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摘要：数模混合课程设计是电类专业一项重要的实践环节。介绍了一种基于PSPICE软件仿真平台的虚实结合数模混合电路课程设计的实践教学体系。通过比较数模混合课程设计的传统教学模式和虚实结合教学模式，突出了虚实结合教学模式的优势。最后，结合PSpice仿真平台，介绍了PSpice软件在虚实结合数模混合课程设计中的具体应用。
关键词：虚实结合；数模混合电路；课程设计；PSpice
作者简介：周伟林（1972-），男，湖南东安人，湖南商学院计算机与信息工程学院，副教授；何静（1972-），女，湖北随州人，湖南商学院计算机与信息工程学院，讲师。（湖南 长沙 410205）
中图分类号：G642.41 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0064-02
模拟和数字电子技术是电类专业重要的专业基础课程，担负着各专业课程的承上启下作用。数模混合电路课程设计是电子信息工程专业的首次课程设计，具有十分重要的意义。[1]学生通过综合运用已学模拟和数字电子技术知识，实现功能相对完整的系统设计、安装和调试，从而加深对已学知识的理解和掌握，增强工程意识，提高学生运用理论知识解决实际问题的能力。在传统的数模混合课程设计模式中，学生完成理论设计后便直接进入实物的安装和调试环节。这种模式往往存在电路参数计算繁琐、设计方案不易修改、缺乏灵活性和创新性等弊端，大大拉长了设计周期，降低了设计效率。近年来，随着计算机辅助设计技术的发展，多款用于数、模混合电路仿真软件相继问世，许多基于电路仿真软件的虚拟实验平台也先后被提出。[2]本文将当今流行的电路仿真软件PSpice与数模混合课程设计实践环节相结合，构建了基于PSpice虚实结合数模混合课程设计教学模式，在多年的数模混合课程设计中取得了较好效果。
一、传统的数模混合课程设计模式
在传统数模混合课程设计模式中，学生首先根据设计的功能和技术指标要求确定系统的基本框图，并进一步确定单元电路的选型和器件的参数计算。[3]在确认器件参数计算无误后，便直接进行器件的安装和通电调试，根据调试结果，修改电路和器件参数，再进行安装调试，直到调试结果满足设计要求，设计流程如图1（a）所示。如果调试结果满足设计要求，则大功告成。然而，多数情况却是调试结果达不到设计要求，或相差甚远。于是只能重返器件参数计算，修改器件参数，另选器件后重新安装调试。反复的理论分析、参数计算、频繁的器件更换和系统调试耗费大量的人力、物力，延长了设计周期，降低了设计效率。在首次课程设计中，许多学生因屡受挫折，课程设计积极性大减，工程意识培养效果大打折扣，易在后续的专业课程的学习中产生畏难情绪，甚至对专业失去信心。
二、虚实结合数模混合课程设计模式的提出
针对传统模式数模混合课程设计的不足，我们构建了基于电路设计和仿真软件的虚实结合课程设计模式，设计流程如图1（b）所示。学生首先按照所给的技术指标确定单元电路，在实物制作之前，先借助虚拟仿真平台对电路进行仿真分析，通过仿真结果学生可以判断其设计方案是否正确，若不正确则可反复修改电路及器件参数直到仿真结果满足要求。如果仿真结果满足设计要求，接下来便可以进行实物的安装和调试了。
与传统设计模式相比，虚实结合课程设计模式具有以下显著优势。
1.节约了设计时间，降低了设计成本
虚实结合课程设计模式采用电路仿真软件代替了传统模式中的反复修改电路、更换器件和安装调试这一繁琐过程，从而大大压缩了设计工作量。同时，电路修改和器件更换是在软件平台实现，因而避免了实物的消耗，降低了设计成本。
2.打消了学生害怕心理、增强了课程设计的兴趣
数模混合课程设计是电类专业首次课程设计，在这之前大多数学生只有抽象的理论知识，缺乏对电路的感性认识和实践操作经验，面对功能相对完整的电子系统安装调试，显得信心不足。而在虚实结合课程设计模式中，学生完成理论设计后并不立即进入实物的制作环节，而是先在虚拟实验平台进行仿真分析，对理论设计的正确性进行验证后，再进入实物的安装调试。因此，虚拟实验平台在抽象理论设计和实物实验之间建立了一座桥梁，起到了过渡作用，使学生克服了担心仪器设备损坏和人身安全的心理压力，可以大胆尝试，加深了对电路原理的理解，同时积累了一定实践经验，增强了下一步实物制作的信心。
3.拓宽了学生设计思路，提高了课程设计的创新性
数模混合课程设计时，教师往往要求学生提出几种预选方案，并选择一种方案予以实现。在传统设计模式中，由于受条件限制，学生只能对备选方案停留在粗略的理论论证，无法全面预见各方案的实际运行结果。由于虚拟实验平台不受实物实验条件的限制，学生可以综合运用理论知识，大胆提出创新性方案，并在软件平台上仿真验证，从而大大拓宽了学生的设计思路，增强了课程设计的灵活性和创新性。
三、基于PSpice虚实结合数模混合课程设计模式
电路仿真软件主要有PSpice、PROTEUS、EWB、MULTISIM等。其中，PSpice是一种模拟/数字电路分析软件，系由Spice发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序，它由美国MicroSim公司开发并于1984年1月首次推出。[4]由于PSpice适合于PC上使用，因此得到了广泛的应用，其版本也不断升级更新。在PSpice V4.0之前，主要是对模拟电路进行辅助分析，而在V4.0及以后的版本中，增加了对数字逻辑电路及数模混合电路的分析功能，非常适合对模拟电路和数字电路的仿真分析。
PSpice软件主要包括Schematics 电路图绘制、PSpice AD电路仿真、Model Editor器件模型编辑、Stimulus Editor信号源编辑和Probe仿真结果输出五个功能模块。可以对电路进行直流工作点和直流扫描分析、交流扫描分析、参数扫描分析、温度分析、灵敏度分析、直流传输特性分析和蒙特卡罗分析等仿真分析。[5]下面以简易锯齿波发生器设计为例，介绍基于PSpice软件虚实结合课程设计的具体实施。 设计目的和要求：要求锯齿波幅度为10V、锯齿波频率为50Hz、锯齿波上升和下降斜率可调。根据设计要求，通过查阅相关文献，确定先产生方波信号，再将方波信号进行积分得到锯齿波的设计方案，选用基于集成运放的方波信号产生电路和有源积分电路相级联形式，具体电路如图2所示。
在实物制作之前，在PSpice仿真平台上对电路进行了仿真分析，仿真结果如图3所示。结果表明，输出锯齿波信号幅度决定于电阻R1和R2的取值；而锯齿波的频率则决定于R1、R2、W1、W2和C1的值；在保持W1+W2不变的情况下，改变W1和W2的取值，可改变方波的占空比，从而实现锯齿波上升和下降斜率变化。
经过反复修改关键器件的参数后仿真分析，得到满足要求的锯齿波输出，确定了关键器件的参数为R1=5k、R2=10k、C1=0.4uf。同时，保持W1+W2=10k，改变W1和W2的比值可以得到不同的锯齿波斜率，实际应用中只要用一个10k的电位器代替W1和W2就可方便地调节锯齿波斜率。确定了器件参数后，下一步就可以进行实物的安装调试。由于前期的仿真分析已经得到了正确的电原理图和合适的器件参数，因而后期的实物制作过程就非常顺利了。
四、虚实结合模式中实物实验平台的主体地位
虚实结合模式中实物实验平台的主体地位是绝不能动摇的。首先，数模混合课程设计的目的除了加深学生对已学模拟和数字电子技术理论知识的理解，更重要的是要培养学生的实践动手能力，积累实践经验和掌握实验研究方法，探索和发现人类未知的规律。其次，在实物安装调试过程中可能出现某些异常现象和故障，这些现象和故障不可能在虚拟仿真中一一反映出来，[6]比如上例中由于运放的输入失调引起积分漂移现象，仪器在调试中所表现出的异常现象，电路中的虚焊、开路和短路等故障，这些现象和故障可以培养学生发现、分析和解决实际问题的能力。所以说虚拟仿真不能代替实物操作，就像计算机不能完全代替人一样。虚实结合模式中，“虚”是手段，“实”是目的，实物制作永远是“虚实结合”课程设计模式中最重要的环节。
五、结束语
发挥传统课程设计模式优势的同时引进现代化的计算机辅助设计方法，将虚拟仿真验证和实物制作同时并举，虚实结合，既能适应现代电子设计的发展要求，又能培养、提高学生的实践技能，以满足实际应用的需要，同时还有助于促进学生认识、理解和巩固所学知识，提高创新意识和创新能力，达到全面培养学生的综合能力和素质的良好效果。
参考文献：
[1]Jinyan Cai Alam，M·S.An algorithm for dividing ambiguitysets for analog fault dictionary IEEE[J].Circuits and Systems，Aug，2008：89-92.
[2]胡荣强，等.PSPICE仿真软件及其在电力电子技术中的应用[J].电子设计自动化，2009，（3）.
[3]孙峻朝，王建莹，杨孝宗.故障注入方法与工具的研究现状[J].宇航学报，2001，22（1）.
[4]Pinjala，K.K.Kim，B.C.An approach for selection of testpoints for analog fault diagnosis[J].IEEE Defect and FaultTol-erance in VLSI Systems，Nov，2003：287-294.
[5]Chakrabarti，S.Cherubal，S.and Chatterjee，A.Fault diagnosisfor mixed-signal electronic systems[J].IEEE Aerospace Confer-ence，March，1999：169-179.
[6]唐人亨.模拟电子系统的自动故障诊断[M].北京：高等教育出版社，1991.
（责任编辑：刘辉）
关键词：虚实结合；数模混合电路；课程设计；PSpice
作者简介：周伟林（1972-），男，湖南东安人，湖南商学院计算机与信息工程学院，副教授；何静（1972-），女，湖北随州人，湖南商学院计算机与信息工程学院，讲师。（湖南 长沙 410205）
中图分类号：G642.41 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0064-02
模拟和数字电子技术是电类专业重要的专业基础课程，担负着各专业课程的承上启下作用。数模混合电路课程设计是电子信息工程专业的首次课程设计，具有十分重要的意义。[1]学生通过综合运用已学模拟和数字电子技术知识，实现功能相对完整的系统设计、安装和调试，从而加深对已学知识的理解和掌握，增强工程意识，提高学生运用理论知识解决实际问题的能力。在传统的数模混合课程设计模式中，学生完成理论设计后便直接进入实物的安装和调试环节。这种模式往往存在电路参数计算繁琐、设计方案不易修改、缺乏灵活性和创新性等弊端，大大拉长了设计周期，降低了设计效率。近年来，随着计算机辅助设计技术的发展，多款用于数、模混合电路仿真软件相继问世，许多基于电路仿真软件的虚拟实验平台也先后被提出。[2]本文将当今流行的电路仿真软件PSpice与数模混合课程设计实践环节相结合，构建了基于PSpice虚实结合数模混合课程设计教学模式，在多年的数模混合课程设计中取得了较好效果。
一、传统的数模混合课程设计模式
在传统数模混合课程设计模式中，学生首先根据设计的功能和技术指标要求确定系统的基本框图，并进一步确定单元电路的选型和器件的参数计算。[3]在确认器件参数计算无误后，便直接进行器件的安装和通电调试，根据调试结果，修改电路和器件参数，再进行安装调试，直到调试结果满足设计要求，设计流程如图1（a）所示。如果调试结果满足设计要求，则大功告成。然而，多数情况却是调试结果达不到设计要求，或相差甚远。于是只能重返器件参数计算，修改器件参数，另选器件后重新安装调试。反复的理论分析、参数计算、频繁的器件更换和系统调试耗费大量的人力、物力，延长了设计周期，降低了设计效率。在首次课程设计中，许多学生因屡受挫折，课程设计积极性大减，工程意识培养效果大打折扣，易在后续的专业课程的学习中产生畏难情绪，甚至对专业失去信心。
二、虚实结合数模混合课程设计模式的提出
针对传统模式数模混合课程设计的不足，我们构建了基于电路设计和仿真软件的虚实结合课程设计模式，设计流程如图1（b）所示。学生首先按照所给的技术指标确定单元电路，在实物制作之前，先借助虚拟仿真平台对电路进行仿真分析，通过仿真结果学生可以判断其设计方案是否正确，若不正确则可反复修改电路及器件参数直到仿真结果满足要求。如果仿真结果满足设计要求，接下来便可以进行实物的安装和调试了。
与传统设计模式相比，虚实结合课程设计模式具有以下显著优势。
1.节约了设计时间，降低了设计成本
虚实结合课程设计模式采用电路仿真软件代替了传统模式中的反复修改电路、更换器件和安装调试这一繁琐过程，从而大大压缩了设计工作量。同时，电路修改和器件更换是在软件平台实现，因而避免了实物的消耗，降低了设计成本。
2.打消了学生害怕心理、增强了课程设计的兴趣
数模混合课程设计是电类专业首次课程设计，在这之前大多数学生只有抽象的理论知识，缺乏对电路的感性认识和实践操作经验，面对功能相对完整的电子系统安装调试，显得信心不足。而在虚实结合课程设计模式中，学生完成理论设计后并不立即进入实物的制作环节，而是先在虚拟实验平台进行仿真分析，对理论设计的正确性进行验证后，再进入实物的安装调试。因此，虚拟实验平台在抽象理论设计和实物实验之间建立了一座桥梁，起到了过渡作用，使学生克服了担心仪器设备损坏和人身安全的心理压力，可以大胆尝试，加深了对电路原理的理解，同时积累了一定实践经验，增强了下一步实物制作的信心。
3.拓宽了学生设计思路，提高了课程设计的创新性
数模混合课程设计时，教师往往要求学生提出几种预选方案，并选择一种方案予以实现。在传统设计模式中，由于受条件限制，学生只能对备选方案停留在粗略的理论论证，无法全面预见各方案的实际运行结果。由于虚拟实验平台不受实物实验条件的限制，学生可以综合运用理论知识，大胆提出创新性方案，并在软件平台上仿真验证，从而大大拓宽了学生的设计思路，增强了课程设计的灵活性和创新性。
三、基于PSpice虚实结合数模混合课程设计模式
电路仿真软件主要有PSpice、PROTEUS、EWB、MULTISIM等。其中，PSpice是一种模拟/数字电路分析软件，系由Spice发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序，它由美国MicroSim公司开发并于1984年1月首次推出。[4]由于PSpice适合于PC上使用，因此得到了广泛的应用，其版本也不断升级更新。在PSpice V4.0之前，主要是对模拟电路进行辅助分析，而在V4.0及以后的版本中，增加了对数字逻辑电路及数模混合电路的分析功能，非常适合对模拟电路和数字电路的仿真分析。
PSpice软件主要包括Schematics 电路图绘制、PSpice AD电路仿真、Model Editor器件模型编辑、Stimulus Editor信号源编辑和Probe仿真结果输出五个功能模块。可以对电路进行直流工作点和直流扫描分析、交流扫描分析、参数扫描分析、温度分析、灵敏度分析、直流传输特性分析和蒙特卡罗分析等仿真分析。[5]下面以简易锯齿波发生器设计为例，介绍基于PSpice软件虚实结合课程设计的具体实施。 设计目的和要求：要求锯齿波幅度为10V、锯齿波频率为50Hz、锯齿波上升和下降斜率可调。根据设计要求，通过查阅相关文献，确定先产生方波信号，再将方波信号进行积分得到锯齿波的设计方案，选用基于集成运放的方波信号产生电路和有源积分电路相级联形式，具体电路如图2所示。
在实物制作之前，在PSpice仿真平台上对电路进行了仿真分析，仿真结果如图3所示。结果表明，输出锯齿波信号幅度决定于电阻R1和R2的取值；而锯齿波的频率则决定于R1、R2、W1、W2和C1的值；在保持W1+W2不变的情况下，改变W1和W2的取值，可改变方波的占空比，从而实现锯齿波上升和下降斜率变化。
经过反复修改关键器件的参数后仿真分析，得到满足要求的锯齿波输出，确定了关键器件的参数为R1=5k、R2=10k、C1=0.4uf。同时，保持W1+W2=10k，改变W1和W2的比值可以得到不同的锯齿波斜率，实际应用中只要用一个10k的电位器代替W1和W2就可方便地调节锯齿波斜率。确定了器件参数后，下一步就可以进行实物的安装调试。由于前期的仿真分析已经得到了正确的电原理图和合适的器件参数，因而后期的实物制作过程就非常顺利了。
四、虚实结合模式中实物实验平台的主体地位
虚实结合模式中实物实验平台的主体地位是绝不能动摇的。首先，数模混合课程设计的目的除了加深学生对已学模拟和数字电子技术理论知识的理解，更重要的是要培养学生的实践动手能力，积累实践经验和掌握实验研究方法，探索和发现人类未知的规律。其次，在实物安装调试过程中可能出现某些异常现象和故障，这些现象和故障不可能在虚拟仿真中一一反映出来，[6]比如上例中由于运放的输入失调引起积分漂移现象，仪器在调试中所表现出的异常现象，电路中的虚焊、开路和短路等故障，这些现象和故障可以培养学生发现、分析和解决实际问题的能力。所以说虚拟仿真不能代替实物操作，就像计算机不能完全代替人一样。虚实结合模式中，“虚”是手段，“实”是目的，实物制作永远是“虚实结合”课程设计模式中最重要的环节。
五、结束语
发挥传统课程设计模式优势的同时引进现代化的计算机辅助设计方法，将虚拟仿真验证和实物制作同时并举，虚实结合，既能适应现代电子设计的发展要求，又能培养、提高学生的实践技能，以满足实际应用的需要，同时还有助于促进学生认识、理解和巩固所学知识，提高创新意识和创新能力，达到全面培养学生的综合能力和素质的良好效果。
参考文献：
[1]Jinyan Cai Alam，M·S.An algorithm for dividing ambiguitysets for analog fault dictionary IEEE[J].Circuits and Systems，Aug，2008：89-92.
[2]胡荣强，等.PSPICE仿真软件及其在电力电子技术中的应用[J].电子设计自动化，2009，（3）.
[3]孙峻朝，王建莹，杨孝宗.故障注入方法与工具的研究现状[J].宇航学报，2001，22（1）.
[4]Pinjala，K.K.Kim，B.C.An approach for selection of testpoints for analog fault diagnosis[J].IEEE Defect and FaultTol-erance in VLSI Systems，Nov，2003：287-294.
[5]Chakrabarti，S.Cherubal，S.and Chatterjee，A.Fault diagnosisfor mixed-signal electronic systems[J].IEEE Aerospace Confer-ence，March，1999：169-179.
[6]唐人亨.模拟电子系统的自动故障诊断[M].北京：高等教育出版社，1991.
（责任编辑：刘辉）