婁 娟 孟祥俠 李 輝 王 鶴 吳君鵬

1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院 吉林吉林 132012 2.華北科技學(xué)院 北京 101601

電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，使各種電子產(chǎn)品不斷進入我們的生活，可以說我們的生活已經(jīng)離不開電子技術(shù)與產(chǎn)品，因此，學(xué)習(xí)必要的電工電子學(xué)知識就顯得格外重要。

電工電子學(xué)的學(xué)習(xí)，離不開具體的實習(xí)和操作，各高校都是通過設(shè)置相應(yīng)的實驗內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力。但是傳統(tǒng)的電工學(xué)實驗內(nèi)容與現(xiàn)實生活嚴重脫節(jié)，教學(xué)方法陳舊、教學(xué)內(nèi)容枯燥，實驗過程冗余復(fù)雜，令學(xué)生提不起興趣；再者，受實驗室條件的限制，很多實驗開不出來，使得教學(xué)效果不理想，往往達不到教學(xué)目的。

解決以上問題，我們可以從兩方面入手。一方面，引入Multisim等仿真軟件，其優(yōu)點是：設(shè)計和實驗可以同步進行，修改調(diào)試非常方便；虛擬元器件及測試儀表齊全，可以完成各種類型的電路設(shè)計與實驗；可以方便地對電路參數(shù)進行測試和分析；可以直接打印輸出實驗數(shù)據(jù)、測試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實驗所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，實驗成本低，實驗速度快，效率高[1,2]。把虛擬仿真軟件和實驗室硬件結(jié)合應(yīng)用，構(gòu)建虛實結(jié)合的實驗教學(xué)手段，可以使學(xué)生在電路功能設(shè)計、器件選擇、焊接工藝等各方面均受到相應(yīng)的訓(xùn)練[3-8]。另一方面，還應(yīng)從實驗項目內(nèi)容的編排入手，設(shè)計一些結(jié)合生活實際的實用型綜合性實驗項目。古語有云：“學(xué)以致用”。學(xué)的目的就是為了用，而我們的思路是“以用帶學(xué)”，讓學(xué)生明白，因為有用，所以必須好好學(xué)。這樣，更能激發(fā)學(xué)生的興趣，使他們學(xué)在其中、用在其中、樂在其中，確實達到培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的目的。

本文闡述了實用型綜合性實驗項目的設(shè)計理念、設(shè)計方法和研究步驟；以“叮咚”門鈴為例，介紹了Multisim軟件的使用實物焊接及調(diào)試定稿的過程。

1 實用型綜合性實驗的設(shè)計

1.1 設(shè)計理念

(1)緊密圍繞教學(xué)要點。設(shè)計的實驗內(nèi)容必須符合電工學(xué)教學(xué)大綱要求，結(jié)合理論教學(xué)。

(2)貼近日常生活實際。選擇的實驗必須貼近生活，內(nèi)容新穎，能吸引學(xué)生興趣，調(diào)動學(xué)生積極性。

(3)電路簡單合理實用。在設(shè)計電路時，在滿足性能指標的前提下，力求電路簡單，合理實用，切忌復(fù)雜。

(4)工作穩(wěn)定性，能可靠。首先，所用的電路在原理上要正確，不能有大的欠缺，要經(jīng)過驗證；其次，要通過電路優(yōu)化、減少器件種類、數(shù)量和型號等方法提高電路的穩(wěn)定性。

(5)安裝調(diào)試維修方便。設(shè)計時應(yīng)盡可能選用常見的元器件，采用模塊化結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)和標準接口。

1.2 設(shè)計步驟

(1)根據(jù)大綱要求和學(xué)?！耙粚崈蓜?chuàng)”人才培養(yǎng)目標，選定想要展現(xiàn)的教學(xué)要點，考慮到實用性，我們選擇了555定時器、集成譯碼器74LS138、D觸發(fā)器、集成運算放大器、差動放大電路、負反饋放大器6個器件。

(2)方案論證與方案設(shè)計。針對設(shè)計任務(wù)、要求和條件，通過調(diào)查研究和查閱資料擬定設(shè)計方案，畫出原理框圖。

(3)實驗硬件電路設(shè)計。設(shè)計硬件電路，畫出原理電路圖，這是調(diào)試和維修的依據(jù)。

(4)原理電路虛擬仿真。進行仿真分析，一方面驗證設(shè)計原理的可行性，另一方面通過修改電路的結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)使設(shè)計的電路更加合理。

(5)焊接調(diào)試。焊接時，要注意器件的引腳，不能錯接，否則會使器件損壞，并增加排除故障的難度，浪費時間；調(diào)試時，不要急于通電，要反復(fù)檢查，在確認電路元器件、連線、直流供電和接地等無誤后再通電，調(diào)試方法是先局部后整體，先靜態(tài)(不加信號)后動態(tài)(加信號)。

依據(jù)以上設(shè)計思想和方法，完成了4個實用型綜合性實驗的設(shè)計：利用集成運放和一些簡單器件完成了摩托車霹靂燈的設(shè)計；利用NE555芯片實現(xiàn)了“叮咚”電子門鈴的設(shè)計[9]；利用74LS138芯片設(shè)計了地址指示燈電路；用D觸發(fā)器完成分頻器電路的設(shè)計。這些實驗不僅貼近生活，設(shè)計新穎，而且符合電工學(xué)實驗教學(xué)的要求。

2 設(shè)計舉例：基于555定時器的門鈴設(shè)計

2.1 方案論證與設(shè)計

555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。其設(shè)計新穎、構(gòu)思奇巧、用途廣泛，備受電子專業(yè)設(shè)計人員和電子愛好者的青睞。傳統(tǒng)的電子實驗內(nèi)容一般有三項：一是利用555構(gòu)成施密特觸發(fā)器，二是構(gòu)成多諧振蕩器，三是構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。這些實驗盡管只需外接少量電阻電容元件就能充分驗證555的性能，然而由于缺少創(chuàng)造性，遠離生活實際，難以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，應(yīng)尋求更貼近生活的綜合性設(shè)計性實驗?？紤]到電工學(xué)實驗是一門非電專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗，電路不能過于復(fù)雜，還要滿足實驗所要涵蓋的內(nèi)容，所以本設(shè)計利用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器的基本原理，外加二極管和蜂鳴器(或喇叭)完成“叮咚”門鈴的設(shè)計。這個設(shè)計不僅是多諧振蕩器原理的具體應(yīng)用，還能在實際調(diào)試中，加深學(xué)生對調(diào)整充放電時間常數(shù)可以改變諧振頻率的理解。

門鈴電路由4部分構(gòu)成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 門鈴電路組成框圖

2.2 實驗硬件電路設(shè)計

叮咚門鈴音色優(yōu)美，現(xiàn)在不少家庭安裝了這種門鈴。利用一塊555時基電路也可以逼真地模擬出“?！恕甭?，用它制作門鈴，其電路如圖2所示。

圖2 門鈴電路原理圖

555時基電路與電阻R2和R4，電容C2組成無穩(wěn)態(tài)音頻振蕩器，當(dāng)按鈕J1未按下時，555時基電路因強制復(fù)位端RST(芯片4腳)通過R1接地呈低電位，電路被復(fù)位，振蕩器停振，揚聲器U1無聲，當(dāng)按下按鈕J1時，電源一路經(jīng)D2向C1充電，使RST腳電位大于0.4 V時，振蕩器起振；電源另一路經(jīng)D1，R3，R4向C2充電，這時電阻R2不起作用。所以在J1按下時，C2充電時間常數(shù)為(R3+R4)×C2，放電時間常數(shù)為R4×C2，振蕩頻率約為1 600 Hz，揚聲器發(fā)出的是模擬“?！甭?。

松開J1后，C1向R1放電，仍能維持集成塊RST腳為高電平，這時D2反偏截止，R2被接入振蕩電路，C2充電時間常數(shù)為(R2+R3+R4)×C2，放電時間常數(shù)仍為R4×C2，所以振蕩頻率降低，變?yōu)? 122 Hz左右，揚聲器就發(fā)出模擬的“咚—”聲。隨著C1不斷放電，使集成塊RST腳電位不斷下降，當(dāng)降至0.4 V以下，振蕩器停振，“咚—”消失，電路恢復(fù)原狀。所以按一次J1后，揚聲器U1就發(fā)一次“?！恕表懧暋?/p>

2.3 原理電路虛擬仿真

(1)運行Multisim軟件，它會自動打開一個名為“Circuit1”的空白電路文件或者單擊系統(tǒng)工具欄的“新建文件”按鈕，新建一個名為“Circuit1”的空白電路文件。然后，可以使用File菜單中的Save as命令，保存文件，同時可以重命名該文件。

(2)選擇主菜單中的Place/Component命令，或者單擊元器件庫工具欄中的任意一個按鈕，均會彈出一個名為Select a component的窗口，在Database下拉列表框中選擇Master database選項，在Group下拉列表框中選擇Sources，在Component列表框中選擇VCC后，單擊OK按鈕，窗口關(guān)閉，出現(xiàn)活動圖標，將此圖標移至電路圖中合適位置，單擊確認，完成放置元件操作。

(3)元器件連線。Multisim提供了自動與手工兩種連線方式。所謂自動連線，就是用戶按線路方向，依次單擊要連線的2個元器件的管腳，由Multisim選擇管腳間最好的路徑自動完成連線操作，它可以避免連線通過元器件時和元器件重疊；手工連線由用戶控制線路走向，操作時通過拖動連線，按用戶自己設(shè)計的路徑，單擊確定路徑轉(zhuǎn)向完成連線?？梢詫⒆詣舆B線和手工連線結(jié)合使用，先用自動連線，然后用手動調(diào)整線路的布局。完成連線后的電路如圖3所示。

圖3 門鈴電路仿真接線圖

(4)電路的運行仿真。單擊Simulate-＞Run菜單項開始電路仿真，通過View/Grapher打開Grapher View(仿真圖形記錄器窗口)，可觀察到波形如圖4所示。若波形過于密集，可通過調(diào)整示波器Timebase的Scale以得到清晰的波形。

圖4 仿真波形圖

2.4 實際電路的焊接調(diào)試

按照原理圖合理選擇元件，進行實際電路的焊接和調(diào)試，焊接電路如圖5所示。經(jīng)調(diào)試，電路功能正常，且簡單實用。

圖5 門鈴實際焊接電路

2.5 實驗效果驗證

把電路板尺寸做小，再加上裝飾，就可以安裝在寢室門外，增添生活情趣。我院在2013年舉辦的針對大一新生的電子競賽題目就是基于這一項目。由大學(xué)生電氣信息實踐創(chuàng)新中心的科技部成員負責(zé)電路設(shè)計、畫圖、制板及仿真技術(shù)指導(dǎo)和焊接工藝培訓(xùn)，組織部成員負責(zé)競賽的策劃和組織報名等工作，學(xué)生以寢室為單位參賽，完成的作品掛在寢室外供大家評選，取得了非常好的效果。此次競賽活動培養(yǎng)了學(xué)生的團隊精神和創(chuàng)新意識(主要體現(xiàn)在門鈴?fù)庥^設(shè)計上)，提高了學(xué)生實踐動手能力，增強了學(xué)生對電子類專業(yè)技術(shù)的了解和對科技類競賽的熱情，同時還鍛煉了實踐創(chuàng)新中心學(xué)生干部的工作能力。

3 結(jié)束語

全國各高校的實踐證明，將Multisim應(yīng)用到電工電子實驗教學(xué)中可以取得良好的教學(xué)效果，不僅加強了學(xué)生基礎(chǔ)理論知識的掌握和理解，還培養(yǎng)了應(yīng)用現(xiàn)代化分析手段進行獨立分析問題和解決問題的能力，并彌補了實際中的不足[10]。這種計算機軟件仿真和實際物理連接相結(jié)合的方法，再加上合理設(shè)計的實用型綜合性實驗內(nèi)容，不僅達到了縮短電路設(shè)計周期、降低設(shè)計成本、方便實驗教學(xué)的目的，同時還能吸引學(xué)生興趣，調(diào)動學(xué)生積極性，有利于學(xué)生對電子電路原理的了解和應(yīng)用。

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