Multisim仿真在模擬電路實驗教學中的應用

鄭 賓

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南 714000）

0 引言

高職模擬電路實驗教學課程涉及的電路概念原理多、理論性強、比較抽象，學生理解起來很費勁。通過對高職學生學習電工電子實驗課程問卷調查中，65%的同學認為需要老師的指導才能完成實驗任務并得到正確結論，35%的同學認為可以獨立完成實驗任務并得到正確結論［1］。目前在高職學校里很多實驗室的設備陳舊、資源有限，實驗內容大多是驗證性實驗，實驗項目沒有及時更新，實驗課時占整個教學課時的比例較小。由于高職生的自主學習性較差，教師必須要對現有的模擬電路實驗課程進行教學改革，采取多種教學方式，提高學生學習興趣。隨著計算機及網絡的飛速發展，計算機仿真技術在設計制造、教育科研等領域得到了廣泛的應用［2］。常用的電子設計仿真軟件有Protel、Pspices、Multisim等，通過計算機仿真實驗教學，學生能對電路原理及理論進行科學的驗證，會進行常規電路故障的分析與檢測，能設計簡單的電路并實現功能，大大加強了學生的動手能力和創新能力，有效解決了實驗儀器資源有限的問題，達到了良好的教學效果［3］。

1 Multisim軟件介紹

Multisim是美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力［4］。能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。目前使用較多的Multisim版本為Multisim 11.0，它具有更加形象直觀的人機交互界面，包含了Source庫、Basic庫、Diodes等15個元件庫，提供了我們日常常見的各種建模精確的元器件，比如電阻、電容、電感、三極管、二極管、繼電器、可控硅、數碼管等等［5］。模擬集成電路方面有各種運算放大器、其他常用集成電路。數字電路方面有74系列集成電路、4000系列集成電路等。同時支持自制元器件，具有數千種電路元器件，儀器儀表庫中還提供了萬用表、信號發生器、瓦特表、雙蹤示波器、波特儀（相當實際中的掃頻儀）、字信號發生器、邏輯分析儀、邏輯轉換儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、網絡分析儀和電壓表及電流表等儀器儀表［6］。幾乎能夠100%地仿真出真實電路的結果，并且容易制作電路模型，迅速了解電路行為，借助高級電路分析，理解基本設計特征［7］。

2 模擬電路實驗課程教學改革

2.1 實驗教學改革思路

現有的模擬電路試驗一般有如下內容：常用電工儀表儀器的使用、元件伏安特性的測繪、晶體管放大電路的調整與測量、差分放大電路測試、負反饋放大電路測試等［8］。其中80%都是驗證性實驗，這樣不能很好地鍛煉學生的動手實踐和創新能力，培養出企業需要的高端技能型人才。所以，實驗內容調整為3類：驗證性實驗、應用性實驗和綜合性實驗［9］，比例3∶4∶3。驗證性實驗指學生對電路原理進行驗證、鞏固加強理論知識;應用性實驗指教師對一些典型的電路實驗設置隱性故障，讓學生自己去檢測、分析和排除;綜合性實驗指教師給出實訓題目或者由學生自主選擇，設計出實驗項目的電路圖并進行測試，最終得到完整的實踐測試報告［10］（見圖1）。以上3類實驗在 Multisim仿真平臺下絕大多數都可以完成，并且學生能夠多次在計算機仿真環境下進行測試，同時可以在實物實驗平臺上構建電路并對其進行測試，最后比較兩種測試的實驗結果并進行分析。通過這種實驗方式，學生能夠熟練的掌握常見電路問題的解決方法，提高了學生分析復雜電路問題的能力，開發電子線路的能力和創新能力。

2.2 Multisim仿真實驗教學實例

設計兩級電壓串聯負反饋放大電路并測試，學生自行提出設計方案進行實驗原理電路設計，在Multisim下構建虛擬電路模型，然后調試—修改—完善，最終達到設計要求和測量電路參數并能寫出實踐測試報告［11］。

圖1 Multisim實驗仿真仿真過程框圖

兩級具有電壓串聯負反饋放大電路設計如圖2所示。要求合理設置靜態工作點、分析有無負反饋時放大倍數和頻率特性、非線性失真等電路特征指標［12］。輸入端接入正弦信號ui（f=1 kHz，Ui=5 mV）。

2.2.1 測量靜態工作點

不接輸入信號ui，將開關J1斷開，調節R10=35%使UC1=5 V，調節R11=55%使UC2=7 V。使用電壓表測個點電位，記錄數據在表1中計算［13］。

表1 兩級放大電路靜態工作點

結論：由各點電壓可以判斷出晶體管可以工作在放大區，并與理論公式計算值相同。

2.2.2 有無負反饋放大電路大倍數分析

接輸入信號 ui、R7負載、Rf=R5，將開關 J1斷開（無反饋），在以上靜態工作點基礎上，打開仿真開關，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Auo記錄數據在表2中［14］。

然后按鍵盤Space鍵，將開關J1閉合（有反饋），等待示波器輸出穩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Auf記錄數據在表2中。

結論：負反饋使放大電路大倍數減小。

2.2.3 有無負反饋大電路通頻帶分析

接輸入信號 ui、R7負載、Rf=R5，將開關 J1斷開（無反饋），在以上靜態工作點基礎上，打開仿真開關，雙擊波特圖儀觀察放大電路中頻段放電壓大倍數Auom，并用游標查找電壓大倍數Auom下降3 dB時下限截止頻率fL和上限截止頻率fH如圖5所示，同時記錄數據在表3 中［15］。

圖2 兩級電壓串聯負反饋放大電路

圖3 無反饋輸入、輸出波形

圖4 有反饋輸入、輸出波形

表2 有無負反饋放大電路放大倍數

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

結論：負反饋使放大電路能夠擴展通頻帶。

2.2.4 有無負反饋大電路非線性失真的分析

接輸入信號 ui、Rf=R7，在以上靜態工作點基礎上，打開仿真開關，雙擊失真分析儀，將開關J1斷開（無反饋）總諧波失真數為8.208%;然后按鍵盤Space鍵將J1閉合（有反饋）總諧波失真數為0.162%。

圖5 無反饋波特圖

圖6 有反饋波特圖

表3 有無負反饋放大電路通頻帶

結論：反饋對放大電路抑制了非線性失真。

3 結語

在電子實驗中引入Multisim仿真的手段達到了良好的教學效果，鞏固了學生的理論知識，提高學生的動手實踐和創新能力。對培養高職學生綜合素質起到了積極作用，也是今后電子實驗教學改革的趨勢之一。

（References）：

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