如何讓Multisim更貼近模電教學(xué)

王秀芹

（江蘇省姜堰中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇泰州，225500）

0 引言

模電是中職機(jī)電、汽修、數(shù)控等工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修課，其內(nèi)容抽象晦澀，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)中職學(xué)生而言，可謂入門(mén)難，理解難，實(shí)踐難，不少學(xué)生在課程開(kāi)始時(shí)就有了畏難情緒，學(xué)習(xí)難以為繼。

模電的主要內(nèi)容是學(xué)習(xí)各種半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和外特性，以及以三極管、穩(wěn)壓器、555電路等半導(dǎo)體器件為核心所構(gòu)成電路的原理、功能與應(yīng)用。隨著課程改革和教學(xué)要求的改變，留給學(xué)生學(xué)習(xí)模電的教學(xué)課時(shí)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)越來(lái)越少，為了保證教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不少院校嘗試把電路仿真軟件引入教學(xué)中，把枯燥抽象的電學(xué)原理與物理現(xiàn)象用各種波形與數(shù)據(jù)加以佐證，讓學(xué)生在掌握電路的特點(diǎn)和功能的同時(shí)，還能學(xué)習(xí)各種高級(jí)儀表的使用方法，使得教學(xué)質(zhì)量得以保證，也極大地拓寬學(xué)生興趣和眼界。

1 MultiSim簡(jiǎn)介

MultiSim是NI公司推出的基于Windows平臺(tái)的仿真軟件，秉承“把實(shí)驗(yàn)室裝進(jìn)PC中，軟件就是儀器”的理念，集電子電路原理分析，設(shè)計(jì)、虛擬仿真為一體的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化環(huán)境，在系統(tǒng)建模和仿真，科學(xué)工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面有著廣泛應(yīng)用。Multisim可幫助教學(xué)、科研和設(shè)計(jì)人員分析模擬、數(shù)字和電力電子，深受?chē)?guó)內(nèi)外教師、科研人員和工程師的認(rèn)可。

2 輔助解題，拓寬題意

在教學(xué)中，學(xué)生在掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)后，解題與電路設(shè)計(jì)是學(xué)生理解和掌握電路的主要途徑，本文試圖從解題的角度幫助學(xué)生理解模電的特點(diǎn)以及該軟件在教學(xué)中的特點(diǎn)。

例題1、如圖1，VBE=0.7V，β=60，rbb=300Ω，計(jì)算該電路的靜態(tài)點(diǎn)，輸入、輸出電阻，電壓放大倍數(shù)。

圖1

分析，此題是模電里極為常見(jiàn)的題目，求解也不難，卻是學(xué)好模電的敲門(mén)磚。

現(xiàn)利用教材介紹的方法計(jì)算求解：

靜態(tài)點(diǎn)求解，為計(jì)算結(jié)果更精確，利用戴維南定理求解，如圖2所示 (詳細(xì)過(guò)程略)。

圖2

交流參數(shù)求解：如圖3所示(詳細(xì)解題過(guò)程略)。

圖3

為了把電工基礎(chǔ)與模電的知識(shí)更好地融合，本題的求解采用微變等效電路的方法，其優(yōu)點(diǎn)是把三極管器件的特性用學(xué)生熟悉的電阻和電流源來(lái)表達(dá)，由于微變等效后的電路比較完整，學(xué)生可以很好地分析、運(yùn)用所學(xué)的電工知識(shí)。

到此，通常這道習(xí)題求解完畢。

基于讓Multisim貼近教學(xué)的初衷，用這個(gè)仿真軟件做這個(gè)題目。在軟件“計(jì)算”此題目時(shí)，需要設(shè)定β值和UBE值，由于這兩個(gè)值具有一定變化范圍，因此選用軟件自帶的虛擬三極管，并在編輯模型中修改β=60值（BF值），UBE不可修改，經(jīng)測(cè)量在0.7V左右。

圖4

對(duì)于靜態(tài)點(diǎn)檢測(cè)，可以有多種方法，學(xué)生在初中學(xué)物理時(shí)，就要求用儀表測(cè)量，在電子技術(shù)中，依然用儀表測(cè)量，在Multisim中，學(xué)生可以調(diào)用電流表、電壓表、萬(wàn)用表檢測(cè)電路參數(shù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)如下：

為拓寬學(xué)生的思路，也可以利用軟件自帶的直流工作點(diǎn)分析以及電流、電壓探針，可得到同樣數(shù)據(jù)。

對(duì)于交流參數(shù)的測(cè)量，首先利用示波器觀察放大信號(hào)是否失真，若輸出波形得到不失真地的放大，且為倒相，此時(shí)根據(jù)電壓放大倍數(shù)的定義，利用虛擬電壓表，測(cè)量電壓放大倍數(shù)：

輸入電阻的測(cè)量，利用定義測(cè)量，即：分別用虛擬電壓表，電流表，測(cè)量，并計(jì)算得到：

輸出電阻的測(cè)量：利用定義，將輸入端短路，測(cè)量輸出電壓與電流，

做到這里，題目的要求得到解決，對(duì)照理論計(jì)算和虛擬測(cè)量的數(shù)據(jù)，兩者比較接近，可見(jiàn)把仿真軟件引入教學(xué)中，具有驗(yàn)證意義又具有工程指導(dǎo)意義—若仿真得不到正確數(shù)據(jù)，則實(shí)際電路就沒(méi)有必要搭建。

由于仿真平臺(tái)的強(qiáng)大和便捷性，教學(xué)中可以提出如下思路：

(1)但是可以利用這個(gè)軟件的電流探針功能，此工具按比例(10mV/mA)把電流轉(zhuǎn)化為電壓后，用示波器測(cè)量，觀察出輸出電壓與輸出電流的波形為同相，并計(jì)算出輸出電流為20.5μA。

(2)可以測(cè)量電流放大倍數(shù)，計(jì)算功率放大倍數(shù)，繪制功率曲線(xiàn)，為后繼教學(xué)內(nèi)容做鋪墊；

(3)在電路確定的條件，觀察輸入信號(hào)幅值為多少時(shí)，輸出信號(hào)出現(xiàn)失真，是什么失真？

(4)拓寬學(xué)生的知識(shí)面和學(xué)會(huì)使用高級(jí)儀表，在教師的指導(dǎo)下，可以利用波特圖儀測(cè)量電壓放大倍數(shù)，關(guān)鍵是學(xué)會(huì)儀器的調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)分析。

3 設(shè)計(jì)電路，理解電路

學(xué)習(xí)模電的一個(gè)目標(biāo)，就是設(shè)計(jì)指定參數(shù)的電路，可以說(shuō)是例1的逆過(guò)程。

例題2，單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)方法舉例：①Vcc=12V，Rs=100Ω；②Vi=10mV，AVL>20；③Ri> 2 kΩ，Ro<3kΩ，RL=2k ；④帶寬Δf = 200Hz ～ 3MHz ；⑤有較好的溫度穩(wěn)定性。

對(duì)于該電路，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要大量的計(jì)算，搭建電路，最后調(diào)試，完成電路設(shè)計(jì)。因篇幅限制，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)從略。

現(xiàn)借助Multisim軟件，設(shè)計(jì)該電路。

設(shè)計(jì)步驟：

(1)確定電路方案：要求有較好的溫度穩(wěn)定性，放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)必須比較穩(wěn)定，為此采用具有電流串聯(lián)交、直流負(fù)反饋的共射極放大器。選擇晶體管，這里選2SC945 NPN小功率三極管，該管廣泛用于小信號(hào)放大電路中，可替換的管子種類(lèi)較多，價(jià)格便宜。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用軟件提供的“CE BJT amplifier wizard”工具初步組建放大電路，并忽略電路進(jìn)入飽和狀態(tài)的提示，如圖5所示，生成電路如圖6所示。

圖5

圖6

(3)由于軟件自動(dòng)生成的部分元件非標(biāo)，將電路元件標(biāo)準(zhǔn)化，為減少干擾去除交流信號(hào)源，將放大管改為2SC945。利用參數(shù)掃描，調(diào)節(jié)Rb1的值，使靜態(tài)點(diǎn)合適，此時(shí)，Rb1=80k，VCEQ=3.4V，ICQ=2.15mA。如圖7所示。

圖7

(4)添加信號(hào)源Vi=10mV，f=10kHz，電阻Re1=100Ω，使Re、Re1具有電流串聯(lián)直流負(fù)反饋，Re1具有電流串聯(lián)直流交流負(fù)反饋。利用參數(shù)掃描，調(diào)節(jié)Re1=13Ω，使Vom=533mV大于20×14.14=282.8mV。

(5)驗(yàn)證參數(shù)：示波器觀看波形，沒(méi)有失真，Av=-577.9/13.7=-42，Ri=9.7mV/2.6μA=3.7kΩ，Ro≤3k，利用波特圖儀測(cè)得：GV=32dB，fL=116Hz，fH=5.38MHz。

綜合各測(cè)量參數(shù)，表明所設(shè)電路測(cè)量的參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，比較傳統(tǒng)方法，此法要簡(jiǎn)捷多了，如有需要且條件許可，利用該公司開(kāi)發(fā)的Ultiboard生成PCB電路，制作成電路板，供學(xué)生實(shí)際焊接，測(cè)試。

圖9

4 拓寬視野，增加分析手段

由于多種原因，中職模電的教學(xué)內(nèi)容做了不少刪減，難度也有所下降，這就給一些學(xué)有余力的學(xué)生，特別是參見(jiàn)相關(guān)比賽的同學(xué)，有吃不飽的感覺(jué)，例如定時(shí)器555電路是一個(gè)數(shù)模混合中規(guī)模集成電路，可以制作多種應(yīng)用電路，如此“通用”的器件在各種中職模電教材鮮有提及，為提升學(xué)生學(xué)習(xí)和分析電路的能力，可以利用它制作多諧振蕩器，在此電路的基礎(chǔ)上，串聯(lián)兩級(jí)多諧振蕩器制作模擬聲響電路如圖9所示，研究輸出波形和接收耳中的嘟嘟聲，若能深入研究，學(xué)生收益良多，極有成就感。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)中職人才培養(yǎng)目標(biāo)，在模電教學(xué)中，引入Multisim可將深?yuàn)W，枯燥的模電知識(shí)變得生動(dòng)形象，便于學(xué)生理解，既培養(yǎng)了學(xué)生的工程思維，又極大地降低學(xué)校的硬件投入。