基于虛擬實驗平臺的模擬電子技術課程設計

基于模擬電子技術課程設計是電類專業(yè)學生重要實踐環(huán)節(jié)的目的，通過介紹模擬電子系統(tǒng)的設計思路，結合音頻信號發(fā)生器的設計實例，基于虛擬實驗平臺進行設計及仿真，得到了振蕩器起振及等幅振蕩過程的正確結果。使學生能夠鞏固和運用在《模擬電子技術》中所學的理論知識和實驗技能，基本掌握常用模擬電路的一般設計方法，通過動腦動手解決實際問題，提高設計能力和動手能力，拓寬學生知識面，為后續(xù)課程、各類電子競賽，畢業(yè)設計乃至畢業(yè)后的工作打下良好的基礎。
　　在大學開設的相關課程中，有不少電子技術方面的實驗內容，但這些基礎實驗的著眼點是放在驗證基本理論和電路性能上。學生通過這樣的實驗只能初步了解電路實驗的步驟和基本方法，熟悉常用實驗設備的使用方法，卻很難有條件訓練學生動手解決電路問題的能力。而模擬電子技術課程設計正是為學生創(chuàng)造一個動手又動腦，獨立開展模擬電子系統(tǒng)設計的機會。學生可以運用實驗手段檢驗理論設計中的問題所在，又可運用學過的知識，指導電路調試工作，使電路功能更加完善，從而使理論和實際有機地結合起來，鍛煉分析并解決電路問題的實際本領，真正實現(xiàn)由知識向能力的轉化。
　　1模擬電子系統(tǒng)
　　隨著電子技術的發(fā)展，無論是在生產(chǎn)還是生活中，人們越來越多地使用一些模擬電子設備和裝置，如：擴音機、錄音機、示波器、正弦信號發(fā)生器、報警器、溫控裝置等。盡管用途不同，但從工作原理來看，有著共同之處：1）需要輸入一種連續(xù)變化的電信號。這種連續(xù)變化的電信號稱之為模擬信號，模擬信號可以由專門的部件（通常為傳感器）把非電的物理量轉換為電量，例如：話筒、磁頭、熱敏器件、光敏器件等。也有些設備無需這種轉換，而是直接由探頭輸入或電路本身產(chǎn)生電信號，如示波器，信號源等。
　　2）必須把得到的電信號進行放大或者變換。通過放大或變換，使信號具有足夠大的能量，為實現(xiàn)人們所預期的功能服務。
　　3）設置了不同的執(zhí)行機構。執(zhí)行機構能夠把傳來的電能轉換成其他形式的能量，如喇叭、電鈴、繼電器、示波器、表頭等，以完成人們需要的功能。
　　模擬電子系統(tǒng)中，無論是傳感器送來的電信號，還是直接輸入或電路本身產(chǎn)生的電信號一般都是十分微弱的，往往不能推動執(zhí)行機構工作，而且有時信號的波形也不符合執(zhí)行機構的要求，所以需要對這種信號進行放大或者變換，才能保證執(zhí)行機構的正常工作?？梢?，信號放大和信號變換是模擬電子系統(tǒng)的核心。
　　隨著生產(chǎn)工藝水平的提高，線性集成電路和各種具有專用功能的新型元器件迅速發(fā)展起來，給模擬電子系統(tǒng)設計工作帶來了很大的變革。但是，從我國現(xiàn)有的條件來看，集成元件的生產(chǎn)，無論品種還是數(shù)量，還不能滿足電子技術發(fā)展的需求，所以，分立元件的電路還在大量的應用。而這種分立件電路的設計方法，主要是運用基本單元電路的理論和分析方法，比較容易為初學設計者所掌握。另外，有助于學生熟悉各種電子器件，掌握電路的設計基本程序和方法，學會布線、組裝、測量、分析、調試等基本技能。理論知識告訴我們，任何復雜的電路，都是由簡單的單元電路組合而成的。所以，要設計一個復雜的模擬電子系統(tǒng)，可以分解為若干具有基本功能的電路，如放大器、振蕩器、整流器、波形變換電路等，然后分別對這些單元電路進行設計。使一個復雜任務，變成簡單任務，利用我們學過的知識即可完成。
　　2虛擬實驗平臺在模擬電子系統(tǒng)設計中的應用
　　電子系統(tǒng)的設計是一個不斷調試的過程。在實物上調試往往消耗大量人力、物力和財力。而且受到實驗環(huán)境的影響，某些功能未能全部實現(xiàn)。在實驗硬件環(huán)境不具備的情況下，采用虛擬實驗平臺軟件進行模擬電子系統(tǒng)的設計可有效解決這一問題。EDA（電子輔助設計）軟件很多，廣泛采用的有Multisim、PSPICE、PROTEL等。這些軟件都有較強的功能，一般可用于電路設計與仿真，同時也可以進行PCB（印刷電路板）自動布局、布線，輸出多種網(wǎng)表文件。其中，Multisim仿真軟件相對其它EDA軟件而言，功能卜分強大，可以仿真出真實電路的結果。而且提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃描儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉換器等工具。它不僅繼承了以往仿真軟件具有的界面直觀、操作方便、使用直觀的虛擬儀表的優(yōu)點，還將最新的安捷倫測試儀及泰克示波器等引入虛擬儀器中。其控制面板、界面操作以及測量結果與實際的儀器完全相同，用戶使用Multisim10如同在實驗室進行操作一般。這樣就可以有效的解決實驗條件不足的問題，并且可將集中進行的課程設計分散進行，便于老師的指導與調試。作為虛擬的電子工作平臺，Multisim10提供了詳細的電路分析手段，可完成電路的直流靜態(tài)工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析等，有助于分析電路性能。
　　3模擬電子系統(tǒng)設計實例——音頻信號發(fā)生
　　音頻信號發(fā)生器是指能夠產(chǎn)生音頻范圍的正弦信號的儀器。音頻信號的頻率范圍一般是幾十到幾十kHz，音頻信號發(fā)生器是模擬電子線路實驗中不可缺少的設備之一，在實踐和科技領域有著廣泛的應用，如電子電路、自動控制和科學實驗等領域。自行設計和制作一個能產(chǎn)生音頻信號的電路，不僅能運用所學知識，學會設計簡單電路的技能，而且對電子技術實驗有著很大的實用價值。
　　3.1方案比較
　　一般要產(chǎn)生幾十kHz以下的正弦信號，常用的信號發(fā)生器多是由模擬電路構成的，包括正弦波振蕩器和穩(wěn)幅電路兩大模塊。其中正弦波振蕩器有LC振蕩器，石英晶體振蕩器，RC振蕩器。LC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以上的正弦信號，RC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以下的正弦信號，石英晶體振蕩器用于產(chǎn)生頻穩(wěn)度較高的正弦信號。
　　經(jīng)性能比較，RC振蕩器較為合適。RC振蕩器可分為相移式振蕩電路，串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡振蕩電路，雙T選頻網(wǎng)絡振蕩電路等。其中RC串并聯(lián)網(wǎng)絡振蕩電路由放大器和正反饋網(wǎng)絡兩部分組成，由于能得到頻率范圍較寬、波形較好，且連續(xù)可調的振蕩信號，其結構簡單又經(jīng)濟方便，因此應用最為普遍。因為這種振蕩器，選頻網(wǎng)絡和負反饋電路正好形成一個四臂電橋振蕩器，又被稱為文氏電橋。用有恒流源負載的射極輸出器，設計出頻率范圍在200 Hz-20 kHz，電壓輸出2 V并且連續(xù)可調的信號發(fā)生器。