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NI 电子学教育平台简介及实例分析 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 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，第二级 5. JFET 级 6. 完整的系统 7. 虚拟原型设计和使用NI ELVIS 进行原型设计 8. 比较仿真值和测量值 9. 总结和结论 10. 参考资料 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，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。 [+] 放大图片 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。