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。
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。
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。
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。
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：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：所有的电路方框图都是使用工具（Tools）菜单中的截取屏幕区域（Capture Screen Area）功能直接从Multisim中截取的。
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：所有的电路方框图都是使用工具（Tools）菜单中的截取屏幕区域（Capture Screen Area）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
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。
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，第三级
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
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，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。
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，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。
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β值对2N4401发射极内阻的依赖从而提供了额外的保护以防止β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：
RE1通过取消β值对2N4401发射极内阻的依赖从而提供了额外的保护以防止β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。
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
在极高频率时共发射极BJT放大器的输入阻抗由下式确定：
在极高频率时共发射极BJT放大器的输入阻抗由下式确定：
其中rπ定义为β0/gm，且β0是低频时的电流增益。对于2N4401来说这个参数就是其技术文档中所提供的hFE参数。对于实验前的计算来说，假设β0值为150。
跨导gm由IC/VT决定，其中IC是集电极偏置电流，VT是热电压，或者在室温情况下大约为25 mA。
同样，使用直流负载线和Q点可得到IC = 13mA，以及rπ = 281?。根据输入电阻的表达式以及所选择的全部电阻值，我们可以计算得到ri值大约为1300 ?。
增益
在极高频率时发射极电容将会与大地短路，且放大器的电压增益由下式确定：
在确定了上述表达式中的所有数值后，我们计算得到第三级的Av值为-10.9 V/V。这个增益值可以轻松地通过Multisim中的仿真得以测量。通过使用连接到测试电路的虚拟示波器，我们在已完成的仿真电路中测得增益值为-10.7，如下面图10所示。这两个数值之间的差异来源于舍入误差。我们的手工计算对真实值给出了一个较好的估计值，然而仿真值应该更为准确。
图10：第三级增益计算的仿真结果
电容的选择
电容值的选择将影响放大器的频率响应。它们必须允许范围在80Hz到22 kHz内的音频。这些值将影响到放大器的时间常量。
通常所使用的电容值，即CE = 100 μF和CIN = COUT = 10 μF，提供了合适的交流特性。
CIN的目的是为直流偏置电压隔离较小的输入信号。COUT的目的是在各级之间以及最后一级和输出之间提供相同的隔离功能。CE的目的是旁路第二个发射极电阻，从而在高频时为发射器与大地之间创建一个更好的通路。
总结
第三级的各个数值如下所示：
电容值的选择将影响放大器的频率响应。它们必须允许范围在80Hz到22 kHz内的音频。这些值将影响到放大器的时间常量。
通常所使用的电容值，即CE = 100 μF和CIN = COUT = 10 μF，提供了合适的交流特性。
CIN的目的是为直流偏置电压隔离较小的输入信号。COUT的目的是在各级之间以及最后一级和输出之间提供相同的隔离功能。CE的目的是旁路第二个发射极电阻，从而在高频时为发射器与大地之间创建一个更好的通路。
总结
第三级的各个数值如下所示：
表1：第三级BJT放大器的特征参数
BJT放大器，第2级
第二级放大器与第三级拥有相同的拓扑结构，但具有不同的元件值。
因为本应用文档所详细分析的是某大学实际教学中所教授的真实实验，所以我们有意地省略了关于第二级放大器的详细信息，而只是简单地提供了所选择的元件值。第二级的各个元件值选择如下所示：
因为本应用文档所详细分析的是某大学实际教学中所教授的真实实验，所以我们有意地省略了关于第二级放大器的详细信息，而只是简单地提供了所选择的元件值。第二级的各个元件值选择如下所示：
表2：第二级BJT放大器的特征参数
JFET级
下面的图11示出了共源极JFET放大器的拓扑结构
图11：带负载电阻的共源极JFET放大器级
同样，我们省略了关于这一级设计的详细信息以保留对学生所存在的设计挑战。如下所示的表3给出了第一级中所选择的参数。
表3：第一级JFET放大器的特征参数
完整的系统
在设计并仿真每个单独的放大器级之后，我们把这些级连接在一起并进行一些必要的调整以确保我们的设计能够满足所要求的特性。而且，我们也对所设计电路的交流响应进行了仿真。
如下所示的图12表明了整个系统的增益。这个增益的估算值为149.2 V/V，正好处于设计要求（150 V/V）的0.5%范围内。
下面的图13和图14示出了整个系统的幅度和频率响应曲线。幅度响应曲线表明了在80Hz至20kHz的音频范围内系统具有一致的增益。
如下所示的图12表明了整个系统的增益。这个增益的估算值为149.2 V/V，正好处于设计要求（150 V/V）的0.5%范围内。
下面的图13和图14示出了整个系统的幅度和频率响应曲线。幅度响应曲线表明了在80Hz至20kHz的音频范围内系统具有一致的增益。
图12：系统增益
图13、系统交流幅度响应曲线（dB）
图14：系统交流相位响应曲线（deg）
虚拟原型设计及使用NI ELVIS进行原型设计
使用虚拟的NI ELVIS原型设计环境可以确保平滑过渡到真正的原型设计。通过给学生们提供一个他们所设计电路的虚拟表示，他们能够快速地理解符号是如何与真正的元件相关联的。
Multisim对虚拟的原型设计电路也提供了设计准则检查，从而告诉学生连线错误并节省在实验室中的宝贵时间。一旦在三维环境中放置并连接元件，元件和网络就会变成绿色以表明操作成功。这可用作学生实验中连线正确与否的双重检查。
提示：为了创建一个虚拟的NI ELVIS电路原理图以及与之相应的电路试验板，选择File/New/NI ELVIS Schematic。您可以向NI ELVIS模版中轻松地复制和粘贴已有的电路。
如下所示的图15和图16显示了三维的原型设计图以及相应的NI ELVIS电路原理图。
Multisim对虚拟的原型设计电路也提供了设计准则检查，从而告诉学生连线错误并节省在实验室中的宝贵时间。一旦在三维环境中放置并连接元件，元件和网络就会变成绿色以表明操作成功。这可用作学生实验中连线正确与否的双重检查。
提示：为了创建一个虚拟的NI ELVIS电路原理图以及与之相应的电路试验板，选择File/New/NI ELVIS Schematic。您可以向NI ELVIS模版中轻松地复制和粘贴已有的电路。
如下所示的图15和图16显示了三维的原型设计图以及相应的NI ELVIS电路原理图。
图15：虚拟的三维NI ELVIS电路试验板及完整的原型设计
图16：表示完整设计的NI ELVIS电路原理图（连线和元件呈绿色）
使用NI ELVIS进行原型设计
我们可以在NI电路试验板上使用真正的元件来建立完整的电路。
测量
NI ELVIS软件前面板或虚拟仪器是一种出色的快速测量电路原型设计的方法。
如下所示的图17和图18显示了使用NI ELVIS示波器测量电路的增益。每个情况下的通道A（下面的曲线）是激励源，而每个情况的通道B（上面的曲线）则是响应。
NI ELVIS软件前面板或虚拟仪器是一种出色的快速测量电路原型设计的方法。
如下所示的图17和图18显示了使用NI ELVIS示波器测量电路的增益。每个情况下的通道A（下面的曲线）是激励源，而每个情况的通道B（上面的曲线）则是响应。
系统增益的测量值为144.39 V/V，位于目标值150 V/V ±10 %的3.74 %范围内。下面的表4给出了仿真值与测量值之间的对比。
表4：仿真值与测量值之间的对比
图17：第一级增益的测量值
图18：系统增益的测量值
图19：系统频率响应的测量值
比较仿真值和测量值
为了比较仿真值和测量值，我们使用NI SignalExpress来完成，即一个直观的向导式（step-by-step）测量工具。SignalExpress是一个简单且直观的环境以使得用户可轻松地配置测量。SignalExpress也允许用户载入Multisim仿真数据。在下面的图20中，我们比较了整个系统增益的仿真值和测量值。一旦正确配置，SignalExpress即可自动地计算偏差百分比。
SignalExpress所具有的强大功能意味着一旦学生建立好他们的测量系统，他们就可以轻松地比较各种设计方案。他们无需重新配置他们的仪器就可以轻松地对给定的电路进行一系列测试。只需要简单地向SignalExpress环境中载入特定的工作文件（workbench），给定的测量就可以即刻执行。
图20：自动计算偏差百分比
总结和结论
在本设计过程中，集成化实验室帮助我们进行了直观的仿真以及快速的测量。对于检查那些需要进行反复设计的计算值来说，Multisim是一个极其宝贵的工具，而且它能够在使用真正的元件进行电路原型设计之前给予设计者极大的信心。在NI ELVIS上完成原型设计之后，强大的虚拟仪器可以完成相关电路特性的快速测量。利用NI SignalExpress，我们能够在同一个屏幕上直接地比较仿真值和测量值。
另请参阅：
NI Multisim 软件下载
NI Multisim 软件下载
