計算機仿真在電子技術課程中的應用

王 凡 吳佳楠電子科技大學中山學院機電工程學院 廣東中山 528402

?

計算機仿真在電子技術課程中的應用

王 凡 吳佳楠
電子科技大學中山學院機電工程學院 廣東中山 528402

摘 要：針對電子技術課程存在的課堂教學無法直觀展示電路特性；實驗項目單一并容易受元器件影響等問題。提出采用計算機仿真平臺應用于電子技術課程，并結合教學實際，展示Multisim在教學與實驗中的應用。證明采用計算機仿真技術可以有效地豐富課堂內容，增強直觀感受，提高學生的主動探索精神。

關鍵詞：計算機仿真；電子技術；Multisim

電子技術是通信、計算機、自動控制等專業的基礎能力。很多電子線路的效果都需要逐步地保證正確，才能最終發出正確信號。如“幅頻”“反饋”等電子抽象性概念多，對初學者實踐綜合能力要求較強。傳統的課程教學與實驗環節，缺乏直觀的數據體現，因此需要進一步完善課程體系，使學生水平與應用型人才培養目標相符合，提升學科知識融合能力、工程應用實踐能力以及學生創新能力[1]。

1 電子技術課程現狀

電子技術是一門實踐性非常強的課程。目前大部分高校的電子技術課程的難點主要體現在對宏觀現象的微觀分析，而隨著外界因素的改變，如何分析電路狀態的變化。在傳統的教學環節雖然可以進行數學方面的推導，但是由于課堂時間有限，復雜電路的外界變量眾多，學生無法直觀地認識到電路狀態變化情況。同時學生在學完課堂知識之后也沒有手段可以快速實踐電路理論。

電子技術實驗主要集中在驗證性實驗，實驗實踐動手操作部分也是以模塊集成化實驗設備為主，需要動腦少，僅僅是通過實驗指導書的接線方式，把實驗連線搭接完成基本上就可以完成實驗了。只適合做一些有限的和驗證性的一些實驗，不利于擴展學生的思維和創新性，也不適合有能力的學生做進一步設計開發性的實驗[2]。在學完實驗課程之后，不少學生還不能分析和調試實際電路，也不能分清集成電路等元器件引腳，甚至不會用最常用的電子儀器儀表(如萬用表和示波器等)。電子實驗又不允許出現過多的誤操作，將電子元件燒壞或帶來安全隱患。而學生無法根據自己的興趣和需求進行實驗，不利于學生專業能力的拓展與創新思維的培養[3]。

2 計算機仿真技術在電子技術課程中的應用

2.1 電子設計的計算機仿真技術簡介

EDA是電子設計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫，EDA仿真平臺是應用學生熟悉的計算機平臺，通過動手實踐，親身體驗電路的變化情況，能夠為學生提供一個直觀、形象的學習平臺[4]。知識以仿真實驗的方式傳遞，降低學生學習難度，激發學生的學習興趣。并可以將EDA仿真作為課程設計的一部分，在實驗學時有限的情況下，可以讓學生在課余時間完成實踐環節。

在電子技術課程中常用的計算機仿真軟件包括了Matlab，PSPICE，Multisim等。其中，Matlab有眾多的面向具體應用的工具箱和仿真塊，包含了完整的函數集用來對圖像信號處理、控制系統設計、神經網絡等特殊應用進行分析和設計。PSPICE可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數據輸出、并在同一窗口內同時顯示模擬與數字的仿真結果。Multisim其儀器儀表庫中的各儀器儀表與操作真實實驗中的實際儀器儀表完全沒有兩樣，但它對模數電路的混合仿真功能卻毫不遜色，幾乎能夠100%地仿真出真實電路的結果。因此作為對課堂或者實驗內容的擴展與補充，Multisim就顯得更貼近于實際應用環境。

Multisim的前身是EWB(Electronics Workbench)，具體系統高度集成，界面直觀，操作方便，主要表現在元器件的選取、電路的輸入、虛擬儀器的使用以及各種分析都可以在屏幕窗口上直接操作，與實物一樣直觀。在升級到Multisim之后，成為緊密集成，終端對終端的解決方案，可以利用這一個軟件完成電子工程項目從最初的概念到最終成品的全過程。特別是單獨教育版就提高了近兩萬種元器件，這些器件或者設備與現實實驗環境完全一致[5]。為學生提供了虛擬的3D面包板實驗平臺和3D元件庫，學生可以在此基礎上自己搭建電路。同時Multisim具有強大的仿真分析能力，利用在仿真平臺搭建的電路就可以基本確定電路的工作狀態。Multisim還具有多種常用的虛擬儀器，可以通過這些儀表觀察電路的狀態，測量電路的效果。而且這些儀表的設置、使用和讀數與實驗室中現實使用的一致，非常有利于學生熟悉實驗環境。

2.2 Multisim在電子技術課程教學中的應用

在電子技術課程教學中利用計算機仿真環境，可以迅速地給學生創立電路運用場景。并且可以實時調整電路參數，利用表格、圖形、曲線等文字不容易描述的方式讓學生產生直觀的認識，從而給學生營造出真實的電路分析環境。

在最基本的共射放大電路中，學生需要掌握的知識點包括了直流靜態工作點的分析測量，放大器動態指標。其工作電路如圖1所示。

圖1 基本共射放大電路

在進行靜態工作點分析的時候，主要是確定靜態工作點的具體數值以及了解為何要確定靜態工作點。即通過計算得到VB，IEQ，IBQ，UCEQ的值，從而確定電路的工作狀態。通過電路圖分析，可得知：

在傳統課堂上一般采用代入具體數值進行計算后得到工作點數值，從而判斷電路工作狀態。但是單憑數值結果很難讓學生產生直觀的認知。很難理解由于工作點設施不當所引起的截至失真與飽和失真。

但是利用Multisim平臺，作為教師可以輕松地調節電路中R6的大小。在仿真平臺，可以實時的測量到工作點的數值變化，而且利用虛擬儀器展現靜態工作點改變之后，輸出波形的失真情況。增大R6的值所產生的截至失真如圖2(a)所示，減小R6所產生的飽和失真如圖2(b)所示。在教學中，采用Multisim測量探針功能可以實時觀測到節點3的電壓以及電流的是如何隨著R6的調節而改變。從而讓學生對于靜態工作點的設置所引起的電路狀況的變化有了直觀上的認識。

圖2 工作點引起的失真分析

對于基本共射放大電路的動態分析，是指在靜態值確定之后分析信號的傳輸情況。一般包括電壓放大倍數，輸入電阻，輸出電阻等。

電壓放大倍數Au反映了電路對輸入電壓的放大能力，定義為輸出電壓變化量與輸入電壓變化量之比，特別是當輸入為正弦信號時，可以用有效值向量標識。

在計算中β為晶體管的電流放大系數，在小信號條件下為常數。rbe為晶體管的動態輸入電阻，表示了晶體管的輸入特性，在小信號條件下也為常數。R4為靜態工作點分壓電阻，一般不會變化。因此，可以看出負載R5越小則電壓放大倍數越低。

在教學中可以方便地利用Multisim的仿真功能，在電路中的輸入端與輸出端插入萬用表直接測得ui與uo的有效值。并且可以改變負載R5的值，驗證電壓放大倍數如何隨負載的變化而改變。

2.3 Multisim在電子技術課程實驗中的應用

當學生學習完負反饋的知識之后，一般會在實驗室驗證負反饋對阻容耦合二級放大電路的影響。但是由于線路非常復雜(如圖4所示)。連線一般都為非屏蔽線，三極管內部的極間電容，使得電路通常存在寄生振蕩，使得實驗結果在驗證性實驗箱上很難觀察。

圖3 負反饋阻容耦合放大電路

根據實驗要求，一般要觀察負反饋對放大電路輸出的影響，測量有無反饋時的電壓放大倍數；觀測負反饋對于失真的改善；負反饋對于放大電路頻率特性的影響。在傳統的實驗箱驗證實驗中，學生需要完成復雜的連線，設定合適的靜態工作點，加入合適小信號之后再觀察輸出的波形。一方面可能是由于元器件本身的不穩定；而另一方面由于學生對于實驗設備操作不夠熟練。一般在正常實驗課程時間內能觀測到合理波形的學生不超過30%。而采用Multisim進行計算機仿真之后，在電路連接正確的情況下就可以方的地進行結果的驗證，而不需要在意儀器的誤差和元器件的老化。在圖3中可以通過開關J1設置電路的反饋情況，J2設置電路為閉環還是開環。通過示波器XSC1可以方便地觀測到輸入與輸出的波形，并且通過對輸入信號XFG1的調節，而對有無反饋情況出最大不失真進行對比。

阻容耦合放大電路的頻率特性也是負反饋的重要影響。在傳統實驗中，需要保證輸入信號幅度不變的情況下，改變頻率，并記錄輸出波形的幅值。通過輸出波形幅值的變化而做出幅頻特性曲線，為了曲線的精確需要大量的數據點，這樣就導致記錄過瑣煩瑣耗時。當利用Multisim進行分析的時候，利用交流分析(analysis，AC)是在正弦小信號工作條件下的一種頻域分析，通過分析可以得到電路的幅頻特性和相頻特性。Multisim在進行交流分析時，首先分析電路的直流工作點，并在直流工作點處對各個非線性元件做線性化處理，得到線性化的交流小信號等效電路，并用交流小信號的等效電路計算電路輸出交流信號的變化[6]。對于負反饋放大電路，只需要在菜單里選擇仿真→分析→交流分析。之后設置好合適的起止頻率，并將縱坐標設置為線性(默認為對數)，就能方便的觀察到反饋對阻容耦合放大電路的頻率特性的影響(如圖4所示)。

圖4 負反饋對放大電路頻率特性的影響

通過比較就很容易看出引入負反饋之后雖然放大倍數明顯降低，但是通頻帶也明顯變寬。

3 結束語

根據電子技術課程的教學要求，計算機仿真特別是Multisim軟件的引入，可以有效地解決電子技術課程在課堂上缺乏直觀感受與實踐經歷。同時，對于高校實驗環境的儀器短缺，老化等無法滿足設計類實驗的情況得到了一定的緩解。

基于Multisim搭建仿真實驗環境，還可以讓學生在該平臺進行綜合性設計實驗以及課程設計類項目，培養學生獨立思考，主動探索的精神。使學生在學習理論的同時，可以驗證課題要點，達到對電子技術這門課程的感性認知。

參考文獻

[1] 付揚.Multisim仿真在電工電子實驗中的應用[J].實驗室研究與探索,2011,30(4):120-122,126.

[2] 韋慶進,彭建盛.自主引導性模擬電子線路實驗平臺的探究[J].制造業自動化,2012,34(17):131-133.

[3] 孫俊卿,羅云林,黃建宇.虛擬高頻電路實驗教學系統開發研究[J].現代電子技術,2009,32(20):107-109,112.

[4] 雷能芳.利用計算機仿真軟件輔助電子技術教學與實踐[J].實驗技術與管理,2007,24(1):100-102.

[5] 雷躍,譚永紅.用Multisim10提升電子技術實驗教學水平[J].實驗室研究與探索,2009,28(4):24-27.

[6] 張志友.Multisim在電工電子課程教學中的典型應用[J].實驗技術與管理,2012,29(4):108-110,114.

Application of Computer Simulation in Electronics Technology Course

Wang Fan, Wu Jianan
School of Electromechanical Engineering, Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan, 528402, China

Abstract:The characteristics of the circuit cannot be displayed in the classroom, and components will affect experimental projects in electronics technology course. Computer simulation technology can be used in the Electronics Technology Course. And show the application of Multisim in teaching and experiments with the actual. Computer simulation technology can effectively enrich classroom content, enhanced intuitive feelings of students, and improve student to explore independently.

Key words:computer simulation; electronics technology; Multisim

收稿日期：2015-09-23

作者簡介：王凡，碩士，實驗師。

基金項目：2 0 1 3年中山市科技計劃項目(編號：2013A3FC0271)；2014電子科技大學中山學院高等教育教學改革項目(編號：JY201414)；2015電子科技大學中山學院機電工程學院教育教學綜合改革項目(編號：JDJG201501)。