計(jì)算機(jī)仿真在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

曹兆樓

摘 要： 模擬電子技術(shù)教學(xué)中增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，將抽象概念具體化能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。計(jì)算機(jī)仿真以直觀地形式展現(xiàn)了模擬電路的特點(diǎn)，便于研究不同參數(shù)對(duì)電路的影響，結(jié)合多媒體教學(xué)教學(xué)能夠顯著加深學(xué)生對(duì)電路分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。本文介紹了Multisim仿真軟件的功能特點(diǎn)，以實(shí)際案例說(shuō)明了如何在教學(xué)中應(yīng)用Multisim軟件，從而達(dá)到啟發(fā)學(xué)生思考的效果。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)仿真；模擬電子技術(shù)；教學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào) TN11

1 引言

模擬電子技術(shù)課程是光電類(lèi)學(xué)生必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。由于課程同時(shí)具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，學(xué)生不但需要掌握基本的理論知識(shí)還要學(xué)會(huì)基本電子器件的識(shí)別應(yīng)用、常用電子儀表的使用以及具備分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。課程內(nèi)容非常豐富，包含了元器件特點(diǎn)、基本放大電路、集成芯片及反饋電路分析設(shè)計(jì)等。此課程是后續(xù)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)課程，也是學(xué)生后續(xù)在電學(xué)方向發(fā)展提高的關(guān)鍵。但傳統(tǒng)的課堂教學(xué)側(cè)重于理論體系的系統(tǒng)及完整，只能提供給學(xué)生抽象的概念，導(dǎo)致學(xué)生只能照著例題去解答習(xí)題，忽視了課程的工程實(shí)踐性，使得學(xué)生無(wú)法建構(gòu)自身對(duì)于模擬電路感性的認(rèn)識(shí)和理解。

雖然模擬電子技術(shù)課程一般均配有實(shí)驗(yàn)課時(shí)，但出于安全和成本考慮，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生照著步驟說(shuō)明開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，限制了學(xué)生探索性的發(fā)展。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展為課堂教學(xué)提供了新的途徑。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，無(wú)需硬件成本即可達(dá)到實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的效果，且學(xué)生可自行在軟件中搭建電路、改變參數(shù)來(lái)探索電路特性，發(fā)揮其主觀能動(dòng)性。Multisim為美國(guó)National Instruments公司開(kāi)發(fā)的電路仿真軟件，操作方便，電路形式形象直觀，用戶(hù)可自行設(shè)計(jì)電路，分析結(jié)果[1，2]，包含了原理圖分析和PCB分析兩模塊，教學(xué)中主要側(cè)重于原理性驗(yàn)證，因此主要使用原理圖分析模塊，對(duì)于有求知欲的學(xué)生，可鼓勵(lì)其自學(xué)PCB分析模塊。在課程中我們基于Multisim軟件開(kāi)展了一系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生加深了對(duì)電路的理解。本文以共射放大電路的特性分析為例進(jìn)行說(shuō)明

2 Multisim仿真

基于Multisim仿真的前提是合理建模電路，Multisim軟件本身提供了一系列的電子器件，由于共射放大電路中均為常用器件，因此我們使用Multisim自帶器件，電路圖如圖1所示，主要包含電壓源、信號(hào)源、晶體管、電容電阻及測(cè)量設(shè)備如萬(wàn)用表、示波器及頻譜分析儀等，選定器件后按照共射放大電路原理連接好對(duì)應(yīng)器件即可，其中頻譜分析儀及示波器的均是"+"級(jí)接需測(cè)量的信號(hào)，"-"極接地。

圖1 共射放大電路建模

靜態(tài)工作點(diǎn)的合理設(shè)置是放大電路正常工作的前提，按照?qǐng)D中參數(shù)的設(shè)置，將交流電壓源幅值設(shè)置為0 V，使用虛擬萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量：UCE = 6.35 V， IBQ = 8.23 A， ICQ = 1.61 mA。 UCE的范圍決定了電路輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，本電路中UCE接近Vcc/2 = 6V，盡可能拓寬了輸入信號(hào)范圍。學(xué)生可通過(guò)改變?cè)骷?shù)可調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，加深了解。

我們進(jìn)一步分析了電路的動(dòng)態(tài)特性。電路的放大倍數(shù)在選定晶體管型號(hào)后主要有負(fù)載電阻R3決定，可使用雙蹤示波器或頻譜分析儀進(jìn)行分析。將示波器通道的正負(fù)極接到需要測(cè)量的信號(hào)節(jié)點(diǎn)上，雙擊示波器調(diào)整時(shí)間軸及通道A、B的比例可觀察波形。當(dāng)輸入信號(hào)幅值較小時(shí)，輸出信號(hào)較好的保持了正弦波的形狀，但由于共射放大電路的特點(diǎn)，兩者之間存在反相的關(guān)系。隨著輸入信號(hào)幅值的增大，受到靜態(tài)工作點(diǎn)的限制，輸出信號(hào)可能出現(xiàn)失真，本電路中首先出現(xiàn)了截止失真，即輸出信號(hào)的最大值達(dá)到了Vcc，無(wú)法繼續(xù)增大。當(dāng)R3 = 3 k時(shí)，中頻放大倍數(shù)為39 dB。設(shè)置R3分別為1 k及5 k時(shí)，中頻放大倍數(shù)分別為33 dB及41 dB，顯然R3增加時(shí)電路放大倍數(shù)增加。為了分析靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)失真特性的影響，我們將R2設(shè)置為10 k，此時(shí)UCE = 0.65 V。顯然此時(shí)隨著輸入信號(hào)的增加，輸出信號(hào)將首先達(dá)到0 V，意味著此時(shí)晶體管的集電極與發(fā)射極近似短路，電路達(dá)到飽和狀態(tài)，發(fā)生了飽和失真。

放大電路的頻率特性由多種因素決定，包含了輸入輸出耦合電容，旁路電容及晶體管的結(jié)電容，分析頻率影響時(shí)可改變輸入信號(hào)源的頻率，通過(guò)觀察示波器中波形幅值計(jì)算電路的放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)，但較為繁瑣，使用頻譜分析儀可直接獲得波特圖。一般電路下截止頻率由輸入輸出耦合及旁路電容決定，上截止頻率由晶體管結(jié)電容決定。觀察波特圖，通過(guò)移動(dòng)光標(biāo)可知本電路中下截止頻率約為10 kHz，上截止頻率約為3 MHz。

為了進(jìn)一步了解電容對(duì)電路頻率特性的影響，我們首先將C3設(shè)置為2 F，C1及C2設(shè)置為1 F，此時(shí)電路的下截止頻率約為4.9 kHz，上截止頻率約為3 MHz。然后將C1及C2設(shè)置為2 F，C3設(shè)置為1 F，此時(shí)電路的下截止頻率約為10 kHz，上截止頻率約為3 MHz。可見(jiàn)下截止頻率主要決定了旁路電容，而與輸入輸出電容的關(guān)系不大。上截止頻率則不受到外部電容的影響，主要決定于晶體管本身的結(jié)電容。模擬結(jié)果有效體現(xiàn)了書(shū)本知識(shí)，能夠幫助學(xué)生更加直觀的理解模擬電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有較好的教學(xué)效果。

3 總結(jié)

本文以實(shí)際案例說(shuō)明了如何在講解共射放大電路時(shí)使用Multisim軟件進(jìn)行輔助。在軟件中我們可以實(shí)際改變?cè)涤^察其對(duì)電路的影響，幫助學(xué)生較為直觀地理解放大倍數(shù)、失真及頻率特性的特點(diǎn)，學(xué)生也可自行改變電路，發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，而不是被動(dòng)的學(xué)習(xí)。經(jīng)過(guò)兩個(gè)班級(jí)的實(shí)踐，取得了較好的效果。■

參考文獻(xiàn)

[1] 李文秀，劉春艷.Multisim在電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（28）： 92-95.

[2] 沙春芳.Multisim10在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011（3）： 125-126.