集成化解决方案的优点

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1、NI 电子学教育平台简介及实例分析电子学教育平台简介及实例分析电子学教育平台简介及实例分析电子学教育平台简介及实例分析 概览概览概览概览 本应用文档详细介绍了大学教师如何利用一个集成化实验室（integrated laboratory）来 提高他们的电子学课程教学。 文中首先概述了通常的电路教学方法， 接着讨论了集成化实验 室的各个组成部分以及它如何解决学生在进行实验时必须面对的众多挑战从而弥补理论与 真实世界的鸿沟。 通过对某知名大学中一个真实的实验进行详细地案例分析， 我们将亲身体 会到集成化解决方案所带来的好处。 纵观世界范围内的教育机构，多年来电子学的教授方 式基本上是一成不变。 学生

2、们都是通过参加课堂授课来学习电路理论， 然后通过补充实验来 获得对基础知识更为深刻的理解。 在实验室进行的实验存在一种设计挑战， 即需要学生使用 手工计算来应用课堂教学中学到的理论，进行仿真，创建并测量他们的设计，然后将他们的 实验结果与期望值进行比较。 所有这些工作的最后就是提交一份详细叙述学生实验过程的报 告。 目录目录目录目录 1. 集成化解决方案的优点 2. 实例分析：放大器设计实验项目 3. BJT放大器，第三级 4. BJT放大器，第2级 5. JFET级 6. 完整的系统 7. 虚拟原型设计及使用NI ELVIS进行原型设计 8. 比较仿真值和测量值 9. 总结和结论 集成化解决

3、方案的优点集成化解决方案的优点集成化解决方案的优点集成化解决方案的优点 集成化平台提供了一个连续的从仿真到原型设计和测量间的数据流， 从而弥补了理论和亲身 动手练习间的鸿沟。 这个平台使得学生能够快速且轻松地进行测量。 通过使用仿真环境中的 仪器，学生更好地理解了仿真目的，以及如何在评估真实电路时使用所获得的结果。 一个集成化的实验室为仿真、原型设计、测量和比较提供了一个统一的平台。通过一致的方 法以及基于计算机的测量的强大功能， 学生能够快速且轻松地理解如何开发他们的电路原理 图，实现功能强大的仿真，以及进行重要的测量。 学生在设法比较仿真值和测量结果的过程中花费了大量的时间。 通常来说，

4、使用复杂仪器完 成的测量是用手工记录并输入电子数据表来用于分析的。大部分的时间花费在了比较过程 上，而不是花费在试图理解为什么会存在差别上。 NI 和其 Electronics Workbench Group 致力于为电子学教育提供一个强大的集成化解决方 案。目前这个平台包括用于原理图捕捉和 SPICE 仿真的 NI Multisim，用于原型设计的 NI ELVIS，以及用于测量和比较的 LabVIEW 和 SignalExpress。如下所示的图 1 阐述了这个集 成化的实验室。 图 1、集成化平台的概念图 利用 Multisim 所提供的强大功能和灵活性，学生可以获得一个具有工业品质且易

5、于使用的 电路仿真工具所带来的好处。Multisim 包含了许多功能强大的虚拟仪器即仿真实验室 中可见的各种仪器，如示波器、万用表、函数发生器以及其他仪器。这些虚拟仪器给学生提 供了一种快速且直观的方式来获得仿真结果， 同时也为他们将来在实验室中使用这些仪器做 好了准备。如下所示的图 2 展示了 Multisim 环境的屏幕截图实例。 图 2、进行仿真测量的 Multisim 电路原理图 对教学来说 Multisim 具有很多宝贵的特性，例如在超过最大值时将会断路的额定元件，以 及在仿真运行过程中可更改数值的交互式元件。 实验性的原型设计通常是建立在无焊接的电路试验板（breadboard，即

6、面包板）之上。学生 必须依赖于技术文档和视觉检查来确保他们所设计的原型能够正常工作。 通常来说， 绝大部 分时间都花费在了实验室教师和助教纠正简单的连线错误上这就需要一个计算机辅助 的原型设计工具。Multisim 提供了一个 3D 的虚拟电路试验板环境，学生就可以通过一个虚 拟的、且对完成状态和正确性给予反馈的 NI ELVIS 电路试验板来学会原型设计。这个虚拟 环境无论是看起来还是感觉上都与真实的 NI ELVIS 工作台完全相同。 NI ELVIS 工作台包含了数个内置的仪器来对所设计的原型电路进行测量。这个工作台配有 一个可移动的原型设计板，并可直接连接到 PC 来把测量结果传输至一

7、个公共接口。诸如示 波器和波特图分析仪之类的仪器使用起来十分方便，而且功能与传统的台式仪器是相同的。 如下所示的图 3 展示了一个 NI ELVIS 系统示意图。 图 3、NI ELVIS 工作台示意图 这些虚拟仪器也可以实现快速的自动化测量。使用 NI SingalExpress 和 LabVIEW，所有的 测量都可以在一个单一的环境中实现， 而且可以轻松地进行保存， 并且可在同一个图表中与 Multisim 中的仿真值进行比较。 实例分析实例分析实例分析实例分析：放大器设计实验项目放大器设计实验项目放大器设计实验项目放大器设计实验项目 为了更好地说明使用集成化实验室所带来的好处， 我们以加

8、拿大阿尔伯塔大学所教授的一个 真实实验为例来进行阐述。我们使用集成化平台来完成这个实验。我们使用 Multisim 来开 发电路原理图并通过 SPICE 仿真来验证估算值，以及使用 Multisim 中虚拟的三维 NI ELVIS 原型设计环境来虚拟地创建和检查我们的电路，然后我们使用可将放置在 NI ELVIS 电路试 验板上的真实元器件来建立电路。最后，我们以比较测量值和仿真值来完成这个实验。 这个实验的目的是设计、建立及测试一个音频放大器这个放大器需在 3KHz 的设计频率 处具有|150| 10%的电压增益，而且输入阻抗需要大于或等于 1 M。放大器的负载包括一 个可驱动 8 扬声器的

9、 1200:8 匹配变压器。本实例中的电源电压将是 NI ELVIS 提供的 +15 伏直流电压。 即将进行的设计是一个由共发射极和共源极放大器构成的三级处理电路：输入级使用 JFET 以满足高输入阻抗的要求，接下来由共发射极 BJT 放大器构成的两级则是满足高增益要求。 如下面图 4 所示的是在 Multisim 中截取的表明设计方案的方框图。每级之间的电容在小信 号输入和输出与电路直流静态工作点间提供了直流隔离功能。 虽然下面的方框图示出了扬声器和变压器，但是为了简单起见，我们将在仿真中使用一个简单的负载电阻来代替变压器 和扬声器。 注意注意注意注意：所有的电路方框图都是使用工具（Tool

10、sToolsToolsTools）菜单中的截取屏幕区域（Capture Screen Capture Screen Capture Screen Capture Screen AreaAreaAreaArea）功能直接从 Multisim 中截取的。 图 4、放大器方框图 系统增益由下述公式确定： 既然每级的电压增益依赖于该级的负载电阻， 而每级的负载电阻又由下一级的元件决定， 那 么为了获得每级的负载电阻值（RL）最好从最后一级向前推算。最后一个增益级的负载电阻 是给定的已知数值等于 1200 。我们将在第二级和第三级中使用两个 2N4401A 通用型 NPN BJT 晶体管，而在第一个输入

11、级中使用一个 2N4393 JFET 晶体管以满足其高输入阻抗要 求。在整个设计过程中，我们将使用 Multisim 来验证手工的估算值，而且在适当的地方会 插入显示结果的屏幕截图。我们也将使用 Multisim 来通过其仿真功能确定放大器的跨导从 而帮助我们计算增益值，以及确定直流负载线从而有助于偏置放大器。 考虑实际值与仿真值的不同考虑实际值与仿真值的不同考虑实际值与仿真值的不同考虑实际值与仿真值的不同 从实际情况来讲， 我们认为整个设计过程中存在的元件偏差将不可避免地造成真实结果与期 望值不尽相同。 此外， 我们设计的是一个音频放大器， 因此如果它具有某种手动控制增益 （音 量）的方式则

12、会更加出色。为了补偿元件偏差并提供手动音量控制，我们将在某个放大器中 包含一个可变电阻（电位计）。我们决定把这个电位计放在第二级中并与 RB1 并联，因为这 种方式能在保持稳定的工作特性的同时提供一个较好的增益变化范围。 通常来说理论值与真实值不会完全相同， 因此应当尽可能得选择那些接近估算值的真实元件 值。 BJT 放大器放大器放大器放大器，第第第第 3 级级级级 对于第三级和第二级，我们将使用如下面图 5 所示的共发射极 BJT 放大器拓扑结构。 图 5、带负载电阻的共发射极 BJT 放大器级 在这个结构中，CIN 和 COUT 实现了设计中各级之间的直流隔离功能。电容 CE 在高频时形成

13、 短路，有效地旁路了 RE2。RB1 和 RB2 构成了一个分压器，可以在基极提供必要的电压来前 向偏置晶体管的基极发射极结（base-emitter junction）。RC、RE1 和 RE2 则为交流摆 动、电压增益及晶体管在有源区的稳定性这三者形成理想组合而形成适当的偏置条件。 偏置偏置偏置偏置 放大器设计中最为重要的一个方面就是适当地偏置晶体管。 适当的偏置可确保晶体管能够在 有源区保持稳定，并且无需使得晶体管达到饱和以及输入信号失真就能够提供真正的增益。 我们在设计中通过实践的方法，即利用 Muitisim 仿真来确定可实现令人满意的稳定性、摆 幅及增益的静态工作条件和元件值。因此

14、，为了选择元件值我们将创建一个直流负载线，这 是通过使用晶体管的特性曲线来完成的。 为获得晶体管的特性，Multisim 提供了一个虚拟的特性曲线图示仪。第一步是将特性曲线 图示仪连接到本实验中所使用的 2N4401 晶体管，如下面图 6 所示。这个图示仪的设置和结 果如下面图 7 和图 8 所示。 注意到负载线在 Y 轴的截距等于 VCC/RC。 当使用 Multisim 和真正的元件建立真实的电路时， 我们将在 RC、RE1 和 RE2 间分配这个估算值。 图 6、2N4401 特性曲线图示仪的电路 图 7、2N4401 特性曲线图示仪的设置 图 8、仿真的 2N4401 特性曲线以及直流

15、负载线和静态工作点 在本实例中，所选择的 Q 点是为了提供最优的偏置条件。Q 点要尽可能地偏向曲线图的右边 以防止输入信号引起晶体管达到饱和状态，但也不能离左边太远以防止将输出电压钳位在 15 V（此为最大的电源电压 VCC）。对于高频情况下没有发射极电阻的共发射极电路来说， 直流负载线与 Y 轴相交在 VCC/RC。在我们的实例中，我们将在实际的 RC、RE1 和 RE2 值间 分配这个理论 RC 值。 RE1 通过取消 值对 2N4401 发射极内阻的依赖从而提供了额外的保护以防止 值变化， 因此它的元件值选择为 20 的小电阻。RE2 保证了集电极电压尽可能接近电压范围的中间 值，从而可

16、在输出端获得较好的电压摆幅。 对于第三级，基于图 8 所示的负载线可把 RC 值确定为 600 (15V / 25 mA)。把此值拆分 并把电路中实际的 RC 值选择为 300 ，然后 RE1 值选择为 20 ，RE2 值选择为 280 。 所选择的 Q 值要求 VCE = 6.98V。集电极的电压由下述公式确定： 从上面的表达式可以得到，VB=4.72 V。为了正确地偏置晶体管的基极，我们依据分压原理 和通用设计准则来选择 RB1 和 RB2 值： 我们选择 RB1 值为 6700 ，RB2 值为 3300 。 在为本级中的元件选择完数值之后，我们使用 Multisim 来测量和检查偏置条件和假设。在 Multisim 中， 通过放置一个 0V 的直流源并使用直流工作点分析输出电流至此直流源的方式 可测量某个分支的电流大小。 下面图 9 所示的就是按照上述方法所建立的电路的直流工作点 仿真值。 图 9、第三级直流工作点分析 输入阻抗输入阻抗输入阻抗