三維仿真在“電工電子學”教學中的應用

張康隆

摘 要：Multisim的二維模擬組件是抽象的，并且與實際組件的引腳分布明顯不同。 針對以上問題，總結了三維模擬在理論教學和實踐教學中的應用。 結合了電工電子教學內容，列出了一些模擬主題，給出了一些三維仿真實例。教學實踐表明，三維仿真電路可以幫助學生認識實用組件的外觀，熟練掌握復雜的儀器操作，并增強電路調試能力。

關鍵詞：三維仿真;電工電子學

引言：Multisim是美國國家儀器有限公司NI推出的在Windows下運行的仿真工具。M Multisim使用軟件來仿真電氣和電子組件，設備和儀表，以進行原理圖設計和電路功能測試。 Mul-tisim因為可以測量和驗證電氣，模擬和數字電路，所以廣泛用于理論，實驗和基于項目的教育中。在教學中，大多數教科書在許多章節中都有模擬測試部分，因此關鍵技術和重要知識點可以通過軟件進行模擬。在理論教育中，Multisim仿真可以驗證原理和定理，演示典型的電路功能，并使抽象理論更加清晰。它不僅激活了教室的氛圍，而且解決了實驗班級布置延遲的問題。

1. 三維元器件和儀器

對于Multisim10仿真軟件，三維元器件的位置為Database： Master Database - →Group： Select allgroups - ， Family：3D_ VIRTUAL。 在主菜單View→Toolbar中選中3DComponents，即可在操作界面顯示三維元器件工具欄。該系統提供23個組件，但只有幾個，但是涵蓋了常見的組件，例如電阻器，電容器，電感器，二極管，晶體管，集成運算放大器和計數器。 這些3D組件可用于設計典型的功能電路，并為理論和實踐教育提供現實的仿真材料。

2.三維仿真在教學中的應用

2.1理論教學

（1）組件顯示

在講授“電工學和電子學”的基本組件時，傳統的講義通常只顯示幻燈片中組件的圖像，Multisim軟件的3D顯示不僅顯示組件圖像，還顯示接線和調整方法

（2）課堂模擬

在教室里，Multisim 3D研究仿真電路使學生可以觀察電壓，電流，功率和功率因數參數值和波形，以進行分析和匯總。例如，二極管應用電路指導學生根據輸出信號的特性分析二極管的狀態并分析二極管的功能。指導學生總結失真的原因，包括顯示正常放大和失真的公共基極放大器電路。例如，集成的運算放大器線性應用程序可指導學生根據波形分析來分析輸出電壓之間的關系。抽象的電路符號易于理解，來自3D設備的立體圖像使電路更清晰。動態變化的波形在教室中引起學生的注意，并引導他們進行分析和總結，從而使他們由被動變主動。

（3）模擬工作

為了節省課堂時間，可以根據課程內容進行模擬工作，尤其是翻轉教室時。教師將學習Multisim仿真主題，例如研究電源特性，基爾霍夫定律，節點電壓分析，實際電源的等效轉換，疊加定理，戴維南定理，最大功率傳輸以及改善正弦交流電路的功率因數。確定電路，二極管應用電路，晶體管應用電路的完整響應。學生根據模擬主題選擇電路提交演示視頻。有必要介紹仿真的目的，電路配置，組件功能，操作步驟和仿真結果。仿真工作可幫助學生驗證用于檢查組件功能的定律和定理。對于沒有實驗的課程，模擬可以減少缺少實驗的影響。2.2實踐教學

（1）實驗準備

學生使用仿真軟件執行實驗操作，記錄參數并觀察波形。 實驗準備可以幫助學生使用先進的設備并提高他們的實踐技能。 學生可以通過3D仿真訪問真實的設備，識別形狀和管腳，減少操作錯誤并減少設備損耗。

（2）實習模擬

在實際焊接電路板之前，學生首先要模擬每個功能模塊，然后將整個模塊協調在一起。 學生在Multisim仿真環境中練習電路故障排除，以增強電路調試功能。 盡早發現在電路焊接過程中容易發生的錯誤，可避免不必要的返工，并在一定程度上減少了器件損壞。

3 Multisim 10三維電 路仿真實例

3.1例1：半波整流電路

整流是重要的二極管應用之一，也是直流負載所需的功率處理電路。 在Multisim 10環境中分別構建的2D和3D電路。 2D仿真電路與本書的電路模型基本相同，可以看到3D仿真電路與實際電路接近。在電路分析中，學生經常會混淆瞬時值，RMS和平均值。 這些概念之間的差異可以結合此電路仿真成功實現。 以電壓為例，示波器顯示瞬時值，可以看到電路中電壓的瞬時值正在變化。 萬用表直流電壓文件測量平均值，但XMM3顯示交流電壓的平均值幾乎為零。 均方根值通常用于測量交流電壓的大小，XMMI顯示均方根電壓約為10V。 由于整流后的電壓是直流電流，并且通常使用平均值來測量直流電壓的大小，因此須要使用萬用表直流電壓來進行測量。

3.2實例2：六進 制計數器電路

計數器對脈沖數進行計數，可用于計數，計時和分頻。基于同步十進制加法計數器74IS160，使用反饋復位方法和Multisim 10 3D仿真電路設計了十六進制計算器。函數信號發生器產生頻率為5 Hz，占空比為50%的脈沖信號，并將計數器輸出連接到解碼顯示器以進行觀察。當模擬開始時，數字“ 0”至“ 5”會定期顯示在解碼顯示器上，實現六進制計數。

2D仿真電路構造只能用于仿真，而3D電路構造過程也是布線圖創建過程。使用集成芯片，學生在實驗和焊接電路板時更容易出錯。如果不知道引腳分配，則會得到錯誤的引腳號，忘記了地線和電源線，引腳焊點，短路等。使用3D組件進行仿真將限制學生對硬件的要求您可以事先了解芯片的形狀和引腳排列。在實踐中，巡回行為是不尋常的，學生經常求助于老師和其他學生。由于有限的練習時間和對設備的觀察，大多數學生沒有故障排除方法。為了鍛煉和增強排除電路異常的能力，教師可以在Mulisim10仿真環境中模擬電路故障，學生可以通過觀察和分析進行故障排除。

結束語：

3D模擬設備可幫助學生了解實際的設備形狀和引腳，并減少由于接線錯誤而引起的設備損耗。 3D模擬設備可幫助學生習慣于操作復雜的設備并減少實際操作時間。 對于尚未通過實驗和實習建立的課程，3D模擬可以減輕缺乏實驗和實習的影響。

參考文獻：

[1]曹玉蘋，賀利，劉潤華，任旭虎，張冬至.三維仿真在“電工電子學”教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2018，40（03）：109-114.

[2]申賓德.三維仿真互動教學模式在數控教學中的應用[J].產業與科技論壇，2013，12（08）：189-191.

[3]王爾申，李鵬，鄭丹，王瑞芳，龐濤.Multisim仿真在電工及工業電子學中的應用[J].實驗室研究與探索，2013，32（02）：99-102.