电路设计原理范例

摘　要：鉴于高中电子控制技术教学缺少合适的硬件平台，在此讨论了用AltiumDesigner制作电子线路辅助教学，并以2016年浙江省高考通用技术选考试题为例，介绍了AltiumDesigner的使用和操作，为广大一线教师提供一定的参考。

关键词：AltiumDesigner；焊接；电路；通用技术

电子控制技术是高中通用技术学科的重要组成部分，该部分以理论知识为基础，要求学生能够应用所学知识设计制作电子电路，因此该部分内容需要设置较多的实验，以让学生在动手实践的过程中逐渐掌握电路知识，培养动手能力。然而由于通用技术目前仍缺少适合高中学生动手实验以及课堂教学的硬件平台，实验往往难以开展。一些学校会用面包板、洞洞板等作为载体，但面包板、洞洞板只适合涉及少量元器件的电路，元器件数量一多，导线连接就会非常复杂、容易出错，即使有学生千辛万苦将线路连接正确，也会因为引脚接触不良、连焊、虚焊等问题导致电路无法正常工作。这些问题极容易打击学生学习的积极性，况且大多数高中学生的动手能力是十分有限的，因此严重影响了教学效果。AltiumDesigner(简称AD软件)是一款应用十分广泛的电路设计制作软件[1]，它可以将电路设计原理图转化成PCB图，再将制作完成的PCB图交予电路板印制工厂或者网店，就可以获得对应的PCB电路板，这样就解决了复杂电路布线问题导致的电路故障难题，实验时只需确保各个元器件焊接正确完整即可验证电路。从学生学习角度出发，用AD软件制作PCB电路板用于电子控制技术教学，不仅可以适当降低实验难度，专注于提高学生电路设计能力、动手操作能力，还能拓展学生的知识面；从教师教学角度出发，丰富实验教学的内容，提高课堂教学的效率。

一、AD软件介绍

随着现代电子技术的发展，电子线路的设计变得异常复杂，用计算机辅助设计电子线路是必然趋势，许多大学甚至还开设了电子线路设计软件应用的课程[2]。AD软件作为一款主流电子线路设计软件，拥有非常强大的电子电路设计功能。它在Protel的基础上优化了界面交互设计，拓展了多项功能。AD软件功能较多，包括原理图库设计功能、印刷电路板设计功能、嵌入式开发功能、3DPCB设计功能、封装库设计功能。

二、用AD软件制作PCB电路的过程

用AD软件设计PCB电路板的思路是十分清晰的[3]：首先，需要创建原理图库和封装库；其次，将原理图库和封装库整合在一起生成集成库文件；最后，用这个集成库设计电路原理图和PCB图，设计制作完成的PCB图就可以拿去让电路板印制工厂或网店加工。本文以2016年浙江省高考通用技术选考第17题的电路图为例，介绍AD软件绘制PCB电路板的过程，图1是电路原理图。

摘要：电工电子技术课程教学中涉及讲授的类型较多，这些结构在实际中的应也有所不同，为此结合功能设计需求提出对教学内容设置的优化方案。文章首先总结归纳了电工电子技术构件的功能并以此进行分类；其次结合实际中不同设计方案建立电路设计结构谱图；最后针对谱图在设计中的应用程度实现对教学内容及知识的体系化构建。以面向电路设计功能实现而提出的结构谱图方法将梳理在实际教学中电工电子技术授课的侧重性并有助于指导学生在学习该课程的过程中积累更多的关于电路设计结构配置的基础知识。

关键词：电工电子技术；教学方法；电路设计；结构谱图

现代电路设计是功能驱动的设计，在电路设计过程中存在知识的流动，而基础的电路结构中的原理知识多数来自对已有的专业课程学习[1]。已有的研究中对教学内容的设置主要是从创新设计、工程实践应用、实践教学方法改进等方面谈及的，缺少结合具体的电路设计应用这些原理方法及其对设计的指导作用角度的教学设置和知识体系[2]，为此本文拟提出结构谱图的电路设计方法分析，并以此来对电工电子技术的教学知识体系进行梳理和归纳，以更好地提高教学效率和产生好的教学结果。

1结构谱图的电路设计方法

电路设计结构图谱必须具备的要素为功能、属性及关联；其中功能和属性定义出构件在图谱中的位置，关联则给出了构件与构件之间的关系。因为在电路设计的过程中，对于构件的选择，最重要的是设计者要知道其所能发挥的功能及其在电路系统内的各种特性，才能选择正确适合的构件，而关联则是在组合各构件时的必要关系，掌握了构件间的关联才能正确地组合所有的构件，所以在电路设计图谱之中，必须明确地将此3种性质表现出来，以帮助设计者获得所需要的信息。电路结构图谱的设计方法核心为构建该谱图（见图1），其步骤如下。

1.1决定构件分类

为了将具体的电路构件抽象化以表现在电路设计图谱上，以取代繁多的电路构件，需要先决定电路构件的类别。决定类别的方式，需考虑在概念设计时间，对建立功能结构的需求，因此需要以功能作为构件的类别，将电路构件依功能分类，把同样功能的构件集合在一起，以一个功能类别来代表。

一、Multisim在《数字电子技术》课程设计教学中的优势

Multisim开放虚拟电子实验室中提供了大量丰富的虚拟仪器仪表、元件库，不仅为模电、数电、模数混合电路、单片机电路等提供了立体化设计平台，更具有强大的仿真分析功能。学生可以做到边设计边仿真实时观察运行结果验证电路的合理、正确性。且排故和修改电路结构、增减元器件等也只需动动鼠标即可，省时、省力、省材。学生可以无所顾忌大胆尝试用不同型号元器件进行不同方案的设计。提高设计效率同时激发了学生不断探索创新的精神，设计过程充满了挑战和乐趣，从而使设计过程更加科学规范，提高了学生综合分析设计能力。

二、Multisim在《数字电子技术》课程设计教学中的应用

《数字电子技术》课程设计教学通常按教师根据不同设计题目下达主要设计任务、学生收集资料、确定设计方案、设计绘制电路图、电路制作、调试，最后撰写设计报告等步骤进行。通常一个班级会有多个设计题目如数字钟、交通灯、抢答器等。根据设计题目的不同将学生分为不同组，整个教学中以学生自主设计学习为主，以教师给予一定的理论知识与技能辅导为辅。Multisim主要应用在课程设计教师教学辅导和学生学习两方面。

(一)Multisim应用在课程设计教师教学辅导中

主要体现集中教学辅导和按课题不同分组教学辅导。集中教学辅导中教师可以通过某个电路仿真设计案例的动态演示向学生讲解电子产品电路的常规设计方法、电路设计过程及规范绘制电路图的方法并使学生掌握对Multisim软件的使用方法等。按课题不同分组教学辅导主要针对不同课题组学生对指定课题进行小组或个别教学辅导。通过对相关电路仿真案例演示，明确设计任务要求并向学生讲解单元电路功能原理和总电路结构原理、设计思路和方法，以便为学生独立设计提供帮助与参考，使学生对要设计的电子产品有系统性的认识。分组教学环境相对开放与放松，教师可以面对面对学生进行辅导。利用Multisim讲解单元电路时，要突出电路的主要功能原理分析，不用象在课堂教学中讲得那么详细，否则容易束缚学生的思维，应给学生留有充分想象、思考和拓展的空间，使其具有举一反三的能力，教师可以提供参考性的建议。

(二)Multisim应用在学生电路设计学习过程中

【摘要】针对地方应用型高校通信工程专业实验教学中出现的设备昂贵、更新换代慢等问题，建设以电路设计、信号处理、工程实践与虚拟现实平台为内容的虚拟仿真实验室。虚拟仿真实验室的教学内容更加丰富，学生能够充分发挥学习的主观能动性，在虚拟实验环境中完成专业知识的学习和专业技能的训练，教学效果较好。

【关键词】地方高校；虚拟仿真；实验室建设；通信工程

0引言

培养地方经济和社会发展所需的德才兼备的人才，是地方应用型本科高校人才培养的主要目标。近年来，信息与通信技术（InformationandCommunicationsTechnology，ICT）在全球范围内快速发展。我国新一代信息技术的发展、智慧城市的建设和工业信息化的发展等，对我国ICT人才提出了数量和质量上的双重要求。为响应国家战略，满足地方区域发展需求，常州工学院立足培养地方ICT行业急需的应用型本科人才，大力开展通信工程专业虚拟仿真实验室建设。在将前沿信息技术与专业课程、人才培养方案相结合，充实课堂教学，更新学生知识结构，培养学生综合素质等方面，发挥了重要的促进作用。

1通信工程专业实验教学现存问题分析

通信工程专业是ICT领域的主干专业，课程体系的实践性与应用性要求强。地方应用型高校通信工程专业的人才培养目标是培养具有较好的专业基础知识和技能，具备良好的专业实践和创新能力的高素质人才。笔者通过调研，结合教学经验对地方应用型高校通信工程专业实验教学现存问题进行了总结。

（1）实验与实践教学设备技术含量高，购置及维护成本高。通信工程专业实验室的低频通用设备仪器包括稳压电源、信号源、扫频仪、万用表、示波器等，这类仪器设备已完全国产化，价格适中，质量优良，配套服务完善，高校一般都可以较为轻松地完成该类仪器设备的购置、维护及更新。但电子信息产业发展迅猛，微波、毫米波频率的卫星通信技术在世界范围内迅速发展，价格高昂、国产化程度不高的甚高频、射频及微波设备，如频谱分析仪、网络分析仪、信号源等价格较高，地方高校通常难以满足搭建综合测试平台，以及组建综合射频实验室设备的需求，通信工程专业的实验教学面临硬件不足的现实问题。

摘要：针对《射频电路基础》课程的课堂教学内容，设计了16个学时的基于ADS软件的实验教学内容。相关实验与课堂教学结合紧密、实践性强，实施后提高了教学效果。

关键词：射频电路设计；实验教学；先进设计系统

一、引言

近年来，随着通信技术和计算机技术的迅猛发展，电子系统的工作频率越来越高，射频电路应用广泛，国内外都严重缺乏从事射频电路设计的专业人才，目前相关课程已经广泛在国内外高校开设[1]。《射频电路基础》是我校在2014年通信工程专业本科培养方案中新开设的针对大三学生的限选课程，开设目的是希望通过传授射频电路基础知识，为学生就业和升学提供一个“新”的方向，同时将本专业的与电路设计相关的教学内容，从《电路分析》关注的低频领域和《高频电子线路》关注的高频领域，扩展到射频领域的电路设计。本门课程的学时情况是：课堂教学32个学时，实验教学16个学时。

二、《射频电路基础》的课堂教学内容

课堂教学内容分为6章：第1章讲主要讲述射频电路设计的背景、射频频谱范围、基本量纲和单位、无源元件的射频特性。第2章主要讲述传输线理论，包括等效电路模型、传输线方程、特性阻抗和反射系数、典型终端条件等。第3章讲述史密斯圆图，包括阻抗圆图和导纳圆图、圆图上的串并联频率响应等。第4章讲授匹配网络设计，包括各种匹配方案和匹配网络中的带宽问题。第5章讲授多端口网络和散射参量。第6章讲授射频放大器设计，包括射频放大器的分类、特性指标、直流偏置电路设计、功率关系、匹配电路设计、稳定性判别等内容。可以看出，本门课程涵盖了射频电路设计领域的基础概念和理论、基本设计原则和方法，课堂教学之外必须设计对应的实验教学内容以加深学生对课程知识点的掌握，同时实验教学中需要传授射频电路设计工具的使用。

三、《射频电路基础》的实验教学设计

摘要:“数字集成电路设计与验证”是一门微电子方向研究生重要的学科基础课，具有很强的工程实践性。如何让学生全面掌握整个数字集成电路设计流程及设计方法并具备分析和解决问题的能力是本课程教学的难点。本文提出了基于真实工程项目设计的案例式教学方法，开展了历时三年的教学改革研究与实践。研究数据表明该方法能显著提高学生的设计和分析能力，但对不同水平学生的受益程度存在差异。文章最后给出了进一步改进教学方法的几点建议。

关键词:集成电路;案例教学;Cache控制器

0引言

集成电路包括模拟集成电路和数字集成电路。其中数字集成电路发展异常迅速，已形成了一整套标准的工业化设计流程。标准流程包括:系统设计、逻辑设计、逻辑综合、版图设计和布局布线。在这个流程中，还伴随着必不可少的设计模拟、功能验证、时序分析和功耗分析等验证、分析工作。以上各环节相互交织、相互印证并经常需要多次迭代，才形成了一个完整的工业化流程，用以保证根据该流程设计生产出来芯片的质量。面对如此复杂的流程，在有关数字集成电路教学中如何让学生对流程各阶段的原理融会贯通并具备分析和解决问题的能力是一个难点。“数字集成电路设计与验证”课程是我校计算机学院微电子学与固体电子学专业硕士研究生的学科基础课程，内容包括数字集成电路的硬件描述、验证、综合、物理设计的基本概念、基本方法和实现算法。本文以此课程为实践平台，提出和实践了在教学中引入真实项目设计案例配合理论讲授的教学方法，并对教学考查结果进行了分析和思考。

1教学现状

目前国内各大高校普遍开设了集成电路课程，也针对相关课程教学方法展开了研究。文献［1］提出了如何通过构建设计案例来提高学生的学习兴趣从而进一步激发其开展自主学习;文献［2］提出了如何在课程中面向个体差异、有的放矢的教学思路;文献［3］探讨了在集成电路设计实验中采用研究型实验教学模式的方法和对学生及教师的要求;文献［4］探索了如何利用新的课程考核方法促使学生提高动手能力;文献［5］探索了项目教学法在实际教学中的应用;文献［6］论述了案例教学法对工程类课程教学的实践要求并探讨了为提高教学效果需采用的保障措施。上述研究从案例研究、考核方法和差异化教学等多个角度探索了针对集成电路课程的教学改进方法，本文将在此基础上针对课程特点做进一步的教学探讨。在以前数字集成电路课程的教学设计中，教师会对数字集成电路每个设计阶段的概念和原理进行讲解，并分别用不同的例子引导学生理解这些理论和使用技巧。根据几年的课程积累和学生反馈，我们发现，学生在掌握课程基本原理的同时，对设计流程各阶段的内在联系认识并不透彻，多个知识点不能有机融合，分析问题和解决问题的能力培养也尚有不足。而学生完成课程进入研究或课题后，因为经验不够往往接触到的是初级单一的设计或验证工作，很少有机会从事全流程的设计规划工作。这导致其在做设计或验证工作时只见树木不见森林，无法从系统的角度分析和解决问题，最终无法得到最优的设计结果。因此，如何使学生在掌握数字集成电路设计各知识点的前提下能对各设计阶段进行有机衔接是课程中的难点，我们通过在课程讲授中贯穿一个真实项目中的设计案例来帮助学生进行理论学习的同时，更深入地了解集成电路设计的全流程、培养分析解决问题的实践能力。

2课程设计

摘要

本文对目前在电子电气通信专业的课程高频电子线路实验提出了改进思路，针对目前在实验中采用软件仿真代替搭建实验电路的流行做法，提出了商榷。本文建议在低年级短学期阶段让学生接触电路板制作、高频防电磁干扰设计准则，通过制作通用高频电路板并调试高频电路，接触高频电路设计，激发学生今后学习电路的兴趣，培养电路调试能力，缩短未来高频电路实验需要的时间，在高频实验中将软件仿真和电路搭建调试结合，用软件仿真验证理论知识，用搭建电路实现功能。

关键词

电子线路；实验；仿真；电路搭建

1前言

高频电子线路课程，又称通信电子线路，是高校电子、电气、通信专业的必修课程，由于该课程工程实践性较强，通常必须配有相应的实验课程。通过调查目前国内高校针对该课程相应的实验课程设计，我们发现目前该课程理论阶段一般设置课时为36-64学时，而相应的实验通常有10-24课时。高频电路类似于乐高积木，即其每个部分基本功能实现都具有固定的经典电路，整体电路设计需要根据电路参数计算，在每个功能部分从几个经典电路中选择合适的一个即可，这样多个基本功能电路采用乐高积木般组合搭建而成最终电路，这点与低频电路不同，低频电路很多时候需要自己设计，而高频主要还是“搭积木”。这样看似乎该课程实验很简单，其实不然，在很多侧重理工的大学（通常这类大学对该课程要求更高、赋予更多课时），该课程和对应的实验课均被称为“杀手课程”，很多学生提起来都头疼。高频电路实验主要是对教授的经典电路进行验证，因此设计部分不是难点，实验的难点在于如何成功调试电路。在实际实验中常常会出现设计验证成功，但电路不成功的情况，比如高频振荡电路无论如何都无法起振、功率放大电路输出信号严重失真等现象，这源于高频电路中电磁干扰很严重，为消除电磁干扰对走线的粗细、走线的拐角、电源线的布设位置、接地处理、哪里需要添加去耦合电容、去耦合电容的容值选取多大等等均需要经验，因此有种说法：“能设计开发模拟高频电路的工程师如同老中医，越老越珍贵。”而这些知识理论上很容易，远比高频电路设计计算容易理解，但实际应用时颇有“大音希声，大象无形”的感慨———飘渺难以把握的感觉，调试相同的2个PCB版，一个很容易就调通了，另一个无论如何效果不好。

2当前实验课程设计现状及问题

摘要：疫情期间为了响应教育部“停课不停学”号召，大连海事大学信息学院“微机单片机”课程教学团队充分发挥团队优势，在多年开展数字化教学资源建设的基础上，利用Protues结合Keil建立线上虚拟实验仿真平台，设计了一系列典型题目，本文以汽车防盗报警系统设计为例，阐述学生单片机课程设计的学习过程，电路设计思想。同时团队充分利用“雨课堂”教学工具、腾讯课堂、腾讯会议和网上MOOC视频资源积极开展线上课程建设，通过建立QQ，微信群线上答疑解惑，提高课程教学质量，收到良好的授课效果。

关键词：线上教学；Protues；Keil虚拟实验

为了响应教育部“停课不停学”号召，大连海事大学人事处教师发展中心、教务处现代化教育技术中心成立了大连海事大学“停课不停学”保障支持团队，在保障团队的支持和领导下，课程组利用Protues结合Keil建立线上虚拟实验仿真平台，并使用“雨课堂”教学工具、腾讯课堂、腾讯会议等软件开展线上教学。

一、课前准备

开课前，课程教学团队根据课程的特点制定了以学生自主学习为主，教师线上答疑相结合的在线教学执行方案。根据教学内容统一安排了教学进度，研讨确定了教学团队、教师、学生的任务。任课教师需要完成每个教学班级课程QQ群和微信群的建立，建立好教师与学生实时沟通的渠道，并通过学校BB（Blackboard）系统和雨课堂教学工具，将教材内容、教学课件、软件安装包、软件使用说明和重要知识点线上MOOC视频资源提前推送给学生，供学生自主学习使用。

二、在线授课实施过程

（一）学生自主学习，教师直播授课。学生需要在教师授课前通过MOOC视频资源完成自主学习，熟悉理论知识，安装好仿真软件并熟悉其使用方法。绝大部分同学能够完成自主学习，很多同学在学习过程中，会在QQ和微信学习群留言自己哪些地方没太看懂，仿真软件的操作问题、对教学计划和考核要求不清楚等问题，教师需要时时地进行辅导答疑，不轻视每一个问题，切实让学生感觉到老师就在身边，建立以学生为中心的情感互动。教师通过腾讯课堂进行直播授课，课程设计题目，讲解单片机课程设计的时间安排，课设的内容，工具的使用，课设的一般设计过程，实验过程中需要注意的问题等等。