Multisim仿真在電工及工業電子學中的應用

王爾申， 李 鵬， 鄭 丹， 王瑞芳， 龐 濤

（沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧沈陽 110136）

0 引言

“電工及工業電子學”課程的主要任務是為學生學習專業知識和從事工程技術工作打下必要的電工電子技術方面的理論基礎［1］。沈陽航空航天大學開設該課程的院系包括航空宇航工程學院、能源與環境學院、民航與安全工程學院、材料科學與工程學院、機電工程學院等。該課程分為電工技術和電子技術兩門課程，分別在大二下學期和大三上學期進行教學，并配有獨立的實驗教學環節。電工及工業電子學課程在1994年被評為校一類課，又于1998年和2001年兩次通過校一類課的復評。在2002年被評為遼寧省省級精品課。

目前，隨著科技的進步和社會的發展，“電工及工業電子學”課程教學把傳授知識、培養能力、提高素質結合起來。圍繞這一宗旨來組織“電工及工業電子學”課程教學，并通過該課程培養有知識、能力強、素質高的具有航空特色以及相關領域的工程應用型人才，是目前許多從事該方面課程教育工作者一直在努力探索的問題［2-3］。

1 電工及工業電子學教學需要解決的問題

我校的“電工及工業電子學”課程在教學方法上，從1998年開始，理論教學率先在全院使用了多媒體教學手段，使得教學內容更加豐富，增加了課堂信息量，而且可以通過動畫等課件制作技巧，更加形象地給學生展示原理性知識，也更有利于向學生介紹一些教科書上沒有涉及到的，卻能代表當前技術發展的新電子工藝和器件，讓學生了解到有關電學方面的新的知識。此方法使得教學效果有所提高，學生反饋較好。然而，為了更好地推動“電工及工業電子學”課程教學水平的提高，將最新的技術成果應用在教學中，給學生提供更多思考問題的機會，提高學生借助相關電子工具軟件解決、分析問題的能力，“電工及工業電子學”課程在教學中還應在以下幾個方面進行探討［4-6］。

（1）提高學生的獨立性與自主性。目前，多數教師在課堂的教學中往往把課本知識當成定論，教學就是把結論告訴學生，讓他們理解了，記憶下來。用這種教學模式培養出來的學生可以有豐富的知識，但卻沒有自己的思想，缺乏自主性和獨立性。在需要學生提出問題、分析問題、解決問題時，他們常常會束手無策。

（2）提高學生對知識的掌握水平。在“電工及工業電子學”教學中，學生對知識的掌握基本停留在對關鍵知識的記憶上，面對與課本中的例題相類似的問題，他們尚可以舉一反三加以解決，但如何將所學理論運用到實際問題中，學生就常常顯得不知所措了。而且，在課堂教學中還應為學生提供和介紹一些有用的工具軟件，使那些對本課程想深入學習的學生清楚努力的方向，可以利用課余時間進行擴展學習。

（3）沒有充分利用計算機輔助設計軟件作為教學工具和教學手段。長期以來，“電工及工業電子學”課程教學，是以理論課教學、課程實驗等教學環節構成［7］。大多數學生對“電工及工業電子學”課程的學習不感興趣，主要是因為“電工及工業電子學”課程內容比較抽象、枯燥。如果在教學實踐中，結合理論課的教學，將Multisim作為輔助教學的工具，可使教學效果發生變化。

2 Multisim在電工及工業電子學理論教學中的特點分析

“電工及工業電子學”課程主要包括電工技術和電子技術兩部分，分為兩個學期進行。第一學期講授電工技術，其內容主要包括：電路的基本概念與基本定律、電路的分析方法、電路的暫態分析、正弦交流電路、三相電路、交流電動機和繼電器接觸器控制系統。第二學期講授電子技術，其主要內容包括模擬電路和數字電路兩部分。模擬電路包括半導體二極管和三極管、基本放大電路、集成運算放大器、直流穩壓電源，數字電路包括門電路和組合邏輯電路、觸發器和時序邏輯電路等內容。

為了更好地提高“電工及工業電子學”教學質量和效果，將在電子專業類課程中常常用到的Multisim軟件引入到“電工及工業電子學”課程中進行輔助教學。Multisim仿真軟件為電子電路仿真提供了數量豐富的元件數據庫，同時提供了種類多樣且標準化的仿真儀器，包括諸如萬用表、示波器、邏輯分析儀、失真度分析儀、波特圖測試儀等。Multisim作為以Windows為基礎的仿真工具，具有豐富的仿真分析能力以及完整的電路原理圖圖形輸入方式［8-9］。引入Multisim軟件幫助學生快速且輕松地將剛學到的理論知識用計算機仿真真實地再現出來，幫助學生更快、更好地掌握教學內容，加深對概念、原理的理解，并能熟悉常用的實驗儀器的測量方法，進一步培養學生的綜合能力和創新能力，提高了課程質量［10-12］。為此，本文研究Multisim在非電類專業“電工及工業電子學”中的應用，以期能夠提高學生對理論知識更好的掌握。

3 Multisim在電工及工業電子學理論教學中的應用

3.1 Multisim軟件在電工技術中的應用

3.1.1 基爾霍夫電流和電壓定律的驗證

基爾霍夫定律是電路理論中最基本的定律之一，也是最重要的定律之一，它闡明了電路整體結構必須遵守的規律，應用極為廣泛。對該定律掌握的好壞直接影響后續電路問題的學習。在課堂教學中經常發現學生對該定律掌握的不是很透徹，尤其涉及到參考方向以及電路的求解。針對這一問題，在課上講解例題的基礎上，利用Multisim仿真基爾霍夫定律，給出仿真結果，彌補理論教學的不足。Multisim環境中設計的驗證基爾霍夫電流定律的電路如圖1所示。

圖1 基爾霍夫電流定律驗證電路

由圖可知：I1+I2=I3，I3+I4=I2，從仿真實驗的角度驗證了基爾霍夫電流定律，克服了學生在理解電路結點電流代數和等于零容易出現的正負號問題。

基爾霍夫定律的另一部分為基爾霍夫電壓定律，在學生學習該定律過程中，對回路列電壓方程時，對回路方向和電位降以及電位升之間的關系問題容易產生錯誤，為此，在進行理論講解的同時，利用Multisim仿真直觀的給出測試結果。仿真電路圖和回路中各個電路元件上的電壓如圖2和圖3所示。

由仿真可知：U1=12 V，U2= －4.407 V，U3=－3.186 V，U6= －4.407 V。從而，可以得到：U1+U2+U3+U4=0，仿真驗證了基爾霍夫電壓定律。

3.1.2 疊加定理的驗證

疊加定理的學習工程中學生最容易出問題的地方在于對電壓源和電流源單獨作用時，其他電源的處理問題，而且在進行代數和計算式參考方向也容易出問題。為此在講解例題的基礎上，利用Multisim仿真疊加定理，給出仿真結果，使學生更好地理解該定理。Multisim環境中設計的驗證疊加定理的電路如圖4～6所示。

圖2 基爾霍夫電壓定律驗證電路

圖3 回路中元件電壓測量結果

圖4 疊加定理驗證電路

圖5 U1單個電源作用結果

圖6 U2單個電源作用結果

從圖4～6的測試結果可看出，各結點的電流和各元件的電壓都滿足代數和的關系，從仿真實驗的角度驗證了疊加定理，加深學生對該知識點的理解。

3.2 Multisim軟件在電子技術中的應用

3.2.1 晶體三極管放大電路仿真分析

晶體三極管放大電路的靜態工作點分析和動態性能的研究在電子技術中是一個重點內容，尤其是動態性能分析的是小信號的放大，在實際中應用十分廣泛［13-14］。結合Multisim對共發射極分壓式偏置電路進行仿真，使學生能夠更加直觀的理解信號的放大關系以及靜態工作點設置不合適引起的失真。Multisim環境中設計的晶體三極管放大電路如圖7所示。

為了使三極管能夠完成正常的信號放大，需要設置合理的靜態工作點，調節R7=136 kΩ，使Ub=2.42 V，Uc=7.41 V，Ue=1.79 V，此時，在輸入端作用一個正弦信號，輸出端輸出一個放大的信號，示波器測試結果如圖8所示。圖中，示波器上半部分顯示的波形為輸入信號，下半部分顯示的波形為輸出波形。

圖7 晶體三極管放大電路

調節R7=13.6 kΩ，此時在輸出端信號出現了飽和失真。測試結果如圖9所示。調節R7=340 kΩ，則由于靜態工作點過低，在輸出端出現了信號截止失真。測試波形圖如圖10所示。

3.2.2 數碼管控制與顯示電路仿真分析

圖8 晶體三極管正常放大測試結果

圖9 晶體三極管截止失真

圖10 晶體三極管飽和失真

“電工及工業電子學”下冊部分主要涉及電子技術內容。此部分教學，利用多媒體手段雖然可以通過動畫演示輸入和輸出的邏輯關系，但由于缺乏對實際物理器件運行結果真實的直觀認識，教學效果不很理想，尤其是在數字電路知識的講解過程中。上述問題可利用Multisim仿真軟件來解決［15］。Multisim仿真軟件提供了發光元件，如燈泡、發光二極管、數碼管等。課堂教學中利用這些元件的視覺效果去展示電路運行過程與結果［16］。圖11給出了利用所示74LS169十進制計數器和4511譯碼器驅動7段數碼管顯示的驗證電路。在時鐘脈沖的控制下，在數碼管上循環不斷地顯示0～9十進制數，形象的將顯示結果展示在學生面前，促進了學生對該部分知識點在實際應用中的思考。

4 結語

實踐證明，采用Multisim仿真輔助“電工及工業電子學”教學，有效解決了課堂教學環節中存在的諸多難題，取得了良好的教學效果。通過課堂理論知識的講授和Multisim仿真實驗的演示、分析，加深了學生對課程理論內容的理解，幫助其掌握常用儀器的使用方法和測量方式，為學生進入實驗室采用實物器件做實驗奠定了基礎，提高了學生做實驗時對引起誤差因素的分析能力，同時，也實現了課堂教學與實驗教學的有機結合，對培養學生綜合素質起到了積極的促進作用。

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