虛擬仿真技術在《電工電子技術》課程教學中的應用

摘要本文結合電工電子課程教學以及課程設計實踐，對傳統的教學模式進行改革和創新，將虛擬仿真軟件Multisim10應用于“電工電子技術”課程教學中，并通過基本共射放大電路等實例介紹了Multisim10軟件在課堂教學和課程實踐中的應用。教學實踐表明，仿真技術能彌補傳統實驗的不足，優化電路設計，提高學生設計與開發電路的能力。

關鍵詞 虛擬仿真 電工電子 教學 實踐

中圖分類號：G420文獻標識碼：A

The Application of Virtual Simulation Technology in

\"Electrical and Electronic Technology\" Teaching

YU Ruihong， LIU Shucong， WANG Quansheng

(Institute of Disaster Prevention， Sanhe， Hebei 065201)

AbstractSome reform and innovation were done on the traditional teaching model， combining with electrical and electronics teaching and curriculum design practice. Virtual simulation software Multisim10 were applied to the \"electric and electronic technology\" teaching， and the application of software Multisim10 in classroom teaching and curriculum practice were introduced， through the basic common-emitter amplifier and other examples. The teaching practice showed that simulation technology can compensate for the lack of traditional experiments， optimize circuit design， and improve the level of student to design and develop circiuts.

Key wordsvirtual simulation; electrical and electronic; teaching; practice

0 引言

電工電子技術是一門實踐性很強的專業基礎課，實驗教學在這門課程中占有舉足輕重的地位，它著重培養學生的實驗操作技能和嚴謹踏實的科學作風，是提高學生分析問題、解決問題以及理論聯系實際能力的重要環節。目前，傳統的電工電子實驗是學生在實驗室根據給定的電路圖和元器件搭建實驗電路，用儀器測量數據，得出結論。傳統實驗教學在學生增加實物電子元器件知識、培養正確使用儀器儀表的方法及掌握基本的工程測量技術等方面有著無可替代的優勢。但是，傳統實驗也存在實驗器件老化，調試不方便，讀數誤差大，綜合性和設計性實驗比例偏少等缺點，不利于促進學生綜合能力和創新能力的培養。

隨著計算機技術的發展，現在已出現利用計算機仿真技術來完全或部分模擬實驗設備的情況，運用電路設計仿真軟件設計電路，是提高電子線路設計水平和能力的有效方法。利用虛擬仿真技術，教師在用電子教案教授理論知識的同時，可用仿真軟件教學，使理論和實踐相結合，讓學生親自感受到實際動手操作的樂趣，有效地提高了學生的學習興趣和效率。

1 仿真技術在教學中的應用

仿真教學是現代教學中的一種全新的教學模式，它既是一種重要的教學方法、教學手段，又是一種新的教學理念。它在教學中顯示出來不受時間、空間、經費、組織形式制約的優點和作用是傳統教學無法比擬的。Multisi10仿真軟件具有友好的用戶界面，操作方便，具有數字、模擬及數字/模擬混合電路的仿真能力。它提供的測試儀器和某些仿真元器件的外形與實物非常接近，操作方法也基本相同，是一款非常好用的電子電路仿真軟件。將Multisim軟件應用于電子技術的教學中，有利于改善教學方法和提高教學效果，有利于學生理解抽象的知識，激發學生的學習興趣，提高學生綜合設計能力。下面結合具體的實例說明Multisim軟件在課堂教學中的應用。

1.1 共射放大電路分析

圖1基本共射放大電路

圖2射極電壓圖3共射放大電路三極電壓

在三極管的基本電路分析這一節中，有不少知識點學生感到難于理解，在做實驗時所測得的數據也不一定與理論符合，而我們通過仿真可以很好地掌握各個知識點。首先，依照所設計的電路圖搭建電路，如圖1所示，接入電壓表，編輯完元件(元件參數及標簽，快捷鍵等)后進行電路仿真；然后雙擊萬用表（XMM1）圖標，就可以觀察三極管e端對地的直流電壓，如圖2所示。

（1）靜態分析。在前面搭建好的電路之上，調節滑動變阻器的阻值，使萬用表的數據為2.2V。執行菜單欄中simulate/analyses/DC Operating Point，這樣便可得到三極管的三個極的靜態電壓，即基極，射極，集電極的直流電壓，如圖3所示。

（2）動態分析。在圖1中在輸入端加入幅值為 10mV的正弦電壓信號，輸出端分別接1.5k負載和空載。單擊儀表工具欄中的第四個按鈕（即：示波器Oscilloscope），并將其接入電路中。單擊工具欄中運行按鈕，便進行數據的仿真。然后雙擊示波器圖標，得放大電路在接1.5k負載和空載時的輸出電壓波形，如圖4和圖5所示。

根據以上仿真結果，學生們可得出如下結論：①靜態時基極和射極間電壓UBEQ為0.6V~0.8V；②輸出電壓比輸入電壓幅值大，電路具有電壓放大作用；③輸出電壓與輸入電壓在相位上相差 1800，共射極電路具有反相作用；④放大電路的放大倍數與負載有關，負載越大，放大倍數越大。

學生通過觀察仿真結果、思考、總結歸納得這些結果，因此印象深刻，理解較透徹。

1.2 低通二階濾波電路分析

圖6 低通二階濾波電路

圖7低通二階濾波電路特性

2 仿真技術在課程實踐中的應用

有源濾波器在信號處理中有廣泛的應用，尤其是去除傳輸過程中無用或者有害信號的頻率分量。以前通過理論計算分析有源濾波器的幅頻特性，現在利用Multisim仿真軟件可得到各種濾波器的幅頻特性曲線圖，與理論分析對比，學生能夠更加形象地掌握各種濾波電路的功能和特性。搭建如圖6所示的低通二階濾波電路，進行仿真之后得到圖7所示的頻率特性，可以比較直觀地看出此濾波電路就是低通濾波電路。通過仿真實驗，學生可以自由改變系統的結構、參數，通過觀察各個節點的波形來了解模型中每一部分對結果的影響，直到找到滿意的理論模型和相應的參數，將呆板的實驗變為研究性的學習。

將虛擬仿真技術應用于電工電子技術理論課教學，借助電子線路仿真功能，隨時改變電路結構和參數，動態演示電路的特性變化，將原來非常抽象復雜的理論知識變得直觀形象，增強了學生的感性認識，加深了對所學知識的印象，降低了學習難度，提高了課堂效率和教學效果。

在課程綜合設計和實踐中，受實驗經費、實驗場地、實驗耗材等條件的限制，綜合性、設計性實驗比例偏少，不利于促進學生自主創新意識和創新能力的培養。Multisim軟件如同一個大的電工電子實驗室，不受器件種類、數量和實驗設備的限制，教師可以指導學生做一些綜合性、設計性實驗，比如數字電路中的數字鐘，多功能搶答器，頻率計，信號發生器等綜合性的實驗，這些都能夠很好地提高學生的能力，促進學生自主創新意識和創新能力的培養。下面以數字鐘為例簡單說明數字鐘的設計原理。

2.1 設計要求

要求設計一個具有“時”、“分”、“秒”的十進制數字顯示(小時從00~23)的計時器，具有手動校時、校分的功能，用74系列中小規模集成器件去實現。

2.2 數字計時器的基本設計原理

數字計時器一般都由振蕩器、分頻器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。其中，振蕩器和分頻器組成標準秒信號發生器，由不同進制的計數器、譯碼器和顯示器組成計時系統。秒信號送入計數器進行計數，把累計的結果以“時”、“分”、“秒”的數字顯示出來。“時”顯示由二十四進制計數器、譯碼器和顯示器構成；“分”和“秒”顯示分別由六十進制計數器、譯碼器和顯示器構成。數字鐘原理框圖如圖8所示，主要設計部分分析如下：

（1）振蕩器:通常選用石英晶體來構成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時的精度就越高。

（2）分頻器:功能主要有兩個：一是產生標準秒脈沖信號；二是可提供功能擴展電路所需要的信號。選用中規模計數器74LS90D，每片為1/10分頻器，選擇合適的片數級連即可獲得1Hz標準秒脈沖信號。如果振蕩頻率為100kHz，就得需要5片74LS90D進行級連。

（3）計數器：根據圖8所示，顯示“時”、“分”、“秒”需要6片中規模計數器。其中，“分”、“秒”位計時各為六十進制計數器，“時”位計時為二十四進制計數器。六十進制計數器和二十四進制計數器都選用74LS90D集成塊，采用反饋清零法。

（4）校時電路：當剛接通電源或計時出現誤差時，都需要對時間進行校正。將各模塊連接成完整的電路，就能方便地設計出數字鐘電路，使得學生們能夠學以致用，激發了他們的學習興趣，另外通過不斷的改變控制邏輯電路部分，可以使電子鐘表的功能不斷地得到完善，使得學生們的創新能力得到了鍛煉和提高。

圖8數字鐘設計原理圖

3 結束語

Multisim軟件如同一個大的電工電子實驗室，可以彌補實驗設施的不足，為實驗提供了極大的便利，極大地提高了實踐教學環節的質量；Multisim軟件還可以輔助理論教學，教師可以在講解完理論后直接進行實驗和演示，使得物理過程更為形象直觀；此外，Multisim軟件用戶界面直觀，操作方便，學生在課后可自己設計電路，加理解電路功能及儀器儀表的使用，還可激發學生的學習興趣，有效地調動學生的主觀能動性，學生可以自主開發和設計一些電路，激發了學生的創新意識，培養了學生的創新能力。

利用Multisim軟件提供的虛擬電子工作平臺，可以方便地完成各項實驗和教學工作。 但是仿真軟件的操作不能代替實際電路，要充分發揮傳統實驗和虛擬實驗各自的優勢，在保留傳統硬件實驗的前提下，將以計算機仿真技術為主的仿真實驗融合到傳統的實驗教學中來，構建一個新型的實踐教學體系，以提高學生動手能力、分析問題解決問題的能力，提高學生自主創新意識和創新能力，全面提升學生的綜合素質。

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