應(yīng)用Multisim提高“模擬電子技術(shù)”的教學(xué)效果

王心剛

(中國石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266555)

0 引言

“模擬電子技術(shù)”是電氣專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程概念多，實(shí)踐性強(qiáng)。概念清楚，但沒有足夠的實(shí)踐積累，往往會(huì)造成高分低能的現(xiàn)象。筆者發(fā)現(xiàn)Multisim仿真軟件引入課堂教學(xué)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。Multisim是集原理圖設(shè)計(jì)和電路功能測試于一體的虛擬仿真軟件。它的虛擬元器件庫有數(shù)千種電路元器件供仿真實(shí)驗(yàn)選用，它的虛擬儀器和儀表種類齊全，有實(shí)驗(yàn)室常用的萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器等。還有一些實(shí)驗(yàn)室沒有的儀器儀表，比如波特儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和四通道示波器等。Multisim軟件界面形象直觀，操作方便，易學(xué)易用，學(xué)生可以在較短的時(shí)間里掌握。上課中間，教師可以根據(jù)內(nèi)容需要，與學(xué)生一起搭建仿真電路，通過具體電路加深學(xué)生對(duì)概念的理解;教師可以在課后留一些擴(kuò)展性題目，讓學(xué)生自己查閱資料和設(shè)計(jì)電路，利用Multisim軟件搭建仿真電路進(jìn)行分析測試。對(duì)于新穎有使用價(jià)值的電路，如果仿真成功，可以到實(shí)驗(yàn)室將電路做出來。

1 應(yīng)用介紹

在“模擬電子技術(shù)”中有一些概念對(duì)于學(xué)生來說很抽象，比如第三章集成運(yùn)算放大器中的虛短、虛斷和uoPP等。在學(xué)第三章時(shí)，學(xué)生沒有見過運(yùn)放的芯片，對(duì)uoPP到底是多少?zèng)]有直觀認(rèn)識(shí)。雖然在第五章學(xué)完后有一個(gè)運(yùn)放的實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)的目的是應(yīng)用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算關(guān)系，而非驗(yàn)證這些概念。因此，實(shí)驗(yàn)后學(xué)生對(duì)這些概念還是模棱兩可的。在將Multisim引入課堂后，在講運(yùn)放時(shí)先將虛短、虛斷和uoPP等概念講給學(xué)生，使學(xué)生在理論上理解這些概念。在第五章可就某個(gè)具體電路，比如反相比例運(yùn)算電路，通過仿真測得數(shù)據(jù)和波形，讓學(xué)生在許多數(shù)據(jù)中自己歸納出相關(guān)概念的含義。通過這樣反復(fù)講解，學(xué)生對(duì)于這些概念就有了深刻的理解，為以后課程設(shè)計(jì)以及參加各種電子競賽打下良好的基礎(chǔ)。

2 實(shí)際電路

反相比例運(yùn)算電路如圖1所示。利用虛短和虛斷，可以得到輸出uo和輸入ui之間的運(yùn)算關(guān)系為u0= －(RF/R1)ut，當(dāng) RF取 100kΩ，R1取 10kΩ 時(shí)，該電路的放大倍數(shù)為-10。R2為平衡電阻，其值等于RF//R1。講到這里時(shí)，我們?nèi)绻麊柈?dāng)ui取值分別為 0.1，0.15，1，1.5V 時(shí)，uo分別為多少? 學(xué)生通常會(huì)回答為-1，-1.5，-10，-15(V)。從這個(gè)回答可以看出，學(xué)生對(duì)uoPP的概念并不清楚，因此不去考慮運(yùn)放所加的電源電壓。另外，學(xué)生認(rèn)為此電路加了負(fù)反饋，運(yùn)放一定工作在線性區(qū)，因而不去考慮信號(hào)的大小對(duì)運(yùn)放的影響。

圖1 反相比例運(yùn)算電路

3 仿真電路和仿真波形

在連仿真電路時(shí)，元件盡可能選取在實(shí)驗(yàn)室中用的元器件，而不是虛擬的元器件，這樣做可以使學(xué)生在虛擬中有真實(shí)的感覺。仿真電路如圖2所示。在仿真時(shí)輸入分交流和直流兩種信號(hào)，每種信號(hào)取值若干。由于上課時(shí)間有限，電源的大小只在輸入取直流信號(hào)時(shí)改變。

圖2 反相比例運(yùn)算電路仿真電路

輸入取正弦信號(hào)，其有效值分別取0.1，0.15，1，1.5(V)，電源電壓為±15V，所對(duì)應(yīng)的仿真值如表1所示。

表1 輸入取正弦交流信號(hào)，電源為±15V的仿真值

在觀察電壓表uo的讀數(shù)時(shí)，有學(xué)生提出疑問，反相比例電路輸出輸入不是反相的嗎?表的讀數(shù)怎么會(huì)是正的?當(dāng)提醒他們，信號(hào)為正弦交流信號(hào)時(shí)，學(xué)生馬上反應(yīng)了表測的是有效值。接著提問學(xué)生，如何看出輸出輸入是反相的呢，回答用示波器。在打開示波器之前，讓學(xué)生先想一下二者的波形，然后再看示波器的波形，觀察想的和看到的有什么不一樣。當(dāng)輸入為0.1，0.15，1(V)時(shí)，學(xué)生想的和看到的是一樣的，波形如圖3(a)所示。當(dāng)輸入為1.5V時(shí)，學(xué)生想的波形依然是圖3(a)的波形，示波器顯示的卻是圖3(b)的波形。當(dāng)真實(shí)地看到輸出的失真波形時(shí)，學(xué)生對(duì)uoPP有了感性的認(rèn)識(shí)。

學(xué)生對(duì)于放大電路常有個(gè)錯(cuò)覺，即放大電路只能放大交流信號(hào)，不能放大直流信號(hào)。為了消除此錯(cuò)誤看法，將輸入信號(hào)改為直流，其大小分別取為0.1，0.15，±1，±1.5，±2(V)。為了加深學(xué)生對(duì)uoPP的理解，741的電源電壓分別取±15V和±5V。

電源電壓取±15V，仿真值如表2所示。電源電壓取±5V，仿真值如表3所示。

表2 輸入取直流信號(hào)，電源為±15V的仿真值

4 仿真結(jié)論

從表1～表3仿真數(shù)據(jù)，可總結(jié)出下面的結(jié)論。

(1)由運(yùn)放組成的反相比例放大電路既可以放大交流，也可以放大直流。

表3輸入取直流信號(hào)，電源電壓為±5V的仿真值

圖3 信號(hào)不同輸入幅度的顯示波形

(2)當(dāng)輸入信號(hào)太大時(shí)，運(yùn)放由線性區(qū)到了非線性區(qū)，在非線性區(qū)運(yùn)放的輸出由電源電壓決定。當(dāng)電源電壓為±15V時(shí)，輸出為±14.118V，電源電壓為±5V時(shí)，輸出為±4.118V。運(yùn)放的最大輸出電壓uoPP由電源電壓決定。

(3)流入運(yùn)放反相端和同相端的電流并不是0，不管運(yùn)放在線性區(qū)還是非線性區(qū)，這兩個(gè)電流都很小，在理論分析時(shí)，可以忽略，近似為0。

(4)輸入信號(hào)較小時(shí)，輸出跟隨輸入成比例變化，運(yùn)放工作在線性區(qū)，同相端電位與反相端電位相差不大，可近似認(rèn)為相等。當(dāng)輸入信號(hào)太大，輸出不再跟隨輸入變化，輸出為±uoPP，運(yùn)放工作在非線性區(qū)，同相端電位與反相端電位相差很大，u+＞u-，uo= +uoPP;u+＜ u-，uo=-uoPP。

通過這個(gè)仿真電路，學(xué)生對(duì)虛短和虛斷、uoPP有了感性認(rèn)識(shí)，對(duì)運(yùn)放的電壓傳輸特性也有了更為深刻的理解。

5 總語

用Multisim進(jìn)行電路仿真，占用時(shí)間少，設(shè)計(jì)的內(nèi)容可以很多。以上面的案例為例，從搭建電路，到整個(gè)仿真結(jié)束，時(shí)間不超過15分鐘。這個(gè)時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室是不可能完成的。通過期末考試成績和課程設(shè)計(jì)的完成來看，將Multisim引入模擬電子技術(shù)課堂后，增加了學(xué)生對(duì)該門課程的興趣，提高了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高起到了一定的作用。

［1］ 劉潤華，李震梅.模擬電子技術(shù)［M］.東營:中國石油大學(xué)出版社，2008.3

［2］ 莊俊華.Multisim9入門及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.2

［3］ 李玉長，尹均萍.Multisim9在電工學(xué)教學(xué)過程中的應(yīng)用［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào).2010.9