Multisim仿真在電子試驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

鄭 賓

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

高職電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程涉及的電路概念原理多、理論性強(qiáng)、比較抽象，學(xué)生理解起來(lái)很費(fèi)勁。通過對(duì)高職學(xué)生學(xué)習(xí)電工電子實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行問卷調(diào)查，35%的同學(xué)認(rèn)為可以獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)并得到正確結(jié)論，而65%的同學(xué)認(rèn)為需要有老師的指導(dǎo)才能完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)并得到正確結(jié)論。目前，在高職學(xué)校里很多試驗(yàn)室的設(shè)備陳舊、資源有限，試驗(yàn)內(nèi)容大多是驗(yàn)證性試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目沒有及時(shí)更新，試驗(yàn)課時(shí)占整個(gè)教學(xué)課時(shí)的比例較小，又由于高職生的自主學(xué)習(xí)性較差，因此，要扭轉(zhuǎn)現(xiàn)在的高職學(xué)生電子實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，教師必須要對(duì)現(xiàn)有的電路分析試驗(yàn)課程進(jìn)行教學(xué)改革，采取多種教學(xué)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)制造、教育科研等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。常用的電子設(shè)計(jì)仿真軟件有Protel、Pspices、Multisim等，通過計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能對(duì)電路原理及理論進(jìn)行科學(xué)的驗(yàn)證，會(huì)進(jìn)行常規(guī)電路故障的分析與檢測(cè)，能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電路并實(shí)現(xiàn)功能，大大加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，有效解決了實(shí)驗(yàn)儀器資源有限的問題，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。本文主要論述的是Multisim仿真在電子試驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用。

1 Multisim軟件介紹

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于模擬數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。其包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。目前，使用較多的版本為Multisim 11.0，其具有更加形象直觀的人機(jī)交互界面，包含了Source庫(kù)、BASIC庫(kù)、Diodes等15個(gè)元件庫(kù)，提供了我們?nèi)粘３Ｒ姷母鞣N建模精確的元器件，比如電阻、電容、電感、三極管、二極管、繼電器、可控硅、數(shù)碼管等等。模擬集成電路方面有各種運(yùn)算放大器、其他常用集成電路；數(shù)字電路方面有74系列集成電路、4000系列集成電路等等，還支持自制元器件。具有數(shù)千種電路元器件，儀器儀表庫(kù)中還提供了萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、瓦特表、雙蹤示波器、波特儀（相當(dāng)實(shí)際中的掃頻儀）、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和電壓表及電流表等儀器儀表。其幾乎能夠100%地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果，并且容易制作電路模型，迅速了解電路行為，借助高級(jí)電路分析，理解基本設(shè)計(jì)特征[1]。

2 電子實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

2.1 試驗(yàn)教學(xué)改革思路

現(xiàn)有的電路試驗(yàn)一般有如下內(nèi)容：常用電工儀表儀器的使用，元件伏安特性的測(cè)繪，基爾霍夫定律的驗(yàn)證，疊加原理的驗(yàn)證，戴維南定理的驗(yàn)證，交流電路參數(shù)的測(cè)定等，其中80%都是驗(yàn)證性試驗(yàn)，這樣不能很好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)不出企業(yè)需要的高端技能型人才。所以，改革后，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整為三類：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)[2]，其比例為3：4：3。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)指學(xué)生對(duì)電路原理進(jìn)行驗(yàn)證、鞏固加強(qiáng)理論知識(shí)的過程；應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)指教師對(duì)一些典型的電路實(shí)驗(yàn)設(shè)置隱性故障，讓學(xué)生自己去檢測(cè)、分析和排除的過程；綜合性實(shí)驗(yàn)指教師給出實(shí)訓(xùn)題目或者由學(xué)生自主選擇，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的電路圖并進(jìn)行測(cè)試，最終得到完整的實(shí)踐測(cè)試報(bào)告的過程。以上三類實(shí)驗(yàn)在Multisim仿真平臺(tái)下絕大多數(shù)都可以完成，并且學(xué)生能夠多次在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)，可以在實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上構(gòu)建電路并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，最后比較兩種測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析。通過這種實(shí)驗(yàn)方式，學(xué)生能夠熟練的掌握常見電路問題的解決方法，提高了學(xué)生分析復(fù)雜電路問題的能力、開發(fā)電子線路的能力和創(chuàng)新能力。

2.2 Multisim仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

2.2.1 確定設(shè)計(jì)方案

仿真實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)兩級(jí)電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路并進(jìn)行測(cè)試，首先由學(xué)生自行提出設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理電路設(shè)計(jì)，然后在Multisim下構(gòu)建虛擬電路模型，接著進(jìn)行調(diào)試—修改—完善，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求和測(cè)量電路參數(shù)，并能寫出實(shí)踐測(cè)試報(bào)告[3]，其流程如圖1所示。

圖1 Multisim實(shí)驗(yàn)仿真仿真過程框圖

2.2.2 運(yùn)用Multisim設(shè)計(jì)兩級(jí)具有電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路

兩級(jí)具有電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。

2.2.3 仿真測(cè)量電路特征指標(biāo)

仿真測(cè)量電路特征指標(biāo)要求合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)、分析有無(wú)負(fù)反饋時(shí)放大倍數(shù)和頻率特性、非線性失真等電路特征指標(biāo)[4]。在輸入端接入正弦信號(hào)u（if=1 kHz、Ui=5 mV）。

（1）測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)

圖2 兩級(jí)電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路

不接輸入信號(hào)ui，將開關(guān)J1斷開，調(diào)節(jié)R10=35%使UC1=5 V,調(diào)節(jié)R11=55%使UC2=7 V。使用電壓表測(cè)各點(diǎn)電位，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩級(jí)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)

結(jié)論：由各點(diǎn)電壓可以判斷出晶體管可以工作在放大區(qū)，并與理論公式計(jì)算值相同。

（2）有無(wú)負(fù)反饋放大電路大倍數(shù)分析

接輸入信號(hào) Ui、R7負(fù)載、Rf=R5，將開關(guān) J1 斷開（無(wú)反饋）。在以上靜態(tài)工作點(diǎn)基礎(chǔ)上，打開仿真開關(guān)，雙擊示波器輸入波形和輸出波形相同，如圖3所示，并讀出電壓放大倍數(shù)Auo記錄數(shù)據(jù)在表2中。

圖3 無(wú)反饋輸入、輸出波形

表2 有無(wú)負(fù)反饋放大電路放大倍數(shù)

然后按鍵盤Space鍵，將開關(guān)J1閉合（有反饋），等待示波器輸出穩(wěn)定波形后觀察輸入和輸出波形，如圖4所示，并讀出電壓放大倍數(shù)Auf記錄數(shù)據(jù)在表2中。

圖4 有反饋輸入、輸出波形

結(jié)論：負(fù)反饋使放大電路大倍數(shù)減小。

（3）有無(wú)負(fù)反饋大電路通頻帶分析

接輸入信號(hào) Ui、R7負(fù)載、Rf=R5，將開關(guān) J1 斷開（無(wú)反饋）。在以上靜態(tài)工作點(diǎn)基礎(chǔ)上，打開仿真開關(guān)，雙擊波特圖儀觀察放大電路中頻段放電壓大倍數(shù)Auom，并用游標(biāo)查找電壓大倍數(shù)Auom下降的3 dB時(shí)下限截止頻率fL和上限截止頻率fH，如圖5所示，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)在表3中。

圖5 無(wú)反饋波特圖

表3 有無(wú)負(fù)反饋放大電路通頻帶

然后按鍵盤Space鍵，將開關(guān)J1閉合（有反饋），等待輸出穩(wěn)定雙擊波特圖儀觀察放大電路中頻段放電壓大倍數(shù)Aumf，并用游標(biāo)查找電壓大倍數(shù)Aumf下降3 dB時(shí)下限截止頻率fLf和上限截止頻率fHf如圖6所示，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)在表3中。

圖6 有反饋波特圖

結(jié)論：負(fù)反饋使放大電路能夠擴(kuò)展通頻帶。

（4）有無(wú)負(fù)反饋大電路非線性失真的分析

接輸入信號(hào)Ui、Rf=R7，在以上靜態(tài)工作點(diǎn)基礎(chǔ)上，打開仿真開關(guān)，雙擊失真分析儀，將開關(guān)J1斷開（無(wú)反饋）總諧波失真數(shù)為8.208%；然后按鍵盤Space鍵將J1閉合（有反饋）總諧波失真數(shù)為0.162%。

結(jié)論：反饋對(duì)放大電路抑制了非線性失真。

4 結(jié)束語(yǔ)

在電子實(shí)驗(yàn)中引入Multisim仿真的手段取得了較好的教學(xué)效果，鞏固了學(xué)生的理論知識(shí)，也提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力，對(duì)培養(yǎng)高職學(xué)生綜合素質(zhì)起到了積極作用，也是今后電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的趨勢(shì)之一。

[1]李國(guó)麗，應(yīng)艷杰，盛 華，吳根忠，周文委.電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(5)：30-31.

[2]羅正祥.提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)地位培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，25(6):589-592.

[3]李蘭英.專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)開放教學(xué)的理論與實(shí)踐[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)林教育版)，2005，7(3):39-41.

[4]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，1988.