電路設計原理范例

摘　要：鑒于高中電子控制技術教學缺少合適的硬件平臺，在此討論了用AltiumDesigner制作電子線路輔助教學，并以2016年浙江省高考通用技術選考試題為例，介紹了AltiumDesigner的使用和操作，為廣大一線教師提供一定的參考。

關鍵詞：AltiumDesigner；焊接；電路；通用技術

電子控制技術是高中通用技術學科的重要組成部分，該部分以理論知識為基礎，要求學生能夠應用所學知識設計制作電子電路，因此該部分內容需要設置較多的實驗，以讓學生在動手實踐的過程中逐漸掌握電路知識，培養動手能力。然而由于通用技術目前仍缺少適合高中學生動手實驗以及課堂教學的硬件平臺，實驗往往難以開展。一些學校會用面包板、洞洞板等作為載體，但面包板、洞洞板只適合涉及少量元器件的電路，元器件數量一多，導線連接就會非常復雜、容易出錯，即使有學生千辛萬苦將線路連接正確，也會因為引腳接觸不良、連焊、虛焊等問題導致電路無法正常工作。這些問題極容易打擊學生學習的積極性，況且大多數高中學生的動手能力是十分有限的，因此嚴重影響了教學效果。AltiumDesigner(簡稱AD軟件)是一款應用十分廣泛的電路設計制作軟件[1]，它可以將電路設計原理圖轉化成PCB圖，再將制作完成的PCB圖交予電路板印制工廠或者網店，就可以獲得對應的PCB電路板，這樣就解決了復雜電路布線問題導致的電路故障難題，實驗時只需確保各個元器件焊接正確完整即可驗證電路。從學生學習角度出發，用AD軟件制作PCB電路板用于電子控制技術教學，不僅可以適當降低實驗難度，專注于提高學生電路設計能力、動手操作能力，還能拓展學生的知識面；從教師教學角度出發，豐富實驗教學的內容，提高課堂教學的效率。

一、AD軟件介紹

隨著現代電子技術的發展，電子線路的設計變得異常復雜，用計算機輔助設計電子線路是必然趨勢，許多大學甚至還開設了電子線路設計軟件應用的課程[2]。AD軟件作為一款主流電子線路設計軟件，擁有非常強大的電子電路設計功能。它在Protel的基礎上優化了界面交互設計，拓展了多項功能。AD軟件功能較多，包括原理圖庫設計功能、印刷電路板設計功能、嵌入式開發功能、3DPCB設計功能、封裝庫設計功能。

二、用AD軟件制作PCB電路的過程

用AD軟件設計PCB電路板的思路是十分清晰的[3]：首先，需要創建原理圖庫和封裝庫；其次，將原理圖庫和封裝庫整合在一起生成集成庫文件；最后，用這個集成庫設計電路原理圖和PCB圖，設計制作完成的PCB圖就可以拿去讓電路板印制工廠或網店加工。本文以2016年浙江省高考通用技術選考第17題的電路圖為例，介紹AD軟件繪制PCB電路板的過程，圖1是電路原理圖。

摘要：電工電子技術課程教學中涉及講授的類型較多，這些結構在實際中的應也有所不同，為此結合功能設計需求提出對教學內容設置的優化方案。文章首先總結歸納了電工電子技術構件的功能并以此進行分類；其次結合實際中不同設計方案建立電路設計結構譜圖；最后針對譜圖在設計中的應用程度實現對教學內容及知識的體系化構建。以面向電路設計功能實現而提出的結構譜圖方法將梳理在實際教學中電工電子技術授課的側重性并有助于指導學生在學習該課程的過程中積累更多的關于電路設計結構配置的基礎知識。

關鍵詞：電工電子技術；教學方法；電路設計；結構譜圖

現代電路設計是功能驅動的設計，在電路設計過程中存在知識的流動，而基礎的電路結構中的原理知識多數來自對已有的專業課程學習[1]。已有的研究中對教學內容的設置主要是從創新設計、工程實踐應用、實踐教學方法改進等方面談及的，缺少結合具體的電路設計應用這些原理方法及其對設計的指導作用角度的教學設置和知識體系[2]，為此本文擬提出結構譜圖的電路設計方法分析，并以此來對電工電子技術的教學知識體系進行梳理和歸納，以更好地提高教學效率和產生好的教學結果。

1結構譜圖的電路設計方法

電路設計結構圖譜必須具備的要素為功能、屬性及關聯；其中功能和屬性定義出構件在圖譜中的位置，關聯則給出了構件與構件之間的關系。因為在電路設計的過程中，對于構件的選擇，最重要的是設計者要知道其所能發揮的功能及其在電路系統內的各種特性，才能選擇正確適合的構件，而關聯則是在組合各構件時的必要關系，掌握了構件間的關聯才能正確地組合所有的構件，所以在電路設計圖譜之中，必須明確地將此3種性質表現出來，以幫助設計者獲得所需要的信息。電路結構圖譜的設計方法核心為構建該譜圖（見圖1），其步驟如下。

1.1決定構件分類

為了將具體的電路構件抽象化以表現在電路設計圖譜上，以取代繁多的電路構件，需要先決定電路構件的類別。決定類別的方式，需考慮在概念設計時間，對建立功能結構的需求，因此需要以功能作為構件的類別，將電路構件依功能分類，把同樣功能的構件集合在一起，以一個功能類別來代表。

摘要：針對《射頻電路基礎》課程的課堂教學內容，設計了16個學時的基于ADS軟件的實驗教學內容。相關實驗與課堂教學結合緊密、實踐性強，實施后提高了教學效果。

關鍵詞：射頻電路設計；實驗教學；先進設計系統

一、引言

近年來，隨著通信技術和計算機技術的迅猛發展，電子系統的工作頻率越來越高，射頻電路應用廣泛，國內外都嚴重缺乏從事射頻電路設計的專業人才，目前相關課程已經廣泛在國內外高校開設[1]?！渡漕l電路基礎》是我校在2014年通信工程專業本科培養方案中新開設的針對大三學生的限選課程，開設目的是希望通過傳授射頻電路基礎知識，為學生就業和升學提供一個“新”的方向，同時將本專業的與電路設計相關的教學內容，從《電路分析》關注的低頻領域和《高頻電子線路》關注的高頻領域，擴展到射頻領域的電路設計。本門課程的學時情況是：課堂教學32個學時，實驗教學16個學時。

二、《射頻電路基礎》的課堂教學內容

課堂教學內容分為6章：第1章講主要講述射頻電路設計的背景、射頻頻譜范圍、基本量綱和單位、無源元件的射頻特性。第2章主要講述傳輸線理論，包括等效電路模型、傳輸線方程、特性阻抗和反射系數、典型終端條件等。第3章講述史密斯圓圖，包括阻抗圓圖和導納圓圖、圓圖上的串并聯頻率響應等。第4章講授匹配網絡設計，包括各種匹配方案和匹配網絡中的帶寬問題。第5章講授多端口網絡和散射參量。第6章講授射頻放大器設計，包括射頻放大器的分類、特性指標、直流偏置電路設計、功率關系、匹配電路設計、穩定性判別等內容。可以看出，本門課程涵蓋了射頻電路設計領域的基礎概念和理論、基本設計原則和方法，課堂教學之外必須設計對應的實驗教學內容以加深學生對課程知識點的掌握，同時實驗教學中需要傳授射頻電路設計工具的使用。

三、《射頻電路基礎》的實驗教學設計

一、Multisim在《數字電子技術》課程設計教學中的優勢

Multisim開放虛擬電子實驗室中提供了大量豐富的虛擬儀器儀表、元件庫，不僅為模電、數電、模數混合電路、單片機電路等提供了立體化設計平臺，更具有強大的仿真分析功能。學生可以做到邊設計邊仿真實時觀察運行結果驗證電路的合理、正確性。且排故和修改電路結構、增減元器件等也只需動動鼠標即可，省時、省力、省材。學生可以無所顧忌大膽嘗試用不同型號元器件進行不同方案的設計。提高設計效率同時激發了學生不斷探索創新的精神，設計過程充滿了挑戰和樂趣，從而使設計過程更加科學規范，提高了學生綜合分析設計能力。

二、Multisim在《數字電子技術》課程設計教學中的應用

《數字電子技術》課程設計教學通常按教師根據不同設計題目下達主要設計任務、學生收集資料、確定設計方案、設計繪制電路圖、電路制作、調試，最后撰寫設計報告等步驟進行。通常一個班級會有多個設計題目如數字鐘、交通燈、搶答器等。根據設計題目的不同將學生分為不同組，整個教學中以學生自主設計學習為主，以教師給予一定的理論知識與技能輔導為輔。Multisim主要應用在課程設計教師教學輔導和學生學習兩方面。

(一)Multisim應用在課程設計教師教學輔導中

主要體現集中教學輔導和按課題不同分組教學輔導。集中教學輔導中教師可以通過某個電路仿真設計案例的動態演示向學生講解電子產品電路的常規設計方法、電路設計過程及規范繪制電路圖的方法并使學生掌握對Multisim軟件的使用方法等。按課題不同分組教學輔導主要針對不同課題組學生對指定課題進行小組或個別教學輔導。通過對相關電路仿真案例演示，明確設計任務要求并向學生講解單元電路功能原理和總電路結構原理、設計思路和方法，以便為學生獨立設計提供幫助與參考，使學生對要設計的電子產品有系統性的認識。分組教學環境相對開放與放松，教師可以面對面對學生進行輔導。利用Multisim講解單元電路時，要突出電路的主要功能原理分析，不用象在課堂教學中講得那么詳細，否則容易束縛學生的思維，應給學生留有充分想象、思考和拓展的空間，使其具有舉一反三的能力，教師可以提供參考性的建議。

(二)Multisim應用在學生電路設計學習過程中

【摘要】針對地方應用型高校通信工程專業實驗教學中出現的設備昂貴、更新換代慢等問題，建設以電路設計、信號處理、工程實踐與虛擬現實平臺為內容的虛擬仿真實驗室。虛擬仿真實驗室的教學內容更加豐富，學生能夠充分發揮學習的主觀能動性，在虛擬實驗環境中完成專業知識的學習和專業技能的訓練，教學效果較好。

【關鍵詞】地方高校；虛擬仿真；實驗室建設；通信工程

0引言

培養地方經濟和社會發展所需的德才兼備的人才，是地方應用型本科高校人才培養的主要目標。近年來，信息與通信技術（InformationandCommunicationsTechnology，ICT）在全球范圍內快速發展。我國新一代信息技術的發展、智慧城市的建設和工業信息化的發展等，對我國ICT人才提出了數量和質量上的雙重要求。為響應國家戰略，滿足地方區域發展需求，常州工學院立足培養地方ICT行業急需的應用型本科人才，大力開展通信工程專業虛擬仿真實驗室建設。在將前沿信息技術與專業課程、人才培養方案相結合，充實課堂教學，更新學生知識結構，培養學生綜合素質等方面，發揮了重要的促進作用。

1通信工程專業實驗教學現存問題分析

通信工程專業是ICT領域的主干專業，課程體系的實踐性與應用性要求強。地方應用型高校通信工程專業的人才培養目標是培養具有較好的專業基礎知識和技能，具備良好的專業實踐和創新能力的高素質人才。筆者通過調研，結合教學經驗對地方應用型高校通信工程專業實驗教學現存問題進行了總結。

（1）實驗與實踐教學設備技術含量高，購置及維護成本高。通信工程專業實驗室的低頻通用設備儀器包括穩壓電源、信號源、掃頻儀、萬用表、示波器等，這類儀器設備已完全國產化，價格適中，質量優良，配套服務完善，高校一般都可以較為輕松地完成該類儀器設備的購置、維護及更新。但電子信息產業發展迅猛，微波、毫米波頻率的衛星通信技術在世界范圍內迅速發展，價格高昂、國產化程度不高的甚高頻、射頻及微波設備，如頻譜分析儀、網絡分析儀、信號源等價格較高，地方高校通常難以滿足搭建綜合測試平臺，以及組建綜合射頻實驗室設備的需求，通信工程專業的實驗教學面臨硬件不足的現實問題。

摘要:“數字集成電路設計與驗證”是一門微電子方向研究生重要的學科基礎課，具有很強的工程實踐性。如何讓學生全面掌握整個數字集成電路設計流程及設計方法并具備分析和解決問題的能力是本課程教學的難點。本文提出了基于真實工程項目設計的案例式教學方法，開展了歷時三年的教學改革研究與實踐。研究數據表明該方法能顯著提高學生的設計和分析能力，但對不同水平學生的受益程度存在差異。文章最后給出了進一步改進教學方法的幾點建議。

關鍵詞:集成電路;案例教學;Cache控制器

0引言

集成電路包括模擬集成電路和數字集成電路。其中數字集成電路發展異常迅速，已形成了一整套標準的工業化設計流程。標準流程包括:系統設計、邏輯設計、邏輯綜合、版圖設計和布局布線。在這個流程中，還伴隨著必不可少的設計模擬、功能驗證、時序分析和功耗分析等驗證、分析工作。以上各環節相互交織、相互印證并經常需要多次迭代，才形成了一個完整的工業化流程，用以保證根據該流程設計生產出來芯片的質量。面對如此復雜的流程，在有關數字集成電路教學中如何讓學生對流程各階段的原理融會貫通并具備分析和解決問題的能力是一個難點。“數字集成電路設計與驗證”課程是我校計算機學院微電子學與固體電子學專業碩士研究生的學科基礎課程，內容包括數字集成電路的硬件描述、驗證、綜合、物理設計的基本概念、基本方法和實現算法。本文以此課程為實踐平臺，提出和實踐了在教學中引入真實項目設計案例配合理論講授的教學方法，并對教學考查結果進行了分析和思考。

1教學現狀

目前國內各大高校普遍開設了集成電路課程，也針對相關課程教學方法展開了研究。文獻［1］提出了如何通過構建設計案例來提高學生的學習興趣從而進一步激發其開展自主學習;文獻［2］提出了如何在課程中面向個體差異、有的放矢的教學思路;文獻［3］探討了在集成電路設計實驗中采用研究型實驗教學模式的方法和對學生及教師的要求;文獻［4］探索了如何利用新的課程考核方法促使學生提高動手能力;文獻［5］探索了項目教學法在實際教學中的應用;文獻［6］論述了案例教學法對工程類課程教學的實踐要求并探討了為提高教學效果需采用的保障措施。上述研究從案例研究、考核方法和差異化教學等多個角度探索了針對集成電路課程的教學改進方法，本文將在此基礎上針對課程特點做進一步的教學探討。在以前數字集成電路課程的教學設計中，教師會對數字集成電路每個設計階段的概念和原理進行講解，并分別用不同的例子引導學生理解這些理論和使用技巧。根據幾年的課程積累和學生反饋，我們發現，學生在掌握課程基本原理的同時，對設計流程各階段的內在聯系認識并不透徹，多個知識點不能有機融合，分析問題和解決問題的能力培養也尚有不足。而學生完成課程進入研究或課題后，因為經驗不夠往往接觸到的是初級單一的設計或驗證工作，很少有機會從事全流程的設計規劃工作。這導致其在做設計或驗證工作時只見樹木不見森林，無法從系統的角度分析和解決問題，最終無法得到最優的設計結果。因此，如何使學生在掌握數字集成電路設計各知識點的前提下能對各設計階段進行有機銜接是課程中的難點，我們通過在課程講授中貫穿一個真實項目中的設計案例來幫助學生進行理論學習的同時，更深入地了解集成電路設計的全流程、培養分析解決問題的實踐能力。

2課程設計

摘要

本文對目前在電子電氣通信專業的課程高頻電子線路實驗提出了改進思路，針對目前在實驗中采用軟件仿真代替搭建實驗電路的流行做法，提出了商榷。本文建議在低年級短學期階段讓學生接觸電路板制作、高頻防電磁干擾設計準則，通過制作通用高頻電路板并調試高頻電路，接觸高頻電路設計，激發學生今后學習電路的興趣，培養電路調試能力，縮短未來高頻電路實驗需要的時間，在高頻實驗中將軟件仿真和電路搭建調試結合，用軟件仿真驗證理論知識，用搭建電路實現功能。

關鍵詞

電子線路；實驗；仿真；電路搭建

1前言

高頻電子線路課程，又稱通信電子線路，是高校電子、電氣、通信專業的必修課程，由于該課程工程實踐性較強，通常必須配有相應的實驗課程。通過調查目前國內高校針對該課程相應的實驗課程設計，我們發現目前該課程理論階段一般設置課時為36-64學時，而相應的實驗通常有10-24課時。高頻電路類似于樂高積木，即其每個部分基本功能實現都具有固定的經典電路，整體電路設計需要根據電路參數計算，在每個功能部分從幾個經典電路中選擇合適的一個即可，這樣多個基本功能電路采用樂高積木般組合搭建而成最終電路，這點與低頻電路不同，低頻電路很多時候需要自己設計，而高頻主要還是“搭積木”。這樣看似乎該課程實驗很簡單，其實不然，在很多側重理工的大學（通常這類大學對該課程要求更高、賦予更多課時），該課程和對應的實驗課均被稱為“殺手課程”，很多學生提起來都頭疼。高頻電路實驗主要是對教授的經典電路進行驗證，因此設計部分不是難點，實驗的難點在于如何成功調試電路。在實際實驗中常常會出現設計驗證成功，但電路不成功的情況，比如高頻振蕩電路無論如何都無法起振、功率放大電路輸出信號嚴重失真等現象，這源于高頻電路中電磁干擾很嚴重，為消除電磁干擾對走線的粗細、走線的拐角、電源線的布設位置、接地處理、哪里需要添加去耦合電容、去耦合電容的容值選取多大等等均需要經驗，因此有種說法：“能設計開發模擬高頻電路的工程師如同老中醫，越老越珍貴。”而這些知識理論上很容易，遠比高頻電路設計計算容易理解，但實際應用時頗有“大音希聲，大象無形”的感慨———飄渺難以把握的感覺，調試相同的2個PCB版，一個很容易就調通了，另一個無論如何效果不好。

2當前實驗課程設計現狀及問題

摘要：疫情期間為了響應教育部“停課不停學”號召，大連海事大學信息學院“微機單片機”課程教學團隊充分發揮團隊優勢，在多年開展數字化教學資源建設的基礎上，利用Protues結合Keil建立線上虛擬實驗仿真平臺，設計了一系列典型題目，本文以汽車防盜報警系統設計為例，闡述學生單片機課程設計的學習過程，電路設計思想。同時團隊充分利用“雨課堂”教學工具、騰訊課堂、騰訊會議和網上MOOC視頻資源積極開展線上課程建設，通過建立QQ，微信群線上答疑解惑，提高課程教學質量，收到良好的授課效果。

關鍵詞：線上教學；Protues；Keil虛擬實驗

為了響應教育部“停課不停學”號召，大連海事大學人事處教師發展中心、教務處現代化教育技術中心成立了大連海事大學“停課不停學”保障支持團隊，在保障團隊的支持和領導下，課程組利用Protues結合Keil建立線上虛擬實驗仿真平臺，并使用“雨課堂”教學工具、騰訊課堂、騰訊會議等軟件開展線上教學。

一、課前準備

開課前，課程教學團隊根據課程的特點制定了以學生自主學習為主，教師線上答疑相結合的在線教學執行方案。根據教學內容統一安排了教學進度，研討確定了教學團隊、教師、學生的任務。任課教師需要完成每個教學班級課程QQ群和微信群的建立，建立好教師與學生實時溝通的渠道，并通過學校BB（Blackboard）系統和雨課堂教學工具，將教材內容、教學課件、軟件安裝包、軟件使用說明和重要知識點線上MOOC視頻資源提前推送給學生，供學生自主學習使用。

二、在線授課實施過程

（一）學生自主學習，教師直播授課。學生需要在教師授課前通過MOOC視頻資源完成自主學習，熟悉理論知識，安裝好仿真軟件并熟悉其使用方法。絕大部分同學能夠完成自主學習，很多同學在學習過程中，會在QQ和微信學習群留言自己哪些地方沒太看懂，仿真軟件的操作問題、對教學計劃和考核要求不清楚等問題，教師需要時時地進行輔導答疑，不輕視每一個問題，切實讓學生感覺到老師就在身邊，建立以學生為中心的情感互動。教師通過騰訊課堂進行直播授課，課程設計題目，講解單片機課程設計的時間安排，課設的內容，工具的使用，課設的一般設計過程，實驗過程中需要注意的問題等等。