基于Multisim的電工及工業電子學課程仿真實驗設計

王爾申，李 軒，王相海，龐 濤

(沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136)

“電工及工業電子學”課程是高等院校工科非電類專業重要的技術基礎課,具有信息量大、理論性和實踐性強的特點[1-2]。該課程在沈陽航空航天大學很多院系的專業課程體系中發揮著承前啟后的作用，對人才的培養舉足輕重。該課程又分為電工技術和電子技術兩部分內容，分別安排在大二下學期和大三上學期，并配有獨立的實驗教學環節。電工及工業電子學課程在1994年被評為沈陽航空航天大學一類課，又于1998年和2001年兩次通過校一類課的復評，并于2002年被評為遼寧省省級精品課，2013年獲批遼寧省省級資源共享課建設課程。

隨著電工及工業電子學課程教學內容的不斷擴充，該課程實驗教學內容也需要同步更新。開設仿真實驗，既可以擴展實驗內容，讓學生有機會獨立開展更多的探索性、研究性實驗，又可以緩解實驗內容與學時之間的矛盾，還有利于學生掌握現代仿真軟件工具、培養學生的實踐能力和創新能力[3]。

1 Multisim仿真在實驗教學中的應用優勢

Multisim仿真軟件為電子電路仿真提供了豐富的元件數據庫，也提供了種類多樣且標準化的仿真儀器，包括萬用表、示波器、邏輯分析儀、失真度分析儀、波特圖測試儀等[4]。引入Multisim軟件，可以幫助學生將學到的理論知識用計算機仿真再現,更快、更好地掌握教學內容,加深對概念、原理的理解[5-6]。另外，Multisim可以對電路設置故障，以觀察故障情況下電路的各種狀態，進而培養學生的綜合能力和創新能力,提高實驗教學質量[7-9]。

Multisim仿真實驗具備以下優點：

(1) 可解決實驗內容膨脹和學時減少的矛盾;

(2) 可彌補實物實驗的不足，實物實驗不易實現、不易觀察的內容可用仿真實驗彌補;

(3) 擴展了實驗的深度和廣度，為硬件電路的實現提供了正確的理論依據和設計方案，使課程實驗朝著“方案設計—軟件仿真—電路設計與制作—系統調試”這一工程實踐的流程發展;

(4) Multisim仿真實驗打破了時間和空間的限制，學生可以在不同的時間、地點自主進行實驗，增強分析問題和解決問題的能力;

(5) 可以讓學生掌握一種電類仿真軟件，為電路設計提供新的分析方法，為學生課后擴展實驗范圍提供技術基礎，并有利于學生開展探索性、研究性實驗。

為此，研究Multisim在電工及工業電子學實驗教學中的應用，通過設計的不同仿真實驗案例，提高教學效果和學生的實踐能力。

2 基于Multisim的電工及工業電子學仿真實驗設計

分別以電工及工業電子學課程中典型電路為設計實例，利用Multisim設計仿真實驗教學案例，通過仿真實驗提高學生對理論知識的理解能力以及學習積極性，使學生真正做到變被動學習為主動學習。

2.1 基爾霍夫電流和電壓定律的仿真驗證

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知識的學習。該部分內容的仿真實驗以驗證為主，利用Multisim仿真基爾霍夫定律，繪制具體電路，驗證理論教學中的結論。在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 驗證基爾霍夫電流定律的電路圖

由圖1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，幫助學生理解電路結點電流代數和等于零，以及電流的正負問題。

學生在學習基爾霍夫電壓定律時，對回路方向和電位降以及電位升之間的關系問題容易理解錯誤。為此，通過Multisim仿真實驗可以直觀地觀察到測試結果(見圖2)。

圖2 驗證基爾霍夫電壓定律的電路圖

由圖2可知：V1=12 V，V2=-4.407 V，V3=-3.186 V，V6=-4.407 V。從而，可以得到：V1+V2+V3+V6=0，仿真驗證了基爾霍夫電壓定律。

2.2 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分析是電子學課程中一個重點內容，尤其是小信號放大電路動態性能分析，在實際中應用十分廣泛。結合Multisim對共發射極分壓式偏置電路進行仿真，使學生能夠直觀地理解信號放大的原理，以及靜態工作點設置與信號失真的關系。在Multisim環境中設計的晶體三極管放大電路如圖3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Vb=2.42 V，Vc=7.41 V，Ve=1.79 V。此時，在輸入端輸入一個正弦信號，輸出端將輸出一個放大的信號(見圖4(a))。圖中，示波器上半部分顯示的為輸入信號波形，下半部分顯示的波形為輸出波形。調節R7=13.6 kΩ，輸出端信號將出現飽和失真(見圖4(b))；調節R7=340 kΩ,則由于靜態工作點過低，輸出端信號將出現截止失真(見圖4(c))。

圖3 晶體三極管放大電路

圖4 晶體三極管放大電路測試結果

2.3 運算放大器的電路仿真驗證

運算放大器在實際的電路設計中應用十分廣泛。運算放大器可以用來設計信號調理電路，完成比例、積分、微分、濾波以及信號發生器等功能[10]。掌握了運算放大器的使用，可以方便地設計各種控制電路。本文以LM324為例設計仿真實驗。

2.3.1 反向比例放大器仿真分析

圖5 反相比例放大器

為了驗證電路的性能，輸入頻率為500 Hz、峰值為99.72 mV的正弦信號，輸出信號峰峰值為1.98 V，輸入和輸出相位差為π，信號幅度之比約為10。值得注意的是，運算放大器的開環增益有上萬倍，但由于引入了深度負反饋，放大器的增益只與外接的元件參數有關。

2.3.2 有源濾波電路仿真分析

濾波器就是一種選頻電路，它能夠從含有各種頻率成分的信號中選出有用的信號。利用運算放大器可以設計各種濾波器，這里僅對有源低通濾波器進行驗證，通過Multisim仿真一種Sallen-Key電路結構的濾波器的原理(見圖6(a))。

為了驗證該濾波器性能，設計截止頻率fc=10 kHz，取R1=R2=10 kΩ，C1=2 μF，C2=1 μF，其波特圖如圖6(b)所示。

圖6 低通濾波器電路仿真

由圖6(b)可知，在增益達到-2.728 dB時，fc=10.879 kHz。在0～10 kHz范圍內的頻率對應增益約為0 dB，并且增益穩定，符合理論設計要求。

2.3.3 運算放大器構成信號發生器仿真分析

運算放大器工作在開環或者是正反饋情況下，可以構成信號發生器。該電路采用維恩電橋振蕩電路，通過引入正反饋產生一個正弦信號，電路如圖7所示。運放反相端接反相差動放大電路，同相端接維恩電橋，電路振蕩時產生頻率為f=1/(2πRC)的正弦信號。

圖7 運算放大器構成信號發生器電路

當R1= 4.7 kΩ，R2= 10 kΩ，R3=R4= 16 kΩ，C1=C2=10 μF時，仿真結果表明振蕩頻率近似為1 kHz，和理論值相同。

2.4 555定時器電路仿真分析

555時基電路是一種模擬/數字混合集成電路，在外部配上適當阻容元件，可以方便地構成脈沖產生、整形和變換電路，如多諧振蕩器、單穩態觸發器、施密特觸發器、自動控制電路、頻率變換電路等。

圖8是用555時基電路構成的矩形波發生器，其高、低電平脈沖寬度分別為tp1=0.7(R1+R2)C2=0.595 s，tp2=0.7R2C2=0.413 s，占空比是D=tp1/(tp1+tp2)，周期T=tp1+tp2=1.008 s，頻率f=1/T。仿真結果如圖9所示，仿真結果與理論計算值相吻合。

圖8 555信號發生器仿真驗證電路

圖9 555信號發生器仿真電路測試波形

555定時器電路除了產生常見的正弦波、矩形波外，還可以產生三角波、鋸齒波等。矩形波是其他信號的基礎，例如，若矩形波信號加在積分運算電路的輸入端，則輸出可得三角波；改變積分電路正向積分和反向積分時間常數，使某一方向的積分常數趨于零，則可獲得鋸齒波。

3 結束語

基于Multisim軟件的電工及工業電子學仿真實驗可以作為實物實驗的補充。Multisim仿真實驗突破了實物實驗的時間和空間限制，提高了學生實驗的自主性，不僅為學生進行實物實驗奠定了基礎，而且提高了學生對實驗誤差的分析能力。通過引入仿真軟件，使電工及工業電子學課程實驗按照“方案設計—軟件仿真—電路設計與制作—系統調試”這一工程實踐的流程進行，提高了實驗教學質量，對培養學生綜合素質起到了積極的促進作用。

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