教學(xué)做一體化的模電課堂——基于Multisim軟件的運(yùn)用

王 凱

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

0 引言

1 目前的教學(xué)情況

模擬電子技術(shù)理論性、實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容繁雜、抽象難懂，要求學(xué)生對各個(gè)元器件的參數(shù)以及不同元器件的組合會呈現(xiàn)什么樣的特性有充分了解。這門課程往往在大一開設(shè)，很多學(xué)生對這些元器件初次接觸，在并沒有很好了解的情況下，面對大量的公式推導(dǎo)和乏味的理論分析逐漸對該課程失去了學(xué)習(xí)興趣。目前的教學(xué)模式，先進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，期末再進(jìn)行典型實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。這中間時(shí)間間隔太長，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不能及時(shí)幫助學(xué)生理解、驗(yàn)證理論，到做實(shí)驗(yàn)時(shí)理論已經(jīng)忘的差不多了。甚至出現(xiàn)上課聽不懂，實(shí)驗(yàn)不會做的惡性循環(huán)。應(yīng)充分發(fā)揮該課程實(shí)踐性強(qiáng)的優(yōu)勢來解決這一問題，引入新的教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。

2 教學(xué)與Multisim結(jié)合的必要性

美國的模塊化教學(xué)以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的使用充分鍛煉了學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)規(guī)律掌握知識。而我們的傳統(tǒng)理論式教學(xué)無法讓學(xué)生體會到該課程的真正魅力以及在實(shí)際中的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，EDA軟件的出現(xiàn)，電子設(shè)計(jì)已經(jīng)由傳統(tǒng)的“手工設(shè)計(jì)”階段發(fā)展到“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”階段。Multisim界面簡潔，操作簡單，元件庫豐富，適合模電教學(xué)的使用，將Multisim引入《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》的課程教學(xué)，讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的同時(shí)看到各個(gè)器件的特性、電流通過各個(gè)器件的各種變化及其仿真結(jié)果。增強(qiáng)了學(xué)生對新事物的感性認(rèn)識，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度看，在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，各種新型器件，芯片不斷更新?lián)Q代。由于實(shí)驗(yàn)室受客觀條件的限制，不僅不能及時(shí)的提供最新的元器件，而且存在儀器和元件的損壞問題，教學(xué)效果不理想。利用Multisim軟件進(jìn)行模擬電子技術(shù)的輔助教學(xué)，可以很好的解決這些問題。

3 Multisim軟件介紹

NI Multisim是一款著名的電子設(shè)計(jì)自動化軟件，與NI Ultiboard同屬美國國家儀器公司的電路設(shè)計(jì)軟件套件。Multisim在學(xué)術(shù)界以及產(chǎn)業(yè)界被廣泛地應(yīng)用于電路教學(xué)、電路圖設(shè)計(jì)以及SPICE模擬。適用于板級的模擬、數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)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。

Multisim的主要功能與特點(diǎn)：

1）直觀、方便的人機(jī)界面。電路的創(chuàng)建、器件的選用和虛擬測試儀器均可方便的選取，而且虛擬測試儀器齊全，外管與實(shí)物相似，操作如同真實(shí)設(shè)備一樣。

2）擁有龐大的元件庫，、更新及時(shí)。增強(qiáng)了仿真電路的實(shí)用性，同時(shí)可以由用戶自己新建或擴(kuò)充已有的元件庫，所需參數(shù)可從廠家的產(chǎn)品使用手冊中查到。

3）強(qiáng)大的電路分析能力。能夠完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析等電路的分析方法，從而幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的性能。

土壤是種子生根發(fā)芽的重要基礎(chǔ)條件，但依據(jù)多樣化的傳播形式，隨機(jī)掉落至地面之上。很多種子在適合的環(huán)境中生產(chǎn)，植被逐漸的狀態(tài)，但也有很多種子掉落至比較惡劣的環(huán)境之中，在土壤中逐漸消亡，在此，仍有一部分種子會處于休眠狀態(tài)中，被稱之為土壤種子庫。很多動物以種子為食，在環(huán)境要素與生物要素影響下，部分種子萌芽，部分種子消亡，很多休眠中的種子成為了植被恢復(fù)更替的內(nèi)在動力。質(zhì)量比較小的種子具有持久種子庫的優(yōu)勢。因此，植被在種子階段時(shí)，種子庫為植被的恢復(fù)與更新創(chuàng)造了良好的條件，長期保存著種子的活力，并在適宜的環(huán)境中發(fā)揮其生態(tài)意義。

4）適用范圍廣。可以完成電工電路、模擬電路、數(shù)字電路及射頻電路等。可對仿真電路各個(gè)元器件設(shè)置不同故障，觀察不同故障下的電路工作狀況。仿真的同時(shí)，軟件可以存儲測試的所有數(shù)據(jù)、測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形。

4 Multisim在《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用方案

在教學(xué)中，安排部分學(xué)時(shí)為上機(jī)課，Multisim作為理論聯(lián)系實(shí)踐的橋梁，一方面可以加深對理論知識的理解，另一方面為動手實(shí)踐做好鋪墊，讓教、學(xué)、練有機(jī)的結(jié)合起來。

1）針對“教”

教學(xué)中可以將理論教學(xué)與仿真環(huán)節(jié)同時(shí)進(jìn)行，邊將邊用軟件構(gòu)建電路。Multisim的元件庫中提供了數(shù)千種實(shí)際元件和仿真元件供選用，繪制電路圖非常方便，元件參數(shù)可根據(jù)需要更改。繪制完成后進(jìn)行仿真，使抽象的概念形象化。對所講電路進(jìn)行即時(shí)分析，各個(gè)元件的工作過程生動形象的展示在屏幕上，具有極好的演示效果，提高模擬電路課程的趣味性和直觀性。使學(xué)生始終保持極高的學(xué)習(xí)興趣。

如：利用Multisim觀察半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦?/p>

在Multisim中構(gòu)建二極管電路，如圖1（a）所示，圖中VD是虛擬二極管，輸入端加上最大值Uim=4，頻率為1kHz的正弦波電壓，接入一臺虛擬示波器XSC1，這是一臺雙蹤示波器，有A、B兩個(gè)通道，A端接二極管電路的輸入端，B端接電路的輸出端，如圖1（a）所示。

圖1 二極管仿真電路

電路仿真以后，可向?qū)W生展示示波器，觀察到輸入、輸出波形，如圖1（b）所示。為便于區(qū)別，用較淺顏色色顯示輸入波形，用較深顏色顯示輸出波形。由圖可見，輸入信號是一個(gè)雙向的正弦波電壓，而經(jīng)過二極管以后，在輸出端得到一個(gè)單方向的脈動電壓，學(xué)生可以直觀的了解二極管具有單向?qū)щ娦浴?/p>

2）針對“學(xué)”

要求學(xué)生學(xué)會模擬電子技術(shù)方面的基本知識、基本理論，對各自放大電路有一定的認(rèn)識，可以分析各種放大電路的特點(diǎn)。同時(shí)要求掌握Multisim的簡單使用方法。

3）針對“做”

在學(xué)生掌握一定的模電知識和對Multisim比較熟悉后，教師布置一些基礎(chǔ)電路圖，讓學(xué)生完成仿真，使學(xué)生在完成仿真過程中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，掌握知識點(diǎn)。

如：單管共射放大電路Multisim仿真

指導(dǎo)學(xué)生在Multisim中構(gòu)建單管共射放大電路如圖2（a）所示，電路中三極管的

（1）測量靜態(tài)工作點(diǎn)

讓學(xué)生在仿真電路中接入三個(gè)虛擬數(shù)字萬用表，分別設(shè)置為直流電流表或直流電壓表，以便測量IBQ、ICQ和UCEQ，如圖2（b）所示。

電路仿真后，可測得 IBQ=40.19μA，ICQ=2.007mA，UCEQ=5.979V。

（2）學(xué)生觀察輸入輸出波形

圖2（a）中的單管共射放大電路仿真后，學(xué)生可從虛擬示波器觀察uI到uO和的波形如圖2（c）所示。突入顏色較淺的是uI的波形，顏色較深的是uO的波形。由圖可見，uO的波形沒有明顯的非線性失真，而且uO與uI的波形相位相反。

將圖2（a）中的虛擬數(shù)字萬用表分別設(shè)置為交流電壓表或交流電流表。 由虛擬儀表測得，當(dāng) Ui=9.998mA時(shí)，Uo=783.331mV，Ii=10.481μA，則

為了測量輸出電阻Ro，可將圖2（a）電路中的負(fù)載電阻RL開路，此時(shí)從虛擬儀表測得，則

讓學(xué)生將以上仿真結(jié)果與課堂上所講的估算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律。

圖2 單管共射放大電路

5 總結(jié)

要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果就必須根據(jù)時(shí)代的發(fā)展不斷的更新教學(xué)方法和教學(xué)手段。Multisim是一款郵箱的電路設(shè)計(jì)與仿真分析軟件，在教學(xué)中利用Multisim將模擬電路安排到計(jì)算機(jī)機(jī)房進(jìn)行授課。讓學(xué)生邊學(xué)邊練，不僅可以使學(xué)生更好的掌握理論知識，還可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、綜合分析能力、排出故障能力和開發(fā)設(shè)計(jì)能力，更重要的是讓學(xué)生掌握知識的同時(shí)掌握了一款實(shí)用的軟件。將對學(xué)生今后的學(xué)習(xí)乃至工作都有巨大的幫助，學(xué)校培養(yǎng)出符合社會需求的高素質(zhì)人才。

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［3］蔣卓勤.Multisim及其在電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

［4］解月珍.電子電路計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.