虚实结合的实用型电子实验设计

娄 娟 孟祥侠 李 辉 王 鹤 吴君鹏

1.东北电力大学电气工程学院 吉林吉林 132012 2.华北科技学院 北京 101601

电子行业的迅猛发展，使各种电子产品不断进入我们的生活，可以说我们的生活已经离不开电子技术与产品，因此，学习必要的电工电子学知识就显得格外重要。

电工电子学的学习，离不开具体的实习和操作，各高校都是通过设置相应的实验内容培养学生的动手能力，提高学生分析问题与解决问题的能力。但是传统的电工学实验内容与现实生活严重脱节，教学方法陈旧、教学内容枯燥，实验过程冗余复杂，令学生提不起兴趣；再者，受实验室条件的限制，很多实验开不出来，使得教学效果不理想，往往达不到教学目的。

解决以上问题，我们可以从两方面入手。一方面，引入Multisim等仿真软件，其优点是：设计和实验可以同步进行，修改调试非常方便；虚拟元器件及测试仪表齐全，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[1,2]。把虚拟仿真软件和实验室硬件结合应用，构建虚实结合的实验教学手段，可以使学生在电路功能设计、器件选择、焊接工艺等各方面均受到相应的训练[3-8]。另一方面，还应从实验项目内容的编排入手，设计一些结合生活实际的实用型综合性实验项目。古语有云：“学以致用”。学的目的就是为了用，而我们的思路是“以用带学”，让学生明白，因为有用，所以必须好好学。这样，更能激发学生的兴趣，使他们学在其中、用在其中、乐在其中，确实达到培养学生综合能力的目的。

本文阐述了实用型综合性实验项目的设计理念、设计方法和研究步骤；以“叮咚”门铃为例，介绍了Multisim软件的使用实物焊接及调试定稿的过程。

1 实用型综合性实验的设计

1.1 设计理念

(1)紧密围绕教学要点。设计的实验内容必须符合电工学教学大纲要求，结合理论教学。

(2)贴近日常生活实际。选择的实验必须贴近生活，内容新颖，能吸引学生兴趣，调动学生积极性。

(3)电路简单合理实用。在设计电路时，在满足性能指标的前提下，力求电路简单，合理实用，切忌复杂。

(4)工作稳定性，能可靠。首先，所用的电路在原理上要正确，不能有大的欠缺，要经过验证；其次，要通过电路优化、减少器件种类、数量和型号等方法提高电路的稳定性。

(5)安装调试维修方便。设计时应尽可能选用常见的元器件，采用模块化结构、总线结构和标准接口。

1.2 设计步骤

(1)根据大纲要求和学校“一实两创”人才培养目标，选定想要展现的教学要点，考虑到实用性，我们选择了555定时器、集成译码器74LS138、D触发器、集成运算放大器、差动放大电路、负反馈放大器6个器件。

(2)方案论证与方案设计。针对设计任务、要求和条件，通过调查研究和查阅资料拟定设计方案，画出原理框图。

(3)实验硬件电路设计。设计硬件电路，画出原理电路图，这是调试和维修的依据。

(4)原理电路虚拟仿真。进行仿真分析，一方面验证设计原理的可行性，另一方面通过修改电路的结构和元器件参数使设计的电路更加合理。

(5)焊接调试。焊接时，要注意器件的引脚，不能错接，否则会使器件损坏，并增加排除故障的难度，浪费时间；调试时，不要急于通电，要反复检查，在确认电路元器件、连线、直流供电和接地等无误后再通电，调试方法是先局部后整体，先静态(不加信号)后动态(加信号)。

依据以上设计思想和方法，完成了4个实用型综合性实验的设计：利用集成运放和一些简单器件完成了摩托车霹雳灯的设计；利用NE555芯片实现了“叮咚”电子门铃的设计[9]；利用74LS138芯片设计了地址指示灯电路；用D触发器完成分频器电路的设计。这些实验不仅贴近生活，设计新颖，而且符合电工学实验教学的要求。

2 设计举例：基于555定时器的门铃设计

2.1 方案论证与设计

555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。其设计新颖、构思奇巧、用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐。传统的电子实验内容一般有三项：一是利用555构成施密特触发器，二是构成多谐振荡器，三是构成单稳态触发器。这些实验尽管只需外接少量电阻电容元件就能充分验证555的性能，然而由于缺少创造性，远离生活实际，难以吸引学生的学习兴趣，应寻求更贴近生活的综合性设计性实验。考虑到电工学实验是一门非电专业的技术基础课程实验，电路不能过于复杂，还要满足实验所要涵盖的内容，所以本设计利用555定时器构成多谐振荡器的基本原理，外加二极管和蜂鸣器(或喇叭)完成“叮咚”门铃的设计。这个设计不仅是多谐振荡器原理的具体应用，还能在实际调试中，加深学生对调整充放电时间常数可以改变谐振频率的理解。

门铃电路由4部分构成，其组成框图如图1所示。

图1 门铃电路组成框图

2.2 实验硬件电路设计

叮咚门铃音色优美，现在不少家庭安装了这种门铃。利用一块555时基电路也可以逼真地模拟出“叮—咚—”声，用它制作门铃，其电路如图2所示。

图2 门铃电路原理图

555时基电路与电阻R2和R4，电容C2组成无稳态音频振荡器，当按钮J1未按下时，555时基电路因强制复位端RST(芯片4脚)通过R1接地呈低电位，电路被复位，振荡器停振，扬声器U1无声，当按下按钮J1时，电源一路经D2向C1充电，使RST脚电位大于0.4 V时，振荡器起振；电源另一路经D1，R3，R4向C2充电，这时电阻R2不起作用。所以在J1按下时，C2充电时间常数为(R3+R4)×C2，放电时间常数为R4×C2，振荡频率约为1 600 Hz，扬声器发出的是模拟“叮—”声。

松开J1后，C1向R1放电，仍能维持集成块RST脚为高电平，这时D2反偏截止，R2被接入振荡电路，C2充电时间常数为(R2+R3+R4)×C2，放电时间常数仍为R4×C2，所以振荡频率降低，变为1 122 Hz左右，扬声器就发出模拟的“咚—”声。随着C1不断放电，使集成块RST脚电位不断下降，当降至0.4 V以下，振荡器停振，“咚—”消失，电路恢复原状。所以按一次J1后，扬声器U1就发一次“叮—咚—”响声。

2.3 原理电路虚拟仿真

(1)运行Multisim软件，它会自动打开一个名为“Circuit1”的空白电路文件或者单击系统工具栏的“新建文件”按钮，新建一个名为“Circuit1”的空白电路文件。然后，可以使用File菜单中的Save as命令，保存文件，同时可以重命名该文件。

(2)选择主菜单中的Place/Component命令，或者单击元器件库工具栏中的任意一个按钮，均会弹出一个名为Select a component的窗口，在Database下拉列表框中选择Master database选项，在Group下拉列表框中选择Sources，在Component列表框中选择VCC后，单击OK按钮，窗口关闭，出现活动图标，将此图标移至电路图中合适位置，单击确认，完成放置元件操作。

(3)元器件连线。Multisim提供了自动与手工两种连线方式。所谓自动连线，就是用户按线路方向，依次单击要连线的2个元器件的管脚，由Multisim选择管脚间最好的路径自动完成连线操作，它可以避免连线通过元器件时和元器件重叠；手工连线由用户控制线路走向，操作时通过拖动连线，按用户自己设计的路径，单击确定路径转向完成连线。可以将自动连线和手工连线结合使用，先用自动连线，然后用手动调整线路的布局。完成连线后的电路如图3所示。

图3 门铃电路仿真接线图

(4)电路的运行仿真。单击Simulate-＞Run菜单项开始电路仿真，通过View/Grapher打开Grapher View(仿真图形记录器窗口)，可观察到波形如图4所示。若波形过于密集，可通过调整示波器Timebase的Scale以得到清晰的波形。

图4 仿真波形图

2.4 实际电路的焊接调试

按照原理图合理选择元件，进行实际电路的焊接和调试，焊接电路如图5所示。经调试，电路功能正常，且简单实用。

图5 门铃实际焊接电路

2.5 实验效果验证

把电路板尺寸做小，再加上装饰，就可以安装在寝室门外，增添生活情趣。我院在2013年举办的针对大一新生的电子竞赛题目就是基于这一项目。由大学生电气信息实践创新中心的科技部成员负责电路设计、画图、制板及仿真技术指导和焊接工艺培训，组织部成员负责竞赛的策划和组织报名等工作，学生以寝室为单位参赛，完成的作品挂在寝室外供大家评选，取得了非常好的效果。此次竞赛活动培养了学生的团队精神和创新意识(主要体现在门铃外观设计上)，提高了学生实践动手能力，增强了学生对电子类专业技术的了解和对科技类竞赛的热情，同时还锻炼了实践创新中心学生干部的工作能力。

3 结束语

全国各高校的实践证明，将Multisim应用到电工电子实验教学中可以取得良好的教学效果，不仅加强了学生基础理论知识的掌握和理解，还培养了应用现代化分析手段进行独立分析问题和解决问题的能力，并弥补了实际中的不足[10]。这种计算机软件仿真和实际物理连接相结合的方法，再加上合理设计的实用型综合性实验内容，不仅达到了缩短电路设计周期、降低设计成本、方便实验教学的目的，同时还能吸引学生兴趣，调动学生积极性，有利于学生对电子电路原理的了解和应用。

[1] 黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2] 丛宏寿,程卫群,李绍铭.Multisim8仿真与应用实例开发[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3] 郭锁利,刘延飞,李琪,王晓戎,常春藤.基于Multisim9的电子系统设计、仿真与综合应用[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[4] 刘万锁,王雪峰.一种虚实结合实验教学模式的探讨[J].科技资讯,2006(12):76-77.

[5] 兰水华,丁丽丽,张宝军,胡进.“虚实结合”实验教学模式的研究与实践[J].实验室科学,2006(3):14-16.

[6] 马远新,姜莉.虚实结合的医学电工电子实验室建设[J].中国现代教育装备,2010(21):125-126.

[7] 石松泉,沈红卫,梁伟,谢建伟.虚实结合的电工电子实验教学体系的设计[J].实验技术与管理,2008,25(8):184-186.

[8] 李升源,刘宏,周克良,肖发远,黄朝志.电工电子虚拟实验与真实实验的互补性[J].实验技术与管理,2010,27(4):74-76.

[9] 张惠敏,陈志红,付涛.用555定时器制作双音门铃[J].电子制作,2008(11):69.

[10] 王安娜,申燕,刘泽军.电路仿真设计软件Multismi在电路实验中的应用[J].实验室技术与管理,2005,22(12):64-68.