Multisim应用举例——简易电子琴
电子琴是电子科学技术发展的产物，因其种类多、体积小、携带方便、价格低廉而深受音乐爱好者的喜爱。[7，8]一首首动听的乐曲是由不同的音阶组成的，而每个音阶又对应着不同的音源振动或振荡频率。传统乐器与电子琴的根本区别在于音源不同。前者的音源是由机械振动产生的，而后者来自电振荡。国际标准音A的频率是440HZ，本设计所需C调八个基本音阶的频率如表1所示。
现代电子琴的元件众多、电路也相当复杂。本课题主要是通过对电子琴主体部分的电路进行模仿设计，达到电子琴固有的基本功能，故叫简易电子琴。从模拟电子技术的角度看，其基本电路包括振荡电路、放大电路等，即振荡电路产生的各音阶频率电信号经放大电路放大后传给扬声系统来发音。其基本结构框图如图1所示。
1.理论设计
电子琴的音源是由电振荡产生的，制作电子琴首先要设计适用于电子琴的振荡电路。模拟电子电路中的桥式RC正弦波振荡电路可以产生20HZ-20KHZ的正弦波，适合产生各音阶频率的电振荡信号。通过利用RC串并联选频网络的选频特性，选出某个特定频率的正弦波信号。[2]而且如果改变R或C的取值，则可以产生所需对应不同音阶的各种频率的正弦信号，信号再经放大电路放大后即可驱动扬声器发出所需的音阶。本设计的RC串并联支路中的两组8个与电容串接的开关是联动的，对应着电子琴的8个音阶琴键，所以使用时只能同时闭合一个开关。而不同音阶的有机组合就可奏出不同的音调。改变两个电容的C值使得频率改变。为了改变起振速度，可以调整Rw的大小。
振荡电路产生的信号经过集成运放组成的同相比例放大电路，放大一定倍数后再经两个功放管构成的乙类功放电路进行功率放大提供所需的输出功率，以驱动扬声器。
2.仿真测试
利用Multisim进行虚拟仿真，可进一步完善理论设计。大致可以分为以下几步：首先，根据理论设计所得的方案画好原理图。在按照原理图输入时，要注意细节比如端点是否连接好等。图2是初步设计的简易电子琴的电路图。其次，利用Multisim进行仿真调试，同时改变两个电容的C的值，可得到8个音阶对应的频率。图3为音阶7的功放输出波形及频率。
事实上，上述电路及其仿真仅仅是某个学生做简易电子琴课程设计时提出的几个方案之一。就其单元电路的结构而言，还存在许多不足之处。在设计过程中，该生对这几种方案都进行了仿真比较，使学生有机会从对所设计的方案中优选出最佳方案，从而加深了对相关知识的理解。
3.安装调试
根据仿真成功的电路图，在电路板上将元器件安装连接好，然后对实际样机进行测试。安装调试过程应按照先局部后整机的原则，根据信号的流向逐个单元进行，使各功能单元都要达到各自技术指标的要求。本文对安装调试过程不做详解。
4.撰写报告
课程设计报告书是在学生完成安装调试后，对技术文档进行归纳。通过撰写，不仅可以把设计、安装、调试及其技术参数等内容进行全面总结，还可以把实践内容提升到理论高度。所以报告撰写也是课程设计不可或缺的一环。报告书可按如下内容顺序用A4纸进行打印（撰写）并装订成册：统一的封面（如课程设计课题名称、专业、班级、姓名、学号、指导教师）；设计任务书（学生选题时由教师提供）；课程设计总结报告正文（应包括系统总体设计方案如系统原理框图、方案的论证与比较等内容、系统分析与设计如各模块或单元电路的设计、工作原理阐述、参数计算、元器件选择、软件系统设计、完整的系统电路图等、系统调试与参数测量如使用仪器仪表、故障排除、电路硬件和软件调试的方法和技巧、指标测试的参数和波形、测量误差分析、总结如课题的主要内容及使用价值、设计电路的特点和方案的优缺点、改进方向和意见等）；系统所需的元器件清单；成绩评定表（由指导教师评定，理论设计占20%、仿真测试占20%、安装调试占50%、总结报告占10%）。
三、结束语
利用仿真软件进行虚拟实验，可以不受经费、时间、地点的限制，随时随地使设计者的设计思想落实到实用有趣的课题中，提高设计效率，从而激发学生的创新意识，使学生在电子系统的设计和分析过程中将所学的基础理论知识融会贯通。当然，也应看到虚拟实验技术也存在着缺少实物感，且不能完全反映实际元器件工作状况等局限。但只要能够正确认识虚拟实验在课程设计教学中的地位，做到“虚”“实”结合，并充分发挥虚拟技术和硬件技术各自的优势，就一定能收到好的教学效果。
参考文献：
[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社，2008.
[2]康华光.电子技术基础 模拟部分[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.
[3]阎 石.数字电子技术基础[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.
[4]孙万麟.基于AT89C51单片机的电子琴设计[J].电脑知识与技术，2010，（6）20：5626-5627.
[5]肖林荣.MAX+PLUSⅡ在数字电路实验教学中的应用[J].嘉兴学院学报，2005，（17）3：13-15.
[6]骆新全，黄玲玲.电路仿真与PCB设计——PSpice 80，Multisim 2001及Protel 99 SE的应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[7]崔葛瑾.电子技术课程设计中的EDA 技术训练[J].实验室研究与探索，2003，（22）2：36-38.
[8]兰羽，周茜.基于Multisim八音阶电子琴的设计与仿真[J].电子设计工程，2012，（20）12：52-54.
（责任编辑：孙晴）
