Analog Discovery 2在模拟电子技术实验案例中的应用

张 涛，黄大刚，包秀娟，王鸿鹏

（南开大学 人工智能学院，天津 300350）

模拟电子（简称“模电”）技术实验是自动化、电气、电子信息、通信等专业本科生的必修实验课[1]。学生通过该实验课程的学习可以更加深刻地理解模拟电子技术理论，学习电路的设计与仿真，锻炼动手能力与创新意识，为后续的科研等方面工作打下良好基础，因此是一门重要的基础性实验课程[2-3]。

随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仿真技术在科研和教学中的应用越来越广泛，很多院校开设的实验课程都应用了该项技术[4]。目前基于虚拟仿真技术的模电实验教学普遍存在以下问题：①只是单纯地虚拟仿真，没有搭建实际电路，虽然实验过程快捷方便，但是学生容易出现眼高手低、动手能力差等问题[5]；②随着招生规模的扩大，实验室受限于经费、空间等因素，难以相应地扩大规模，各实验小组学生过多，难以保证教学效果；③实验仪器体积较大，不便于移动，学生的实验地点仅局限于实验室，课下难以在实验室之外使用实验仪器开展创新项目。

“虚实结合”的思路能够很好地解决第一方面的问题，因为实验过程既包括搭建实际电路，又包括虚拟仿真，目前一些厂商出品的虚拟仿真实验装置能够很好地兼顾这两个方面[6]。针对第二、三方面的问题，如果采用迷你型实验装置加 PC的组合，就能避免传统教学模式的约束，投入成本低，安全性高，不受时间、地点约束。如果将现有的机房扩展为电子实验室，学生不但可以课上进行实验，而且可以课下进行自主创新项目，有利于调动学生学习的积极性和主动性，取得良好的教学效果[7-8]。

1 Analog Discovery 2平台介绍

Analog Discovery 2（以下简称 AD2）是一款由Digilent 公司出品的第2代迷你型多功能仪器，可以方便地测量、读取、生成、记录和控制各种混合信号电路[9]。仪器基于 Xilinx公司高性能且灵活的Spartan-6 FPGA，尺寸约为8 cm×8 cm×2.5 cm，却能提供100 MPS双通道USB数字示波器、双通道任意函数发生器、16通道数字逻辑分析仪、信号源、可调电源、频谱分析仪、网络分析仪等10种仪器功能，参数强劲且性能稳定。其配套控制软件Waveforms具有丰富的数据处理和支持脚本操控的功能，还可满足高

图1 AD2（NI Edition）实物图

层次、多样化的测试需要[10]。这组套件完全可以满足日常实验和项目需要，是一款真正意义上的“口袋实验室”。我们目前使用的是Digilent公司和NI公司联合出品的版本，外观如图1所示。AD2带有针形接口，也可通过适配器转换为BNC接口。二者的选用取决于信号的种类，针形接口适用于静态或低频信号，BNC接口适用于高频信号或易受干扰的信号。AD2的排针对应的线缆用不同颜色进行区分，引脚图如图2所示。

图2 AD2引脚图

2 基于Multisim和AD2的实验流程

在未搭建实际电路前，仿真是一种验证电路原理的便捷方式。NI公司的Multisim软件就是这方面一个很好的工具。Multisim以Windows系统为基础，适用于对板级模拟电路板的设计[11]，包括电路原理图的图形输入方式和电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力[12]。基于Multisim和AD2的实验流程如图3所示。

图3 基于Multisim和AD2的实验流程图

按照实验指导书给出的电路原理图，可以先用Multisim软件进行仿真，如果实验结果不理想，可以修改参数或者改进电路直至达到预期效果。然后按照最终确定下来的电路，在AD2配套的面包板上进行电路搭建，搭建完成后使用Waveforms软件进行输入信号配置，并测量输出信号。最后，将实际显示结果与仿真结果进行对比[13]。

3 积分电路实验案例及结果对比

3.1 基于Multisim的仿真过程及结果

以模电实验中常规的积分电路为例，按照上述流程进行相应实验。使用Multisim软件仿真、修正后的电路图如图4所示，由于加了电阻R3，实际上为近似的积分电路[14]。所使用的运放型号为UA741CP，引脚图如图5所示。

图4 Multisim软件设计的积分电路图

图5 运放UA741CP引脚图

函数信号发生器的波形选择及参数设置如图6所示，所产生的方波信号频率为100 Hz，振幅为2 V。示波器的测量结果如图7所示，可以看出方波信号积分后的波形。

图6 函数发生器的波形设置及参数选择

图7 示波器的测量结果

3.2 基于AD2的实验过程及结果

仿真完成后，使用AD2配套的Analog Parts Kit在面包板上搭建设计好的电路，然后连接信号输入、输出端和供电端，这部分的连接参照AD2引脚图。信号发生器给电路提供输入信号，运放的工作电压由电源输出接口提供，输出信号经示波器接口采集后，在软件上显示。实物电路搭建如图8所示。

图8 实物电路搭建图

通过USB连接AD2和PC，打开Waveforms软件，界面如图9所示。首先进行供电电压设置，为运放提供的工作电压为±5 V，如图10所示。然后进行函数信号发生器参数设置，选择方波，频率为100 Hz，振幅为2 V，如图11所示。

图9 Waveforms软件界面

图10 供电电压的参数设置界面

图11 函数信号发生器的参数设置界面

最后用示波器采集输入信号和输出信号波形，如图 12所示，验证积分电路的主要作用。实际结果与Multisim仿真结果基本一致。

图12 示波器采集输入信号和输出信号波形图

4 结语

虚拟仿真实验教学方式与传统教学方式相比，大大减少了基本仪器如万用表、函数信号发生器、示波器等的使用，降低了投入，节省了空间[15]。AD2迷你型仪器的使用，进一步增强了灵活性与开放性，解决了实验空间、时间受限问题。由 AD2在模电实验案例积分电路中的应用可以看出，连线过程大大简化，且调试简便，显示效果好。综合运用AD2、Multisim、面包板进行虚实结合，可以有效地提高学生的学习兴趣，锻炼实践能力和创新意识，取得了良好的教学效果[16]。