Multisim仿真在電子實習教學中的應用

饒珺

摘要：在電子實習中應用計算機仿真軟件Multisim有助于學生更透徹地理解理論知識。根據疊加定理仿真教學中的課堂反饋，提出在電壓電流的基礎上增加功率計算。依照疊加定理的仿真驗證過程，進而提出學生自主完成戴維南定理仿真驗證的實驗要求。學生需選取合適的元器件并完成電路設計，通過Multisim平臺搭建電路，將仿真結果與理論計算值進行比對，使戴維南定理得以驗證。經過教學試講，引入Multisim取得了較理想的教學效果，由此證明Multisim仿真軟件在電子實習教學中的可行性。

關鍵詞：電子實習; Multisim仿真;實踐教學;疊加定理;戴維南定理

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）31-0182-03

Application of Multisim Simulation in Electronic Practice Teaching

RAO Jun

（Shanghai University National Training Experimental Teaching Center for Engineering Training， Shanghai 200444， China）

Abstract： Introduce computer simulation software Multisim into electronic practice can help subtends get a deeper understanding of theoretical knowledge. According to the feedback in Superposition theorem simulation course， power calculation is added besides voltage and current. Then according to Superposition theorem simulation， the students are asked to simulate Thevenin theorem independently. The students need to select appropriate components and design the circuit， and compare the measured results with the theoretical values in Multisim， so Tthevenin theorem is verified. After teaching trial， the introduction of Multisim simulation has achieved an ideal teaching effect. Therefore， Multisim introduction is viable in Electronic Practice Teaching.

Key words： electronic practice; Multisim simulation; educational practice; Superposition theorem; Thevenin theorem

1 引言

電子實習是電子類專業一門重要的實踐教學課程[1]，主要以學生動手為主，培養學生掌握一定的電子操作、設計創新技能及工藝知識。電子實習是電子產品從電路設計、印制電路板、焊接、安裝、調試、結果分析到最終成品驗收的一個系統過程。內容設置包括焊接工藝基礎訓練;電子產品常用元器件介紹;電子儀器儀表的使用;調幅收音機的裝配、調試;印制電路板的設計等。通過電子實習，可使學生初步了解電子產品的生產、制作、調試，鞏固所學理論知識，提升專業技能和實際工作能力[2]。

隨著計算機技術和集成電路技術的發展，現代電子與電工設計已經步入了自動化的時代，針對目前大學畢業生就業的新形勢，單純傳授知識的常規教學，難以滿足當今企業的崗位要求。為適應就業新需求，將計算機仿真軟件融入電子實習課程的學習中，可使學生更早接觸計算機仿真軟件，從而達到提升學生專業技能的目的[3] [4] [5]。

2 Multisim概述

2.1 Multisim軟件的特點

Multisim[6][7]是美國NI公司推出的電子電路仿真設計軟件，是Electronics Workbench （簡稱 EWB） 的升級版本，具有界面直觀、操作方便等特點，能更好地適應當今電子電路的仿真與設計需求。除了EWB具備的數字萬用表、函數信號發生器、字信號發生器、示波器、掃頻儀等，Multisim還新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網絡分析儀，這些虛擬儀器與實物模型的外觀及操作方式都完全相同，為學生創造了使用儀器的訓練機會。此外，Multisim豐富的元器件庫包含了萬余種元器件供調用。Multisim平臺不僅能實現模擬電路、數字電路、射頻電路及微控制器和接口電路的仿真實驗，還能通過其強大的分析功能深入了解和探討電路的時域響應特性[8][9]。

Multisim計算機仿真軟件還具備功能強大的教學選項。教師可通過定制選用的儀器和分析，控制展示給學生的電路畫面，并進行修改保存[6][10]。其電路限制功能則可以幫助學生快速找出連線錯誤，從而提高實驗效率，節約調試時間。

2.2 Multisim軟件應用于教學的優越性

Multisim仿真軟件界面簡單，像一個實驗工作臺[11][12]，包含各種進行仿真分析的操作命令，軟件中元件箱用于存放仿真元器件，儀表庫用于存放測試儀器儀表。通過屏幕抓取的方式可選用元器件、創建電路、連接測試儀器儀表。Multisim可以交互控制電路的測量及運行過程，并實時顯示測試結果。其直觀的圖形界面、簡單的操作步驟、強大的測試分析功能，將虛擬儀表技術的靈活性擴展到了電子設計者的工作平臺上[6]。將Multisim仿真軟件應用于教學，可替代電子實習中的各種傳統儀器儀表，在實驗項目的開發上具有靈活多樣性，使電子線路的仿真更高效，當改變電路連接或改變器件參數時，學生可以清楚地觀察到該變化對電路性能的影響。因此，將計算機仿真技術融入電子實習課程中，能讓學生充分發揮主觀能動性，激發學生學習創新，提高學生對理論知識的理解及動手實踐能力。

3 Multisim在電子實習中的應用

電子實習教學過程中，采用“理論基礎—仿真實驗”的教學模式，教師首先介紹相關概念、原理等知識，學生再根據實驗內容要求，選擇合適的元器件進行原理圖設計，并分析實驗結果。這種教學模式實現了課上課下學習的完美結合，激發了學生的學習熱情。下文先介紹了利用Multisim驗證疊加定理[5]，然后提出同學自主設計電路對戴維南定理進行仿真驗證[13][14]。

3.1 疊加定理的仿真與分析

3.1.1 疊加定理

疊加定理[15]是電工技術中一個重要定理，內容為：在任何含多個獨立電源的線性電路中，任一支路中的電流（或電壓）等于各個電源單獨作用時，在該支路中所產生的電流（或電壓）的代數和。疊加定理只能用來求電路中的電流或電壓，而不能用于計算功率。

3.1.2 利用Multisim驗證疊加定理

學習疊加定理，不僅僅是記住它的內容，更重要的要能夠靈活地應用。在教學過程中，通過利用 Multisim仿真來驗證此定理，可以創建更直觀的教學情境，讓學生更容易理解。

實驗電路如圖1，U_S1=5V，I_S2=1A。利用疊加定理先計算圖1（a）電路中各支路電流和電壓U₁、U₂，過程如下：

圖1（b）為電壓源單獨作用時的電路，此時電流源作斷路處理，電流計算結果為：

圖1（c）為電流源單獨作用時的電路，此時電壓源作短路處理，有：

如圖2（a），在實驗電路中并聯電壓表XMM1、XMM2分別測量電壓U₁、U₂;在電路中串聯電流表XMM3、XMM4分別測量電流I₃、I₄，讀數如圖2（b）所示。由此可知仿真結果與計算值相等，滿足疊加定理。

實驗難點

通過教學反饋，學生能充分理解疊加定理中電流、電壓相關闡述，但對定理所說“不能用于計算功率” [15]理解不夠深入。在實驗中增加對功率的計算，以R3為例：

3.2 自主設計電路并驗證戴維南定理

3.2.1 戴維南定理

任何一個線性含源二端網絡N，如圖4（a）所示，就其兩端鈕a、b來看，可等效為一個電壓源和一個電阻的串聯組合，即電壓源模型，如圖4（b）所示。其中，電壓源的電壓值uoc等于該含源二端網絡端口的開路電壓，如圖4（c）所示;串聯電阻Req等于該含源二端網絡中所有獨立源為零值時，所得無源二端網絡N0的等效電阻，如圖4（d）所示[15]。

3.2.2 設計電路驗證戴維南定理

學習戴維南定理后，同學自主設計電路，選擇適當的直流電源、電阻、電壓表、電流表在Multisim中搭建電路進行仿真實驗。參照圖5，實驗步驟如下[16]：

1） 理解有源二端網絡等效電路的含義，深入學習戴維南定理;

2） 按照實驗要求，選取元器件并設計電路;

3） 在Multisim中正確連接電路，并根據設計電路對應設置元器件參數;

4） 通過仿真儀表測量有源二端網絡的電流、電壓和等效電阻;

5） 將仿真實驗的測量數據與理論計算結果進行對比，判斷仿真實驗操作是否正確。

4 結論

Multisim計算機仿真將實驗電路可視化，使原本乏味抽象的學習變得生動形象，既能鍛煉和深化學生的基本理論知識，強化學生的實踐動手能力，還能培養學生的學習興趣。通過教學試講，課堂反應效果明顯，學生在電路設計過程中，不僅能充分發揮個人能動及創新思維能力，也能提升計算機操作和應用能力;調試電路環節，同學展示了各自排除電路故障的技能，能根據實驗結果調整電路，最終達到實驗目的。由此證明在電子實習課程中引入Multisim教學方案的可行性。

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