基于 EDA 技术的电子线路设计的改革与实践

发布时间：2022-02-10

　　摘 要：将 EDA 工具软件 Multisim 引入电子线路设计，探讨基于 Multisim 的“虚实结合、软硬兼施”的电子线路设计方法。以低频放大电路设计为例，介绍使用 Multisim 进行电子线路设计、仿真和分析的具体应用。实践表明，利用 Multisim 进行电子线路设计，提高了电子线路设计的效率、可靠性和灵活性，提高了学生的实践创新能力和综合素质。

　　关键词：电子线路设计;EDA;Multisim;实践教学改革

　　电子线路设计是电子技术课程的重要实践环节，具有很强的理论综合性和工程实践性，对学生知识综合运用能力、实践能力和创新意识的培养至关重要[1]。由于电子设计自动化(electronic design automation， EDA)技术的快速发展，设计人员可以借助计算机完成电子线路的原理性设计和仿真，即计算机辅助设计。将 EDA 技术引入电子线路设计，使得电子线路设计变得轻松、灵活和高效，极大地提高了电子线路设计质量和效率，给电子线路设计带来了根本性的变革[2]。

　　1 基于 Multisim 的电子线路设计方法

　　EDA 工具软件 Multisim 是专门用于电子线路分析与设计的虚拟仿真软件，可以进行电路的辅助设计、仿真、分析和功能测试[3]。Multisim 提供了集成设计实验环境，提供了庞大的元器件模型库和种类齐全的虚拟仪器，还提供了强大的分析工具(如最差情况分析、传递函数分析等)[4]，用户自建新元器件也非常方便。

　　基于 Multisim 的电子线路设计基本步骤如下[5]：

　　(1)根据电子线路设计的要求，查阅相关的文献，拟定设计方案，画出原理框图;

　　(2)将电路划分为若干个单元电路，对单元电路进行设计，包括确定电路结构、进行电路参数的计算和元器件的选择等，画出电路图;

　　(3)在 Multisim 环境下搭建实验电路，对电路性能进行仿真测试，根据仿真结果修改和完善设计;

　　(4)进行电路板实物制作，对硬件电路进行调试和数据分析;

　　(5)撰写设计报告。

　　2 电子线路设计实例——低频放大电路设计

　　2.1 设计任务和要求

　　设计一个低频放大电路，性能指标要求为：

　　(1)输入电压 Ui≤10 mV;

　　(2)输出电压 Uo≥0.8 V;

　　(3)闭环电压放大倍数 Auf≥80;

　　(4)负载电阻 RL=2.4 kΩ;

　　(5)输入电阻 Rif≥10 kΩ;

　　(6)输出电阻 Rof≤500 Ω;

　　(7)通频带范围为 200 Hz≤BWf≤3 500 Hz。

　　2.2 低频放大电路设计方案

　　一般单级电路的电压放大倍数为几十，为了改善电路的性能，需加入一定深度的负反馈，故放大倍数要留有余地[6]。本文采用如图 1 所示的带有电压串联负反馈的两级放大电路组成设计电路。第一级为共射放大电路，第二级为静态工作点稳定电路;级间耦合方式为阻容耦合。在第一级引入串联负反馈，以提高输入电阻;第二级引入电压负反馈，以稳定输出电压、减小输出电阻。如果去除反馈作用，只考虑反馈网络的负载效应，可得图 2 所示的基本放大电路[7]。

　　2.3 基于 Multisim 的低频放大电路设计实现

　　在完成电路的初步设计后，在 Multisim 环境下搭建如图 1 所示的低频放大电路虚拟模型，并使用 Multisim 分析工具、虚拟仪器对电路进行仿真调试、指标测试，修正电路和电路参数，直至满足设计要求。

　　2.3.1 静态工作点的测量

　　静态工作点的测量是指测定电路直流通路中各节点电压和各支路电流的大小。系统自动给出各节点序号并显示在电路图中。执行 Simulate/Analysis/DC Operating Point 选单命令，选定所要分析的节点，调节电位器 RP1、RP2 的阻值，可改变第一、二级放大电路的静态工作点。当 RP1 调节至 31%时，第一级节点 1、8 和 11 的直流电压分别为 UCQ1=10.397 V、UBQ1 =1.376 V 和 UEQ1=0.755 V;当 RP2 调节至 20%时，第二级节点 17、9 和 20 的直流电压分别为 UCQ2=6.442 V、UBQ2=4.101 V 和 UEQ2=3.453 V。通过计算三极管发射结、集电结压降，可知 T1、T2 均处于放大状态。

　　2.3.3 频率响应的测量

　　用波特图仪测量电路的幅频特性和相频特性。基本放大电路的幅频特性如图 5 所示。用垂直光标测得中频段电压放大倍数 Aum=49.259 dB，上限截止频率 fH=381.021 kHz，下限截止频率为 fL=37.759 Hz，电路的通频带 BW=fH-fL≈fH =381.021 kHz。

　　用波特图仪测量反馈放大电路的幅频特性如图 6 所示。用垂直光标测得中频段电压放大倍数为 Aumf= 38.624 dB，上限截止频率为 fHf=1.356 MHz，下限截止频率为 fLf=19.359 Hz，电路的通频带为 BWf=fHf -fLf≈fHf=1.356 MHz。

　　可见，引入负反馈后，虽然降低了放大倍数，但展宽了通频带。

　　2.3.4 输入电阻的测量

　　在基本放大电路中，根据电流表 U1 的读数 Ii=0.268 μA、电压表 U2 的读数 Ui=1.626 mV，可得电路无反馈时的输入电阻 Ri=Ui / Ii =1.626 mV/0.268 μA =6.067 kΩ，其值不满足设计要求。

　　在反馈放大电路中，根据电流表 U1 的读数 Ii= 0.251 μA、电压表 U2 的读数 Ui=5.000 mV，可得电路有反馈时的输入电阻 Rif=Ui / Ii =5.000 mV/0.251 μA = 19.920 kΩ>10 kΩ，其值满足设计要求。

　　在基本放大电路中，RR R i B1 i = = 6.067kΩ   ，因偏置电阻 RB1 = 270 +1000 1 31% kΩ = 960kΩ   ( ) 在 级间反馈闭环之外，故不含 RB1 在内的输入电阻 Ri  = 6.106kΩ ;在反馈放大电路中， RR R if B1 if = =   if 960 = 19.92 kΩ  R  ，故不含 RB1 在内的输入电阻 Rif = 20.342kΩ 。验算输入电阻 Rif 如下： R AFR if = ( + ) = 3.383 6.106 = 20.66 k u i   1  

　　考虑偏置电阻 RB1 在内的输入电阻为 RR R if B1 if = = 960 20.66 = 20.22 kΩ   

　　可见，Rif 的仿真实验值与验算值基本相同。负反馈支路的等效电阻 Rif 增大到基本放大电路等效电阻 Ri  的(1+AuF)倍。

　　2.3.5 输出电阻的测量

　　在基本放大电路中，用示波器监视输出波形，在输出波形不失真的情况下，用电压表 U4 测量输出电压。接入负载 RL 时，电压表 U4 的读数为 UL=0.469 V;不接负载 RL 时，电压表 U4 的读数为 Uo=0.950 V。

　　2.3.6 电路参数对放大电路性能的影响

　　借助参数扫描分析可以观察电路参数对放大电路性能的影响，以便对电路的性能进行优化。在反馈放大电路中，执行 Simulate/Analysis/Parameter Sweep 选单命令，在 Parameter Sweep 分析对话框的 Analysis Parameter 页设置分析参数 Ce2 ，在 Output 页选定节点 2 为所要分析的节点。参数扫描分析结果如图 7 所示，自上而下的十条曲线分别对应 Ce2 取值为 10，20，…， 100 μF。从扫描结果可以看出，旁路电容 Ce2 越大，下限截止频率越低。

　　3 借助 Multisim 进行电子线路设计的优势

　　Multisim 仿真平台集原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真于一体，在电子线路设计的应用中有着传统实验室平台不可比拟的优势[8]。

　　(1)Multisim 操作界面简单，在 Multisim 虚拟环境下操作避免了硬件故障，电路的设计与仿真可同步进行，实时完成电路分析、测试和调试，快速、精确地修正和优化电路设计，从而大大缩短了电路设计的周期，学生的综合实践能力以及创新能力得到逐步提升[9]。

　　(2)突破了时间和空间的限制，提高了设计效率。借助一台电脑和一套软件就可以构成一个虚拟的实验工作台，学生可以利用课余时间在教室、宿舍利用电脑自主进行电路设计与仿真。

　　(3)Multisim 软件提供了一般实验室不可能配备的失真分析仪、频谱仪等仪器，提供了参数扫描分析、灵敏度分析等多种分析功能，使学生能够直观、准确、全面地了解设计电路的性能，有助于拓宽学生的思维，提高学生分析问题和解决问题的能力[10]。

　　(4)由于先在 Multisim 环境下进行仿真设计，待得到最佳的设计方案后再搭建实际电路，因而能大大减少仪器设备和元器件的损坏[11]。

　　4 结语

　　利用 EDA 工具进行电子线路的设计，注重仿真实验对硬件实验的指导意义，在实验手段和内容上互为补充，能有效地弥补传统电子线路设计的不足，提升学生的实践动手能力和创新设计能力[12]。在 2017 年全国大学生电子设计竞赛中，我校有 15 个队 45 人参赛，获得北京赛区一等奖 3 项、二等奖 6 项和三等奖 4 项;获得全国一等奖 1 项——我校近 20 年来首次获得该奖项。——论文作者：梁 丽

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