Multisim在電子技術課程設計教學中的應用

張輝

（重慶移通學院，重慶合川，401520）

0 引言

目前，在疫情影響下我校電子信息類專業在“電子技術課程設計”環節中存在如下問題：

(1)采用線上教學方式的班級學生無法在實驗室動手實際操作，課程無法深入教學。

(2)由于之前課程理論知識遺忘或不扎實，導致實際操作過程中大量芯片燒壞，操作不當等導致儀器儀表損壞且存在一定的潛在危險。

(3)由于學校安排的實驗課上，實驗儀器數量有限，往往是分組完成實驗操作，讓每個學生獨立操作不現實，學生無法切身體會實驗過程，就會出現部分學生不動手不思考的現象，導致學生學習效果低下，達不到應有的教學效果。

針對以上問題，如果在線上或線下課程設計的環節中引入電路仿真軟件，借助計算機的力量實現遠程線上教學，學生不管在家還是在學校都能夠進行課程的學習，這樣不僅解決了因疫情等原因導致的線上教學難的問題，而且提高了電路設計與測試的效率，減少了相關器件的損耗，保證了學生實驗的安全性，有利于提升學生的主動學習性和全員動手操作能力。

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。該軟件有豐富的元件庫和完善的虛擬儀器儀表，選擇器件窗口方便，元器件參數更改方便，對電路圖的修飾容易上手，仿真過程和讀取數據簡單，適用于零基礎的學生學習和使用，更能夠從側面讓學生理解元器件的使用功能及使用方法。

本文以波形發生器的設計為例，結合目前線上線下學生學習情況和老師教學的困境，以及Multisim仿真軟件強大的功能，下面將詳細闡述Multisim在“電子技術課程設計”中的應用。

1 Multisim在電子技術課程設計中的應用

電子技術課程設計包括電路設計、電路仿真與測試、硬件電路搭建與調試、撰寫設計報告等環節[2-3]。

3.選舉投票時設有獨立寫票和秘密投票間。這不僅是一種人文關懷，也是憲法和法律賦予公民的一項基本權利。在基層民主選舉中，由于物質條件，更是由于觀念的滯后，在經濟落后的地區很難做到這一點。因此，隨著經濟社會的發展，合理設置現代化、人性化的選舉場地，亦是我們在細節上需要不斷提升的。

(1)電路設計：課程開始會提供3-5個電子技術相關實驗題目，學生可根據設計要求與實驗室條件，首先通過查閱資料自行設計總體方案，然后對單元電路進行設計，對相關參數進行計算，選擇合適的器件，最后畫出整體電路原理圖。

(2)電路仿真與測試：利用Multisim仿真軟件對所設計的電路進行搭建并仿真，通過Multisim提供的虛擬儀器進行測試與調試，不斷修改電路元器件參數和線路，最終達到仿真零錯誤且出現正確實驗結果。這個環節對應著傳統電子設計的電路搭建和性能測試。由于不需要真實電路環境的介入，因此效率高，可線上線下同時進行，結果快捷、準確、安全。

(3)硬件電路搭建與調試：根據仿真測試電路圖，選擇合適元器件進行實物安裝。此環節可鍛煉學生動手能力和理解能力。

(4)撰寫設計報告：將前面幾個環節的具體內容以文字和圖表的形式展現出來，可作為學生課程期末成績。該環節鍛煉了學生知識轉化和寫作的能力。

2 基于Multisim的波形發生器設計

2.1 設計要求

波形發生器是一種信號發生器，在一些硬件調試中常常用到。利用555數字芯片可設計多種波形發生器，如方波、三角波和正弦波的輸出。它的制作成本不高，電路簡單，使用方便，實現方式也多種多樣，結果可通過示波器顯示，對學生實驗室完成十分合適，所以設計波形發生器有重要的實際意義和課程價值。結合電子技術課程設計課程可以實現多種形式的波形發生器，本文所要完成的電路設計在我校要求如下：

(1)借助電子技術實驗箱，用中小規模集成芯片設計制作產生方波、三角波和正弦波的波形發生器。

(2)要求輸出波形工作頻率范圍為100Hz~1kHz且連續可調。

(3)要求方波幅值±1V。

(4)要求三角波幅值±0.3V。

(5)要求正弦波幅值±0.1V。

根據設計任務要求可知，本設計主要由以下三部分組成：直流穩壓電源部分，脈沖產生部分，波形產生部分。

2.2 電路設計及仿真

2.2.1 直流穩壓電源部分設計與仿真

直流穩壓電源[4]往往是我們電子技術課程設計的所需電源，所以我們必須掌握直流穩壓電源的設計過程。大致過程如下：首先是變壓，電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離，如果交流電源電壓過高，則第一步要利用變壓器將高壓交流電變為所需要的低壓交流電，考慮到沒有實戰經驗的學生自身安全，且實驗室有低壓交流電源，所以本文仿真電路跳過第一步變壓過程；其次是整流，利用二極管的單向導電性組成整流電路，可將交流電壓變為單向脈動電壓，本文采用目前最常用的橋式整流電路，在交流輸入電壓分別在正半周和負半周內，其中兩個二極管導通，兩個截止，使得整流電路的負載上都有方向不變的脈動直流電壓和電流；然后是濾波，整流電路輸出的直流電中依然存在部分交流電，實驗室通過示波器可觀察到波形為紋波，要獲得較理想的直流電壓，就需要用有儲能作用的電抗元件組成濾波電路來濾除波形中的脈動成分，本文采用的是電容構成的低通濾波器，利用電容充電放電特點，根據時間常數τ=RC，結合具體電路和示波器便可得到脈動很小的輸出波形；最后是穩壓，由于經過濾波電路后的直流電壓不穩定且大部分電子裝置都需要有穩定的直流電流源供電，所以本文使用廣泛可調節三端正電壓穩壓器LM317，把不穩定的直流電壓變為穩定的直流電壓輸出。本文設計的直流穩壓電源電路在Multisim中的仿真電路如圖1所示，13V交流電壓源供電，經橋式整流電路D1整流后，可通過示波器按圖中所示連接測試輸出波形，如圖2中下面波形所示；含脈動很大的直流電壓經電容C1和C2與后面負載共同構成的濾波電路，可再次通過虛擬儀表示波器測試輸出波形，如圖2中上面波形所示；最后通過LM317按圖1所示電路構成的穩壓電路，調節可變電阻R3保證輸出電壓為5V，其中C3和C4起到再次濾波的作用。仿真結果顯示，13V交流電源最終變換為穩定的直流5V電源，達到預期要求。

圖1 直流穩壓電源仿真電路

圖2 整流和濾波后波形圖

2.2.2 脈沖產生與波形產生電路設計與仿真

555時基電路的應用十分廣泛，本文利用555定時器構成間接反饋型多諧振蕩器，并與RC積分電路來分別實現方波、三角波和正弦波的輸出。利用Multisim實現仿真電路及結果測試，如圖3和圖4所示，圖3顯示該電路核心器件為555數字芯片，加上外圍電路構成間接反饋型多諧振蕩器，可輸出近似方波，輸出端再由RC積分電路對方波變形，可輸出三角波和正弦波。其中多諧振蕩器經R2、R3、滑動變阻器R7和電容C2進行充電，C2為定時電容；而放電時只經R3和滑動變阻器R7，選用電阻時要求R2和(R3+R7)均應大于或等于1kΩ，且R2+(R3+R7)應小于或等于3.3MΩ，確保電路穩定性。兩個暫穩態時間不相等，T2= 0.69R0C2，其中R0=R3+R7， 振蕩周期T=T1+T2，振蕩頻率f=1/T。結合上述計算公式，可計算出振蕩器輸出頻率為100Hz左右，調節滑動變阻器R7可改變振蕩器的頻率，即方波的工作頻率連續可調。方波信號由四通道示波器XSC1通道A輸出顯示，如圖4中下面波形所示；R4和C4構成積分電路，方波信號過后輸出三角波，由通道B輸出顯示，如圖4中間波形所示；三角波再經R5和C6構成的積分電路，輸出近似的正弦波，由通道D輸出顯示，如圖4中上面波形所示。上述仿真結果可以看出，此電路實現產生了正常的脈沖信號和多種波形的產生，達到實驗設計的預期要求。

圖3 各種波形發生器的仿真電路

圖4 各種波形發生器的仿真結果

可以看出，實驗室搭建電路線路復雜且器件容易出現選錯、損壞等問題，仿真軟件Multisim設計、搭建電路自由，電路清晰，出現問題排查方便，應用于電子技術課程設計課堂有重要意義。

3 結語

經過在我校2018級和2019級電子類專業學生線上和線下教學實踐中我們發現，設計波形發生器過程中，將電路設計、搭建和調試以虛擬仿真軟件Multisim呈現出來，仿真作為學生自主性、創造性思維的虛擬實驗平臺，它打破了時間和空間的限制，學生可以在不同的時間、地點和領域自主進行實驗，間接解決了因疫情在家上實驗課的困難。也可以看出在電子技術課程教學中，適當引入Multisim電路仿真軟件進行輔助教學，將抽象的理論較為形象地顯示出來，不僅保證教學質量，避免器材耗費，還提高了教學效果和課堂知識獲取的效率，提升了學生的邏輯思維和操作能力。