Multisim在电子设计教学中的应用

齐家敏+耿煜+程昊

摘要：本文主要研究现代电子设计教学中存在教学案例与工程实际脱节、理论教学与实践教学脱节的问题，提出Multisim电子仿真软件应用于日常教学，同时精选实际工程案例设计协同教学。通过理论教学与课堂实践效果发现此种方法对学生理论与实践知识的提高有很好的效果，有一定的研究和推广价值。

关键词：电子设计；Multisim；接口设计；课程教学；光电隔离；555定时器

一、引言

电子设计技术是当今发展变化最快的几个学科之一[1]。同时也是电子、控制、计算机学科专业学生必须学好的的一门专业技术基础课[2-4]。它不但要求学生必须系统的掌握模拟电路、数字电路、微控制器等课程的理论分析与设计，而且最重要的是要求学生具有很强的動手实践能力[5]。纯粹的课堂理论教学显然不能满足现代电子设计技术课堂教学的要求。因此，如何才能在课堂理论教学中实现以学生为主、以实践为主，同时教学采用的案例又不脱离工程实际的教学方式是很多从事电子教学的教师急需解决的研究课题[6， 7]。

本文首先讨论现如今电子教学的现状，研究它的不足之处，然后提出应用美国国家仪器公司出品的电子仿真软件Multisim的半实物仿真技术部分替代课堂中的纯理论教学，利用工程实际案例讨论如何在电子设计课堂教学中提高和改善学生的学习效果，最后提出论文研究的结论。

二、电子设计教学现状

电子设计技术是电子通信、计算机嵌入式硬件设计专业一门综合性很强的应用实践课程，它的课程主要目的是强化以前开设的电子基础类课程，比如电路分析、模拟电路技术、数字电路技术以及各种控制器（单片机等）。培养学生从系统的角度根据设计课题目标综合考虑设计方案。对学生的分析问题的能力、工程实践的能力和创新设计能力都带来很大的挑战。电子类课程一个很鲜明的特点就是重视理论实践与应用，纯粹的理论教学与学习是不可能很好掌握电子硬件设计知识的。在CDIO工程能力培养环境下，该课程对动手实践和实际工程能力的训练应放在首要重视的地位[8]。

教学方式传统，一言堂式教学已不能满足现代教学特点的要求，以教师为主满堂灌的教学方式使大多数的学生不能跟上教师的思维，缺少互动，学生被动接收，囫囵吞枣，加入学生课后不及时复习消化，就不可能使学生牢固掌握课堂所学的理论知识。这样日复一日的恶性循环势必影响学生的学习兴趣，兴趣没了学习新的知识就无从谈起。

教学内容陈旧，首先从教材的选用上就可以很明显体会到这一点，大多数的理论教材所选用的案例都是很久以前分立电路或者采用早已淘汰不再被采用的芯片，势必造成学生在遇到需要解决的设计问题时无从下手。

教学手段单一，大多数的教师基本都是采用多媒体进行课堂理论教学，但是很少有老师在理论推导过程中借助仿真软件进一步验证设计的正确性。从接受知识的研究过程发现，听是第一步，看与心领神会是最重要的一步，从视觉上接收知识是最直接也是最快的一种方式。大多数的老师往往忽略了它的重要作用。造成这样的局面也许问题出在教师的身上，对仿真软件不熟悉或者多媒体系统未安装相应的仿真软件系统等。

实践与理论脱节，很有一部分教师严格按照教材进行理论教学，理论部分讲解比较透彻，但是往往忽略了实践部分成本、可靠性等方面的因素。

工程训练匮乏，大多数的高校在工程训练的硬件配套设备跟不上时代的发展，多数为陈旧的电子设备。名义上的工程训练大多都是走过场，重形式而没起到真正对学生实际工程能力的培养。

重理论轻实践，最明显的就是理论课时与实践课时分配不合理，学生仅仅靠几个学时的实践是不可能完全掌握电子设计这么综合性的学习任务。再加上学生本来就缺少工程实践的感性认识，势必造成理论与实践不统一。

针对以上提出的几点在实际教学与实践中出现的问题，为了达到教学目标，应根据电子设计专业能力培养要求，充分利用现有的教学手段，与工程实际有机结合，课程理论教学要注重可行性、实用性和连贯性。在教材的选用上要尽可能选择最新的教材，根据工程实际出发，选择来自于工程实际的可行性案例，对比理论教材的案例，找出它们的不同之处，在解决实际工程设计任务的环境中培养学生的实际工程素养。另外，从课程内容的连贯性来讲，一定要整体规划、由浅入深，从工程实际设计项目的源头来逐项解释说明设计方案的思维源头，让学生真正理解和解决心中的疑问。这样理论教学与实践教学中间就有了联系的渠道，没门理论课都要安排一定的实训课程，以解决工程实际案例为主线来学习理论课程，并在平时学习当中逐步提高和完善，把理论学习作为解决工程实际项目的原动力。

三、Multisim的特点及教学方法

Multisim是美国NI 公司推出的电子设计虚拟仿真平台。它不但可以仿真模拟、数字和混合电路，而且可以仿真诸如单片机、ARM、DSP和部分FPGA芯片设计的电路。同时它提供了非常丰富的元器件库以及各种虚拟测试仪器，所以它的特点不但体现在设计电路简单，同时对电路的仿真测试功能也异常强大。因此，Multisim非常适合作为日常课堂教学的辅助手段及工程实际训练。

Multisim应用于日常课堂教学首先要根据教学的知识点，选取工程实际案例，在开发环境下绘制设计电路，确定每个元器件的参数，比如电阻、电容值以及定制所选择的集成电路。根据设计要求不断修改电路参数值，直至满足设计要求。在仿真满足要求的条件下制作实际硬件电路再进行半实物仿真、实物测试。加入实物测试未能满足要求再返回修改电路。这样不断反复。最终达到设计要求。它的教学与实际操作流程如图1所示。

四、Multisim课堂教学案例设计

根据应用型人才培养方案要求，鼓励选取有实用价值的工程实际案例来讲解本节课所需要讲解的知识点。脉冲整形电路是机电一体化数据采集、分析、控制系统常用的电路，同时也是电子接口设计的重点内容之一。脉冲整形常用的方法是采用单稳态触发器或者施密特触发器，单稳态触发器又分微分型、积分型和集成型单稳态触发器，本案例准备采用常用的555定时器采用特定的接法实现单稳态触发器。根据应用型人才培养方案要求，鼓励教师尽可能选择工程实际案例来讲解关键的知识点，以免与实际脱节。所以本案例选择作者横向项目中采用的设计电路来进行讲解。本节采用的案例是无人机（如图2）发动机转速接口硬件设计，项目要求设计人员采集无人机发动机的次级线圈信号来判断发动机的转速控制参数。小组成员和企业人员通过示波器对发动机的信号进行了各种状态测试，发现信号是很不规则的信号，上下半波非规则的正选信号，且正负信号幅值相差两倍之多以及整个信号幅值超过110伏，如图3。很明显飞控主板不能直接接收发动机的输出信号（另外飞控板需要接收标准的TTL方波信号）。

经实际测试，小组成员决定采用降压、选取信号波形一致性更好的负半周信号，加上波形整形电路的方案来解决。设计的硬件原理图如图4所示：

如图4所示，发动机次级线圈输出的正负幅值峰值接近110V，所以在Multisim仿真环境下用120V交流信号模拟发动机输出的电压信号。由于最终的信号要送入后面的飞控板进行处理，所以首先把电压降到后面的光电隔离器件和555定时器能夠承受的范围。降压采用最常用的电阻分压，由R1和R2来完成。电容C1和R1、R2又构成RC阻容低通滤波器，经光电隔离器件进一步改善输入的电压信号。图中R3、R4主要起限流的作用，不至于电流太大而烧毁光电隔离器件，C2主要起到对光电隔离器件输出波形的滤波（干扰主要来自于光电隔离器件的非线性和电源杂波）。光电隔离不但起到隔离输入的高电压信号，同时也起到限幅的作用。增强了系统的抗干扰能力。信号经555定时器组成的施密特触发器进一步对信号进行整形，如图5所示，经设计的接口电路的降压、限幅等脉冲整形手段，最终把不规则的波形整形成非常规整的方波，给后续飞控板的信号处理带来很大的方便。

下一步的主要工作就是实际验证，学生根据原理图购买原件，用洞洞板制作了本接口，小组成员与企业技术人员一起对设计的硬件接口进行了实际联机测试。首先用实际信号发生器产生的正弦波施加到设计的硬件电路上，测试效果如图6所示。测试效果满意之后，把实际电路接入发动机次级线圈进行实际工况测试，如图7、图8所示，输出的波形效果良好，满足设计要求。

五、结论

本文主要讨论了利用Multisim仿真软件应用到电子设计的课堂教学中，结合应用型人才培养方案要求，分析了当今电子设计课程教学中普遍纯在的问题，从工程实际出发精选案例，不断调整电子元器件的参数最终达到设计要求。从课堂实际教学效果来看，效果良好。使学生不但从理论上理解脉冲整形的原理，同时也学习和掌握了如何从工程实际出发设计机电一体化控制系统的硬件接口设计。采用这样的教学方式不但丰富了课堂教学内容，同时也提高了学生的学习积极性。有一定的推广实用价值。

参考文献：

[1]杜宇上 and 肖化， "基于Multisim的混沌电路仿真实验，" 实验室研究与探索， pp. 42-45， 2013.

[2]于京生， 陈永志， and 康元元， "Multisim仿真软件在模拟电子技术实验教学中的应用，" 石家庄学院学报， pp. 46-50， 2011.

[3]王廷才， "基于Multisim的电路仿真分析与设计，" 计算机工程与设计， pp. 654-656， 2004.

[4]颜芳， 宋焱翼， 谢礼莹， and 李新科， "基于Multisim的电路原理课程仿真实验设计，" 实验技术与管理， pp. 59-62， 2013.

[5]谢颂民， "基于LabVIEW和Multisim电子电路远程虚拟实验室的设计，" 硕士， 湖南师范大学， 2015.

[6]蒲永红， 余粟， and 王维荣， "Multisim辅助电工电子实验教学的探讨，" 实验室研究与探索， pp. 174-177， 2013.

[7]吴学军 and 张静， "EDA仿真设计在《数字电子技术基础》课程教学中的应用，" 湖北文理学院学报， vol. 34， pp. 78-81， 2013.

[8]李文， 黄文， 赵全友， and 尹向东， "Multisim仿真的数字逻辑工程素养培养，" 实验室研究与探索， pp. 62-65+71， 2014.

基金项目：湖北文理学院教研项目（JY2015061）；湖北省教育厅教研项目（B2016173）