NI 電子教育平台：案例研討

此篇應用說明，將解釋應如何使用整合實驗室，並增強電子課程。我們先勾勒出教學電路的一般型態，並繼續討論整合型實驗室的優勢，及如何解決學生面對相關實驗常會遇到的問題；透過於大學中實際案例研討，我們可獲得第一手資訊的解決方案。 世界上，以相同方試教導電子學已經持續了好幾年。學生均經由課堂方式學習電路理論，並透過相關經驗取得較進階的了解。實驗室經驗，代表學生將理論套用至設計的挑戰，透過手動計算、進行模擬、建立並量測該設計，最後比較實際與預測結果。所有的工作均將展現於報表中，確實反映學生所取得的經驗。

整合解決方案的優點 

從模擬到原型製作與量測，整合平台可提供完整的資料流程，並連接理論與實機操作之間的距離。此平台可讓學生迅速並輕鬆地著手量測。學生透過模擬環境下的儀器，可更了解模擬的目的，亦可於評估實際電路時使用相關結果。

整合的實驗室可呈現模擬、原型製作、量測，與比較的統一平台。透過一致的方式與電腦架構的量測，學生可迅速並輕鬆地學習開發電路圖的方法，進行功能強大的模擬，並執行重要的量測。

當學生要比較量測資料與模擬資料時，將耗用大量的時間。通常使用完整儀器進行的量測，均會手動抄寫並輸入至分析用的資料表。與了解差異處相較，邏輯比較往往會耗費更多的時間。
 
NI 與電子工作台(Electronics Workbench) 將針對電子教學，提供強大的整合解決方案。此平台將包含電路圖擷取的Electronics Workbench Multisim、原型製作的NI ELVIS，與量測比較的LabVIEW 和SignalExpress。下方圖1 表示整合的實驗室。

圖1. 整合平台的概念性圖樣

透過Multisim 的功能與彈性，學生可輕鬆運用工業水準的電路模擬器。Multisim 包含強大的虛擬儀器，均為實驗室中的模擬儀器，如示波器、多工器、函式產生器，與其他許多儀器。這些儀器提供迅速、直覺式的方法，以獲得實驗室實際儀器的模擬結果。下方圖2 顯示Multisim 環境中的範例畫面擷取。

圖2. 進行模擬量測的Multisim 電路圖

NI Multisim 具有許多學術性的功能，如評估超過最大值即可能故障的元件，與執行模擬時可能變更數值的元件。

實驗性的原型，一般均以無焊料(solder-less) 的麵包板為基礎。學生必須依賴資料表與可見的檢視表，藉以確定該原型可正確地運作。實驗室指導人員或助教在更正簡單的接線錯誤時，往往耗費許多時間– 這時需要電腦輔助的原型製作工具。NI Multisim 可提供3D 的虛擬麵包板環境。學生將透過可反應完成度與正確性的虛擬NI ELVIS 麵包板，學習原型製作。虛擬環境看起來就像是真正的NI ELVIS 工作站。

NI ELVIS 工作站包含多個內建儀器，可執行原型電路的量測。工作站搭配可移除的原型製作機板，並可直接連至PC，以溝通量測與一般介面。如示波器與波德圖分析儀的儀器，其功能就如傳統實體儀器一般簡單易用。下方圖3 即為NI ELIVS 系統。

圖3. NI ELVIS 工作站

虛擬儀器亦可進行快速的自動化量測。透過NI SignalExpress 與LabVIEW，可於單一環境中進行所有量測，並可於相同圖表中儲存與比較來自於Multisim 的模擬資料。

案例研討：實驗室放大器設計專案

若要展示整合式實驗室的最佳優勢，NI 選擇加拿大阿爾伯塔大學(University of Alberta) 實驗室的一部分進行說明。進一步分析使用整合式平台的實驗室經驗。NI 使用Multisim 開發該單位的電路簡圖，並透過SPICE 模擬進行不同的計算；而Multisim 中的3D NI ELVIS 原型製作環境，可虛擬式地建立並檢查電路。接著放置實際元件於NI ELVIS 麵包板上以建構電路，並以NI LabVIEW 與SignalExpress 進行量測。最後比較量測與模擬資料以完成實驗。

此實驗室主要在設計、建立，並測試聲音放大器，透過大於或等於1 MΩ 的阻抗，以3 kHz 的設計頻率提供|150| ±10% 的電壓增益。放大器負載是以1200:8 Ω 的匹配器(matching transformer) 驅動8 Ω 的擴音器(speaker)。此案例中的電源電壓為NI ELVIS 供電的+15 伏特的DC 電流。

設計概念為共射(common-emitter) 的3 階段程序，與共源(common-source) 放大器：輸入階段中使用JFET，以符合高輸入阻抗的需要，並搭配2 階段共射(common-emitter) BJT 放大器，以符合高增益。以Multisim 所擷取的程式圖，表示下方圖4 的設計。階段之間的電容器，可於小型訊號輸入、輸出，與電路的DC 靜態點(quiescent point) 中，提供DC 隔離。.雖然下圖顯示了擴音器 (speaker) 與傳輸器 (transformer)，但是模擬過程將根據簡易原則，使用簡單的負載電阻取代擴音器與傳輸器。

注意：所有電路圖均以NI Multisim 中，Tools 功能表的Capture Screen Area 功能，直接進行畫面擷取。

 

圖4. 放大器程式圖

系統增益來自於：

既然每個階段的電壓增益，是根據該階段的負載電阻而定；而且每階段的負載電阻均由下一階段的元件所決定。因此最好是從最後階段倒返至第一階段，以取得各階段的RL。最後增益階段的負載電阻已知為1200 Ω。NI 將針對第二與第三階段使用2 組2N4401A 的一般NPN BJT 電晶體；針對第一輸入階段的高輸入阻抗，使用1 組2N4393 JFET。針對整個設計，NI 將使用Multisim 驗證所有的手動計算，並包含可套用結果的畫面擷取。NI 亦使用Multisim 決定放大器的跨導(transconductance) 模擬，以協助計算增益；並決定偏壓(biasing) 放大器的DC 負載線路。

實作與模擬條件

實際情況而言，NI 在整個設計中標明元件的容差性(tolerance)，以處理相異於預測結果的實際結果。此外，NI 正設計聲音放大器，以了解某些手動增加(音量) 的方法。為了同時補償元件容差性(tolerance)，並提供手動音量控制，NI 將於放大器之一中包含可變電阻器(電位計)。NI 將決定放置此電位計平行於第二階段的RB1，可於維護固態作業特性時，提供增益的大範圍變動。

一般來說，理論數值並不會相似或相等於實際數值。請牢記在心，所選的實際元件值，將儘可能地接近計算數值。

BJT 放大器：階段 3

 

針對第三與第二階段，NI 將使用下方圖 5 所顯示的共射 (common emitter) BJT 放大器拓撲。

圖5. 包含負載電阻的共射(Common Emitter) BJT 放大器階段

在此設定中，CIN 與COUT 將於設計的階段之間提供DC 隔離。電容器 CE 將以較高的頻率建立可用短波，有效地繞過 RE2。RB1 與RB2 建立了分壓器，並以必要電壓為基礎，進行電晶體順向偏壓(forward-bias) 的基極至射極連結。RC、RE1，與RE2 建立合適的偏壓條件，適於整合AC 擺動、電壓增益，與主動區(active region) 的電晶體穩定度。

偏壓

放大器設計的最重要概念之一，即為適當進行電晶體偏壓。合適的偏壓不需充滿電晶體或扭曲輸入訊號，即可讓電晶體於主動區(active region) 中保持穩定。

NI 使用Multisim 的模擬功能，於設計中進行實作，以決定靜態(quiescent) 操作條件與元件值，可提供完整的穩定性、擺動，與增益。要達到此結果，NI 將針對元件值的選擇，建立 DC 負載連線。並使用電晶體的取線追蹤完成程序。

Multisim 提供虛擬的曲線追蹤器，以發現電晶體的特性。第一步驟必須連接曲線追蹤器至此實驗室的2N4401 電晶體；如下方圖6 所示。並於圖7 與圖8 顯示追蹤器的設定與結果。

請注意，負載接線的Y-Intercept 相同於VCC/RC。當使用Multisim 與實際元件建立實際電路時，NI 分割RC、RE1 與RE2 之間的計算值。

圖8 - 2N4401 包含DC 負載接線與靜態點的模擬曲線追蹤

在此案例中，選擇靜態點 (Q point) 以提供最佳的偏壓條件。靜態點可貼合於圖表右邊，以防止輸入訊號造成電晶體飽和；亦可距離左邊夠遠，防止以 15 V 裁剪 (clipping) 輸出；15 V 為最高的電壓供應VCC。針對未包含高頻射極電阻 (emitter resistance) 的共射 (common emitter) 電路，DC 負載連線可於 VCC/RC 貫穿 (intersect) Y-Axis。在此案例中，NI 跨越實際的 RC、RE1，與RE2，分割理論的 RC。

RE1 可去除 2N4401 中的內部射極電阻相關性，而提供額外的保護，因此選擇為20 Ω 的小型電阻。RE2 可確認集電極 (collector) 的電壓接近電壓範圍的中心，可讓輸出的電壓進行擺盪。

針對第三階段，並根據圖 8 中的負載連線，RC 為600 Ω (15V / 25 mA)。針對電路中的實際 RC 將此值分割為300，NI 選擇 RE1 為20 Ω，RE2 為280Ω。

所選的靜態點需要VCE = 6.98V。集電極的電壓來自於：

從上方的計算式來看，VB=4.72 V。若要正確地偏壓電晶體的基礎，NI 使用分壓原則，選擇RB1 與RB2，並使用一般設計規則：

NI 選擇RB1 = 6700 Ω、RB2 = 3300 Ω。

在此階段中選擇元件的值之後，我們使用Multisim 量測並檢查偏壓條件與假設。在Multisim 中穿過的電流，可放置0 V 的 DC 電源以量測之，並使用DC 操作點分析，透過電源輸出電流。下方圖9 顯示電路的模擬 DC 操作點數值。

圖9. 第三階段的DC 操作點分析

輸入阻抗

共射 (common emitter) BJT 放大器的高頻輸入阻抗，是來自於：

此處rð 定義為â0/gm，而â0 為低頻的電流增益。針對2N4401 而言，此參數為資料表中的hFE。實驗之前的â0 計算假設為150。

則跨導 (transconductance) gm 來自於IC/VT。此處IC 為集電極偏移電流，而VT 為電熱電壓，或室溫下約 25 mA。

同樣的，使用DC 負載連線與靜態點 (Q point)、IC = 13mA，而rð = 281Ω。來自於輸入電阻的計算式，並選擇所有的電阻器數值，NI 計算ri 應約為1300Ω。


增益

在極高頻時，射極電容器將為接地短路，則放大器的電壓增益將為：

在決定了以上運算式的所有值之後，NI 平均第三階段為-10.9 V/V。此增益值可輕鬆透過 Multisim 中的模擬進行量測。使用虛擬示波器連接至測試電路後，NI 量測完整模擬電路中的增益，應為下方圖 10 的-10.7。其中小差異來自於捨位誤差。手動計算已針對實際值進行評估，而模擬應該更為精確。

圖10. 第三階段增益計算的模擬結果

電容器選擇

電容器的值，將影響放大器的頻率回響。電容器必須能容納80 Hz ~ 22 kHz 之間的聲音頻率。值將影響放大器的時間常數。

一般使用的電容器值為CE = 100 ìF 與CIN = COUT = 10 ìF，可提供合適的 AC 特性。

CIN 是為了將小型輸入訊號隔離自DC 偏壓電壓。COUT 是為了於階段之間，與最後階段和輸出之間，提供相同的隔離。CE 是為了繞過第二個射極電阻，並以高頻建立射極至接地的較佳路徑。

摘要

第三階段的值為下列：

表1. 第三階段BJT 放大器的凸極參數(Salient Parameter)

BJT 放大器：階段 2

放大器於第二階段則具有與第三階段相同的拓撲，包含不同的元件值。

由於此應用註記詳細列出實際的實驗結果，NI 謹慎地除去第二階段放大器的詳情，並僅表現所選的元件值。第二階段的值為下列：

表2. 第二階段BJT 放大器的凸極參數(Salient Parameter)

JFET 階段

下方圖11 為共源 (common source) JFET 放大器的拓撲。

圖11. 包含負載電阻的共源(Common Source) JFET 放大器階段

同樣地，我們忽略此階段的設計，保留設計難題給學生。下方表3 為第一階段所選的參數。

表3. 第一階段JFET 放大器的凸極參數(Salient Parameter)

完整系統

 

透過設計並模擬各個階段，NI 連接所有片段資料並進行調整(視需要情況)，以確定我們的設計將提供必需的特性。NI 亦模擬設計的 AC 響應。

下方圖12 顯示整個系統的增益。增益經計算為 149.2 V/V；具有150 V/V 中的 0.5% 範圍內設計需要。

下方圖13 與圖14 指出系統的振幅與頻率響應。振幅(magnitude) 響應為80 ~ 20 kHz 之間，可聽頻率的一致性增益。

 

圖12 – 系統增益


圖13 – 系統AC 振幅響應(dB)


圖14 – 系統AC 相位響應(deg)

以 NI ELVIS 進行虛擬原型製作與原型製作

使用虛擬NI ELVIS 原型製作環境，可順利轉移為實際原型。提供學生的電路虛擬呈現之後，學生即可迅速了解符號與實際部分的相關性。

Multisim 亦提供設計規則，可檢查虛擬圓型電路、提醒接線錯誤，並省下實驗室中的寶貴時間。一旦接至 3D 環境中，元件與網線 (net) 將轉為綠色，表示接線成功。此亦可用來再次檢查學生於實驗室中的接線。

小秘訣：若要建立虛擬NI ELVIS 電路圖與對應的麵包板，請選擇File/New/NI ELVIS Schematic。即可輕鬆複製並貼上現有電路至NI ELVIS 範本。

下方圖15 與圖16 顯示3D 原型製作設計，與對應的NI ELVIS 電路圖。

圖15 - 3D 的虛擬NI ELVIS 麵包板，顯示完整的原型



圖16 - NI ELVIS 電路圖顯示完整的設計(接線與元件均為綠色)

以NI ELVIS進行原型製作

使用NI 麵包板的實際元件，建構完整的電路。

量測

NI ELVIS 軟體的人機介面或虛擬儀器，均可迅速量測原型製作的電路。

下方圖17 與圖18 使用 NI ELVIS 示波器，顯示電路的增益量測。每案例中的通道A (較低追蹤) 為激源 (stimulus)，通道B (較高追蹤) 為響應。

所量測的系統增益為144.39 V/V，落於所需 150 V/V ±10 % 的 3.74 % 範圍內。

下方表4 為模擬值與量測值的比較。

表4 – 模擬與量測的比較



圖17 – 量測的第一階段增益



圖18 – 量測的系統增益

圖19 表示NI ELVIS 的波德分析儀，可量測完整電路的頻率響應。

圖19 – 量測的系統頻率響應

比較模擬與量測

若要比較模擬與量測結果，請回到NI SignalExpress；直覺式的循序漸進量測工具。SignalExpress 為簡單、直覺式的環境，可讓使用者輕鬆設定量測。SignalExpress 亦可讓使用者載入Multisim 模擬資料。在下方的圖20 中，我們一併檢驗了系統的模擬與量測增益。一旦設定正確，SignalExpress 可自動計算百分比的差異。

SignalExpress 的功能，即當學生設定量測後，可輕鬆比較設計的多種迭代。不需重新設定儀器，即可於所給予的電路中執行一系列測試。只要將特定工作台檔案載入至SignalExpress 環境中，即可執行所給予的量測。

圖20 – 百分比差異的自動計算

摘要與結論

 

透過此設計的程序，整合實驗室可協助進行直覺式的模擬，與快速量測。Multisim 具有絕佳的設計，為檢查計算的絕妙工具，並可滿懷自信地以實際元件進行電路的原型製作。在NI ELVIS 上進行原型製作的設計之後，虛擬儀器將可進行相關電路特性的快速量測。透過NI SignalExpress，我們可於相同畫面中直接比較模擬結果。

更多網路資源：

3 小時的Multisim 實機操作指導手冊
Multisim 功能解析
互動式線上教學:於整合平台檢視電子教學
NI;學術產品網站
線上體驗LabVIEW
了解NI ELVIS
了解NI LabVIEW SignalExpress

參考資源 

Microelectronic Circuits, Fourth Edition, Sedra / Smith, © 1998 Oxford University Press

EE Amplifier Design Laboratory, © 1998-2006 University of Alberta, Alberta, Canada

2N4401 NPN General Purpose Amplifier Datasheet, © 2001 Fairchild Semiconductor, http://www.ortodoxism.ro/datasheets/fairchild/2N4401.pdf (June 2006)

2N4393 Silicon N-Channel Junction Field Effect Transistor, © 2006 Central Semiconductor http://www.ortodoxism.ro/datasheets/linearsystems/2N4391.pdf (June 2006)