Multisim軟件在自動化專業(yè)多門課程中的應(yīng)用與研究

黨智乾, 喬琳君, 張芬, 曹海紅, 楊春

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科研處， 陜西 西安 710089)

0 引言

專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)對該專業(yè)學(xué)習(xí)的可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。首先，專業(yè)基礎(chǔ)課程可以夯實我們的工程性技能，一是基礎(chǔ)課程可以提升學(xué)生的專業(yè)實踐能力；二是仿真實踐性課程提升專業(yè)思維能力。再者，自動化技術(shù)專業(yè)的許多課程對數(shù)學(xué)具有較高的要求，被稱為專業(yè)課程中的數(shù)學(xué)課，或者許多電類專業(yè)課在行業(yè)內(nèi)被稱為“專業(yè)課中的數(shù)學(xué)課”或者“數(shù)學(xué)課中的專業(yè)課”，例如“電力電子技術(shù)”課程，“模擬電子技術(shù)”被學(xué)生戲稱為“魔電”等等。足以說明基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)的理論復(fù)雜性。

基于以上原因，針對電氣自動化技術(shù)的部分專業(yè)基礎(chǔ)課，例如“電路原理”“電子技術(shù)”“電力電子技術(shù)”“電機(jī)學(xué)”以及“單片微機(jī)嵌入式系統(tǒng)”等基礎(chǔ)課，如何利用Multisim軟件對其進(jìn)行仿真研究進(jìn)行了研究和探討，旨在增強(qiáng)基礎(chǔ)課教學(xué)的針對性建設(shè)，并改善專業(yè)課的教學(xué)效果。

1 在自動化專業(yè)課程中的應(yīng)用

1.1 在“電路原理”課程中的應(yīng)用

電類的學(xué)生都知道，電路原理課程中以串聯(lián)諧振電路學(xué)習(xí)為例，在理論學(xué)習(xí)中，當(dāng)串聯(lián)諧振電路中電抗為零的時候，電路呈現(xiàn)的是純電阻性，激勵電壓全部加在電阻上，電阻的電壓達(dá)到最大值，電容電壓和電感電壓的模值相等，均為激勵電壓的Q倍，如圖1所示。

圖1(a)所示為RLC串聯(lián)諧振電路，當(dāng)電路發(fā)生諧振時，電路呈純阻性，外加電壓與諧振電流同相位，其波形如圖1b)所示。串聯(lián)諧振電路的幅頻特性和相頻特性分別如圖1(c)和圖1(d)所示。

1.2 在“模擬電子技術(shù)”課程中的應(yīng)用

模擬電子技術(shù)電路中，加入負(fù)反饋的放大電路性能得到了大大改善，例如在兩級阻容耦合放大器電路中加入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，改善了電路的失真現(xiàn)象，放大電路的總頻帶得到了擴(kuò)展。應(yīng)用仿真軟件對上述理論進(jìn)行了進(jìn)行了仿真研究，如圖2所示。

(a) 未加負(fù)反饋兩級放大電路

未加負(fù)反饋時，如圖2(a)所示。通過輸入和輸出波形對比，輸出波形明顯出現(xiàn)了失真，如圖2(c)所示。當(dāng)按鍵A按下時，即加入電壓串聯(lián)負(fù)反饋時，如圖2(b)所示。輸入輸出波形平滑，無失真現(xiàn)象發(fā)生，如圖2(d)所示。在圖2(e)中，未加負(fù)反饋時放大電路的幅頻特性，標(biāo)尺指示的位置參數(shù)為32.921 dB/499.205 kHz，在圖2(f)中，加入負(fù)反饋后放大電路的幅頻特性，標(biāo)尺指示的位置參數(shù)為20.738 dB/1.854 MHz，通頻帶得到展寬。

1.3 在“數(shù)字電子技術(shù)”課程中應(yīng)用

程序計數(shù)分頻器是時序邏輯電路典型應(yīng)用，如圖3所示。

(a) 程序計數(shù)分頻器仿真電路模型

圖3(a)所示為程序計數(shù)分頻器仿真電路模型，是利用74LS138N譯碼器和74LS195N移位寄存器構(gòu)成的模值范圍為2至8的程序計數(shù)分頻器。

通過譯碼器將所需的分頻比譯成位二進(jìn)制數(shù)，其中只有一位為0，與其他7位不同，它代表譯碼器輸入的分頻比。再通過兩片4位移位寄存器對帶有分頻比信息的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行移位，當(dāng)被移到輸出時，說明輸出開始變化，產(chǎn)生下降沿；在下一個脈沖來時又回到原來的高電平，產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，說明被移到電路已實現(xiàn)所需的分頻，故通過讓兩片4位移位寄存器重新置數(shù)開始移位循環(huán)。輸入111(8分頻)時，時鐘、輸出和的時序分別如圖3(b)所示。

1.4 在“電力電子技術(shù)”課程中的應(yīng)用

以電力電子技術(shù)課程中的電壓源三相逆變器為例進(jìn)行仿真，其中六個開關(guān)模型用的是高精度模型，模型中其他元件均認(rèn)為是理想狀態(tài)。U1為正弦PWM(脈寬調(diào)制)信號發(fā)生器，如圖4所示。

(a) 電壓源三相逆變器電路仿真模型

1.5 在“單片微機(jī)嵌入式系統(tǒng)”課程中的應(yīng)用

單片機(jī)8 051 MCU控制輸入和輸出的圖形動畫顯示系統(tǒng)如圖5所示。輸出值在內(nèi)部移位，并連接至條形LED顯示器。兩個交互式按鍵A和B控制LED顯示屏上的圖案，一個交互式按鍵C控制圖形顯示的方向。程序裝載進(jìn)單片機(jī)后，系統(tǒng)即可進(jìn)行仿真，具體的仿真效果如圖5(b)所示。

(a) 單片機(jī)圖形顯示系統(tǒng)電路仿真模型

1.6 在“電機(jī)學(xué)”課程中的應(yīng)用

以電機(jī)學(xué)中的最常見的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)啟動過程為例進(jìn)行仿真，如圖6所示。

圖6(a)為感應(yīng)電機(jī)啟動過程仿真模型，其中包括逆變電路，信號由簡化的開關(guān)模型組成，運行“模擬” >>“分析” >>瞬態(tài)分析?？梢栽趫D6(b)看到在t=1.25 S時刻，電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)并且電機(jī)速度為93 rad / s和轉(zhuǎn)矩為10 N·m的啟動過程曲線。

(a) 鼠籠式感應(yīng)電機(jī)啟動過程仿真模型

2 總結(jié)

虛擬仿真實驗已成為高校實驗教學(xué)的重要組成部分，虛擬仿真也是突破課程學(xué)習(xí)重難點的一個重要手段。文中分析了自動化專業(yè)教學(xué)中的6門基礎(chǔ)課是如何利用Multisim軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)的，仿真實踐表明，基于該模型的虛擬實驗可與理論學(xué)習(xí)互為補(bǔ)充，互相促進(jìn)，開闊了學(xué)生視野，實現(xiàn)了知識的遷移與融合。拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，為提高電氣自動化技術(shù)專業(yè)教學(xué)質(zhì)量提供了一個有效手段。使得專業(yè)課知識的學(xué)習(xí)更加高效、技能的掌握更加穩(wěn)固。