Multisim 在電工電子教學中的應用

丁業兵，譚學琴

Multisim 在電工電子教學中的應用

丁業兵，譚學琴

針對高職高專院校電工電子技術課程教學的需要，分析和研究了Multisim虛擬仿真軟件在電工電子教學中的應用。電工電子技術主要包括電路基礎、模擬電路和數字電路部分，用Multism軟件分別仿真和實現了戴維南定理、單極晶體管放大電路和計數器3種典型試驗。仿真實驗結果表明：合理利用Multisim軟件直觀、高效的設計仿真測試功能，不失為一種有效的實驗教學方式，與傳統理論和實驗教學相結合，可以幫助學生理解、鞏固理論知識，提高學生學習興趣，拓展學生設計思維能力。

電工電子技術；實驗教學；Multisim；仿真

0 引言

電工電子技術是高職高專院校工科專業的一門重要專業基礎課[1]，講述的是電工、電子技術中最基本的概念、定律及分析方法等具共性的知識內容，學好這門課程的意義和作用不言而喻。然而縱觀古今和東西，能學好這門課程的中高職學生畢竟很有限，其原因有3方面，其一是因為學生自身基礎薄弱的因素存在，其二是因為本門課程內容較抽象較難理解，其3是傳統的理論和實驗教學方式并沒有發揮出完全的功力，造成教學效果不理想。如何解決這些問題，一直是擺在教學人員面前的課題，理論相對晦澀難懂，實驗又受到時間、設備等因素的牽制，學生對理論和實踐之間的思考缺乏橫跨的橋梁，想象空間受限。

隨著電子和計算機技術的飛速發展，電子設計自動化應運而生，Multisim就是一款美國NI（National Instruments）公司開發的以電子電路設計與仿真為主要功能的EDA（Electronic Design Automation）軟件[2-4]。Multisim擁有交互式、圖形化的學習環境，可以將枯燥的電路理論視覺化。如果將Multisim看作是一個用計算機虛擬的實驗室平臺，那么這個實驗室里有功能齊全的元件庫，還有萬用表、信號發生器、示波器等虛擬儀器儀表。

不妨用Multisim軟件作為一種工具和手段應用于電工電子技術相關內容的教學之中[5-6]，這就相當于擁有了一個移動的實驗室，既可以在已有的計算機機房做實驗，也可以把實驗搬回宿舍。如此，便實現了學生在理論、仿真、實驗室實驗之間的無縫移動，適度填補了理論與實踐之間的空白。

文中主要以戴維南定理、單級晶體管放大電路和三位同步計數器為例，討論了Multisim12.0軟件的仿真實驗效果。

1 仿真實驗

在學習理論內容以后，用Multisim軟件進行仿真電路設計、驗證、測試和分析，幫助學生理解和鞏固理論知識，學生也可設計與課堂和課后作業相關的電路。仿真實驗既可以模擬傳統實驗室中的實驗，也可以運用虛擬儀器擴展實驗功能。

1.1 戴維南定理仿真驗證

戴維南定理是電路分析基礎中的重要內容，然而部分高職學生卻總不能理解和掌握，不知道怎么對有源二端網絡進行戴維南等效變換。運用Multisim軟件可以直觀形象的對戴維南定理進行仿真驗證。

戴維南定理的內容是任何一個線性有源二端網絡，可以用一個理想電壓源US和一個電阻R0串聯來等效代替，其電壓源電壓等于二端網絡的開路電壓，電阻值等于除去電源后網路端口的電阻值，除去電源的原則是電壓源短路，電流源開路。從元件庫中選擇相應的元器件，電路設計，如圖1所示：

圖1 戴維南定理仿真電路

負載為RL，求RL的電壓或電流，可以用戴維南定理進行等效變換。

圖1中負載支路串聯了一個萬用表“XMM2”，用來測電流，并聯了一個萬用表“XMM1”，用來測電壓。當開關S1打開、S2閉合、S3打開時，將萬用表設置成電壓測試方式，測量開路電壓；當開關S1閉合、S2打開、S3打開時，將萬用表設置成電流測試方式，對除去電源后的網絡端口進行電阻值測量。測得的數據與負載組合成等效電路，如圖2所示：

圖2 戴維南等效電路

圖2中箭頭為測量探針，可以測試電路中任意節點的電流、電壓值，測試數據為背景中顯示值，與圖1中測試數據進行比較，驗證結果一致，數據如表1所示：

表1 戴維南定理驗證數據

最后再進行理論驗證，以確保實驗數據的準確性。從以上仿真實驗可見，Multisim軟件設計電路直觀、形象，其中的虛擬萬用表和測量探針為電路分析提供了極大的方便。

1.2 單級晶體管放大電路仿真

晶體管（三極管）可以工作在飽和、截止、放大3種工作狀態，了解、掌握晶體管的這3種工作方式是模擬電路的基本學習內容。對于學生來說模擬電路理論較為抽象，所以學習效果往往不理想。下面以分壓式偏置放大電路為基礎分析單級晶體管放大電路工作情況，用Multisim進行仿真調試，形象的圖像界面將抽象理論通過視覺化展現在學習者的面前。仿真電路，如圖3所示：

圖3 單級晶體管放大仿真電路

R1、R2是基極分壓電阻，R1是可調電阻，R3是集電極電阻，R4是發射極反饋電阻，“XFG1”是信號發生器，“XFG1”是雙通道示波器，編號為2、3、4的結點處分別接了測量探針。

通過調節可變電阻R1能獲得晶體管的3種工作狀態，①當U2>U4，U3>U2時，工作在放大狀態；②當U2>U4，U2>U3時，工作在飽和狀態；③當U2

表2 晶體管三種工作狀態數據

工作波形從示波器觀察，示波器A通道接信號發生器，顯示輸入波形，B通道接負載，顯示輸出波形，如圖4所示：

圖4 示波器顯示輸入輸出電壓波形

圖4中曲線2為信號源正弦波，曲線1為放大信號波形，顯示刻度值可自行靈活設置。

通過觀察示波器顯示波形圖可分析輸入輸出交流電壓情況，從圖4可見，此放大電路相位相反。如果飽和失真，波形呈下削頂狀態，如果截止失真，波形呈上削頂狀態。1.3 同步二進制加法計數器仿真

Multisim為數字電路提供了強大的仿真功能，其中有包含集成邏輯門、編碼器、譯碼器、寄存器、計數器等元件庫，也有測試、分析這些邏輯電路功能的輔助虛擬儀器，如邏輯轉換器、邏輯分析儀、字信號發生器等。以同步二進制加法計數器為例來說明其在數字電路中的應用，仿真電路如圖5所示：

圖5 同步三位二進制加法計數器仿真電路

圖5中用3個JK觸發器構成了三位同步二進制加法計數器，時鐘信號源提供同步觸發信號，低位觸發器JK端接高電平，次低位觸發器JK端接低位觸發器的輸出Q0端，Q0和Q1相與后接入高位觸發器的JK端，與門芯片為74LS08，數碼管譯碼顯示出十進制計數值，當然也可以用邏輯分析儀驗證輸出的時序波形圖正確與否。

2 總結

學員只要在一臺安裝有Multisim軟件的計算機上就可以進行仿真實驗，解決了傳統實驗室資源有限，儀器儀表等設備易老化、損耗等問題。Multisim軟件數據庫中包含電工電子領域各式各樣豐富的模擬真實元器件，各類型元件的參數可以進行靈活設置，并提供有萬用表、示波器等模擬真實儀器儀表，還有邏輯轉換器、邏輯分析儀等虛擬儀器，這是傳統實驗室所無法比擬的。Multisim軟件直觀的圖形化界面，擁有強大的分析功能，不僅能夠進行理論分析驗證，還可以進行電路設計、開發，培養學生的自主創新能力。當然，Multisim不能因為它虛擬仿真功能的強大而完全代替傳統實驗，但是可以嘗試把它作為一種有效的輔助工具，結合理論與實踐，應用于電工電子技術教學之中。

[1] 曾令琴.電工電子技術[M]. 第3版. 北京:人民郵電出版社,2012.

[2] 張晶,李心廣.基于multisim的電路設計與仿真[J]. 計算機仿真,2005,22(5):109-110.

[3] 王延才. 基于Multisim的電路仿真分析與設計[J]. 計算機工程與設計,2004,25(4):65-67.

[4] 馬敬敏.基本RS觸發器工作狀態的Multisim仿真[J].電子設計工程,2011,19(17):24-26.

[5] 朱曉平. Multisim9在電工電子教學中的應用探討[J].合肥學院學報(自然科學版),2008,18(2):84-86.

[6] 羅廷芳,南江,李偉. NI Multisim在電工電子技術教學中的應用[J]. 電子設計工程,2012,20(6):154-157.

Design and Simulation of Counter Based on Multisim

Ding Yebing, Tan Xueqin
(Anhui Post and Telecommunication College, Hefei 23031, China)

In response to the need of Electrical and Electronic Technology teaching in the higher vocational colleges, this paper analysis and discusses the applications of Multisim simulation software in the Electrician and Electron Teaching. Electrical and electronic technology mainly includes fundamentals of circuit analysis, Multism software is used to simulate and implement three typical experiments which are the Thevenin theorem, the unipolar transistor amplifier circuit and digital circuit. The simulation results show that rational use of Multisim software’s intuitive and efficient test function in design simulation is a kind of effective experimental teaching method. Combined with the traditional theory and experiment teaching, it can help students understand and consolidate theoretical knowledge, arouse student’s interest in study and develop student’s ability of design thinking.

Electrical and Electronic Technology; Experiment Teaching; Multisim; Simulation

TP391

A

2014.10.11）

1007-757X(2015)01-0053-02

丁業兵（1978-），男，安徽巢湖，安徽郵電職業技術學院通信工程系，碩士，研究方向：信號與信息處理，合肥，230031

譚學琴（1982-），女，云南綏江，安徽郵電職業技術學院通信工程系，碩士，研究方向：信號處理，合肥，230031