Multisim仿真在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

王 磊

（南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院，江蘇 南京 210023）

電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)具有風(fēng)險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，為了有效降低實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，保證實(shí)驗(yàn)人員的安全，人們開始引入仿真技術(shù)進(jìn)行模擬電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)也在不斷地發(fā)展，仿真技術(shù)日益嫻熟，但同時(shí)人們對(duì)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的要求越來越高。在這種背景下，Multisim仿真軟件成為了電子工程設(shè)計(jì)的必備工具，通過利用Multisim仿真軟件來進(jìn)行電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，不但可以有效的彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)儀器元件短缺、規(guī)格不符合要求等問題，同時(shí)還能利用軟件里提供的各種不同的分析方法，更加有效地掌握教學(xué)內(nèi)容，加深對(duì)概念和原理的理解，除此之外，應(yīng)用Multisim仿真軟件來進(jìn)行電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)還有助于熟練掌握電工電子儀器的測(cè)量方法，進(jìn)一步加深綜合能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提高。在各大高等院校中，電工電子實(shí)驗(yàn)是電子學(xué)科中非常重要的內(nèi)容，電工電子實(shí)驗(yàn)的開展目的是進(jìn)一步深化學(xué)生課堂理論知識(shí)，提高學(xué)生動(dòng)手能力與實(shí)踐能力。通過科學(xué)、全面的實(shí)驗(yàn)來提高學(xué)生的綜合素質(zhì)水平，從而實(shí)現(xiàn)國家培養(yǎng)復(fù)合型人才的根本目標(biāo)。隨著素質(zhì)教育進(jìn)一步的深入推廣，電工電子實(shí)驗(yàn)在電子教學(xué)中發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。現(xiàn)如今加強(qiáng)對(duì)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究已成為了時(shí)代發(fā)展的必然選擇。

1 Multisim仿真軟件

Multisim軟件是美國國家儀器（NI）有限公司在加拿大最初的軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)Multisim軟件的操作系統(tǒng)進(jìn)行改造操作系統(tǒng)而形成的實(shí)用性非常強(qiáng)的仿真工具[1]。它包含了電路硬件描述語言輸入以及電路原理圖的圖形輸入，具有非常強(qiáng)大的仿真分析能力，在實(shí)驗(yàn)中充分發(fā)揮Multisim仿真軟件的功能，完全可以勝任實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路板的設(shè)計(jì)工作，且在應(yīng)用方面具有多種優(yōu)勢(shì)[2]，例如，可以為電工電子實(shí)驗(yàn)非常好地解決仿真分析過程中會(huì)出現(xiàn)的問題。Multisim仿真軟件除了超強(qiáng)的仿真能力以及分析能力還擁有強(qiáng)大的語言轉(zhuǎn)換功能。雖然Multisim仿真軟件只有224個(gè)字符，但是它可以根據(jù)不同國家區(qū)域的語言需求提供不同的語言轉(zhuǎn)換。例如，可以把英語轉(zhuǎn)換為中文、日文和法語等，各個(gè)國家和區(qū)域的語言。這些語言轉(zhuǎn)換功能可以很好地為我國電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)提供便利。Multisim仿真軟件是一個(gè)具備有強(qiáng)大功能的軟件，運(yùn)用領(lǐng)域也極為廣泛，但Multisim仿真軟件的使用平臺(tái)有局限性，只能通過Windows進(jìn)行操作，不過它擁有本身軟件自帶的選項(xiàng)，不需要與Windows平臺(tái)選項(xiàng)共用。Multisim仿真軟件在Windows平臺(tái)的界面操作上，與常規(guī)的EDA軟件相似，可大致劃分為菜單欄和工具欄等。Multisim仿真軟件在電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)過程中的操作步驟與一般的仿真技術(shù)大致相同。電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)最重要的步驟在于電路圖，電路圖是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)的關(guān)鍵點(diǎn)，因此在實(shí)驗(yàn)過程中，首先是對(duì)電路圖進(jìn)行確認(rèn)，然后從Multisim仿真軟件的元件庫中調(diào)試出實(shí)驗(yàn)需要的元器件，把Multisim仿真軟件調(diào)試出來的元器件與實(shí)驗(yàn)電路圖進(jìn)行連接，建立出實(shí)驗(yàn)所需要的模擬電路仿真[3]，最后根據(jù)電工電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)需求針對(duì)性地對(duì)Multisim仿真軟件里的各個(gè)分析功能做進(jìn)一步的調(diào)試，從而順利達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的電路測(cè)試狀態(tài)。根據(jù)Multisim仿真軟件的軟件組成研究來看，Multisim仿真軟件包含了各種分析功能，可以為各種不同的應(yīng)用需求提供豐富的仿真分析計(jì)算。

2 Multisim仿真軟件在實(shí)驗(yàn)過程中的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 Multisim仿真軟件顯示的圖形界面具有直觀性

該仿真軟件上手操作非常方便，其創(chuàng)建的電路界面圖形具有可視化的功能，Multisim仿真軟件可以根據(jù)電路圖的需求進(jìn)行針對(duì)性繪制，還可以利用拖曳的方式來選取電路仿真時(shí)所需要的測(cè)試儀器以及元器件，同時(shí)還可以在計(jì)算機(jī)屏幕上輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 豐富的元器件

Multisim仿真軟件擁有主流元器件超過17 000多種，可以提供各種各樣的元器件。對(duì)各種不同的元器件參數(shù)進(jìn)行編輯和修改，同時(shí)還能夠利用模擬生成器以及代碼模式和創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建新的元器件。

2.3 仿真功能強(qiáng)大

Multisim仿真軟件有著超強(qiáng)的仿真模式，可以通過利用SPICE3F5軟件或Xspice軟件的內(nèi)核來作為自己?jiǎn)?dòng)的引擎，然后充分結(jié)合Electronic workbench軟件中附帶的增強(qiáng)設(shè)計(jì)功能進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)字和混合模式仿真性，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)的需求，其中包括VHDL仿真、RF仿真、SPICE仿真以及電路向?qū)У裙δ堋?/p>

2.4 測(cè)試儀器的豐富性

在PCB設(shè)計(jì)中，Multisim可以提供22種虛擬儀器用來對(duì)電路動(dòng)作進(jìn)行測(cè)量，如頻譜儀、示波器、萬用表、失真度儀以及函數(shù)發(fā)生器和邏輯分析儀等，這些儀器的設(shè)置以及使用與真實(shí)的一樣[4]。除了Multisim提供的默認(rèn)儀器還可以創(chuàng)建LabⅥEw的自定義儀器，讓圖形環(huán)境可以更靈活地進(jìn)行測(cè)試、測(cè)量以及控制應(yīng)用程序的儀器。

3 Multisim仿真軟件在實(shí)驗(yàn)過程中的具體應(yīng)用分析

3.1 Multisim仿真軟件在實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用方法

利用Multisim仿真軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)是為了能夠在一定的安全環(huán)境且成本低的情況下更好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力和電工電子的操作思維能力。讓他們學(xué)會(huì)自己提出設(shè)計(jì)方案并完成設(shè)計(jì)，在正式進(jìn)入電工電子技術(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生首先必須先制作出一個(gè)科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)要確認(rèn)方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)，不斷地修改完善原理圖，以便于能夠及時(shí)進(jìn)行仿真調(diào)試和參數(shù)的修改，從而更高效地完成實(shí)驗(yàn)需要的電力模型建設(shè)。在實(shí)驗(yàn)需要的基本步驟工作完成之后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)是需要滿足實(shí)驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，當(dāng)符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)后，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。綜上所述，仿真模擬實(shí)驗(yàn)的整個(gè)程序需要在Multisim仿真軟件的輔助下完成虛擬電路模型以及專業(yè)軟件構(gòu)建，然后通過實(shí)驗(yàn)的需求，制定合理的計(jì)劃并對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，不斷完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)的全過程。所以，在這樣的方式下，我們可以利用Multisim仿真的特點(diǎn)對(duì)有反饋和無反饋進(jìn)行分析。

3.2 Multisim仿真軟件在實(shí)驗(yàn)中有反饋和無反饋的分析

通過利用Multisim仿真軟件進(jìn)行模擬電路實(shí)驗(yàn)過程，加入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析可以得知當(dāng)CD Operating Point為U（4）、U（5）、U（7）、U（8）、U（9）、U（11）時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。其中，當(dāng)CD Operating Point為U（4）時(shí)，其對(duì)應(yīng)的U/V為1.3164；為U（5）時(shí)，對(duì)應(yīng)的是3.5463；為U（7）時(shí)，對(duì)應(yīng)的是7.2367；為U（8）時(shí)，對(duì)應(yīng)的是3.4693；為U（9）時(shí)，對(duì)應(yīng)的是5.42679；為U（11）時(shí)，對(duì)應(yīng)的是0.5289。根據(jù)以上的工作點(diǎn)數(shù)據(jù)來看，可知此時(shí)的Multisim仿真電路實(shí)驗(yàn)中的電路正處于一個(gè)放大的形態(tài)。通過示波器的功能分析其輸出和輸入的波形情況，發(fā)現(xiàn)波形大致是一樣的，放大電路電壓的放大倍數(shù)是9.5。由此可以對(duì)電路的頻率做一個(gè)針對(duì)性的分析，根據(jù)中頻段的電壓數(shù)據(jù)來看，放大倍數(shù)為18.99 db。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)過程中有反饋的分析

具體的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)內(nèi)容是以流水燈來進(jìn)行的，在正式進(jìn)入流水燈模擬實(shí)驗(yàn)之前，事前準(zhǔn)備好的內(nèi)容有顯示電路以及顯示器，四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、二級(jí)光顯示器以及譯碼器等實(shí)驗(yàn)設(shè)備[5]。同時(shí)，還要合理規(guī)劃好自動(dòng)振蕩的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。正式進(jìn)入流水燈實(shí)驗(yàn)之后，電路的應(yīng)用是必不可少的，電路的功能在實(shí)驗(yàn)中有著很重要的影響，其中電路的功能包含了定時(shí)器、示波器等。定時(shí)器對(duì)電路的正常運(yùn)行起著很關(guān)鍵的作用，通過定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式可以幫助實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)試，更好地協(xié)助流水燈實(shí)驗(yàn)中指示燈連接狀態(tài)的檢測(cè)，提高流水燈實(shí)驗(yàn)中判斷技術(shù)的準(zhǔn)確性；而示波器可以為整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的波形走勢(shì)變化情況提供監(jiān)督的作用；對(duì)于地址控制設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確連接，不僅可以最大限度讓控制設(shè)備處于一個(gè)很長(zhǎng)時(shí)間段都可以使用的狀態(tài)，還可以使電路與顯示負(fù)電極之間的連接順利進(jìn)行。在流水燈實(shí)驗(yàn)過程中，要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)步驟，對(duì)流水燈的電路情況進(jìn)行多次仿真調(diào)試和參數(shù)修整，在其調(diào)試和修整的過程中要不斷的觀察其電路的點(diǎn)亮狀態(tài)。通過在實(shí)驗(yàn)中對(duì)流水燈點(diǎn)亮的狀態(tài)觀察來看，由此可以得出流水燈是按照排序的順序依次被點(diǎn)亮的，且燈亮未曾出現(xiàn)電力不足導(dǎo)致閃爍的情況發(fā)生。經(jīng)過對(duì)流水燈的電路問題檢測(cè)后，下一步就是對(duì)LED燈進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，根據(jù)LED燈電路實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，再與流水燈電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而得出不同指示燈的亮度情況。在進(jìn)行兩種不同指示燈的電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，示波器和振蕩變形情況的記錄都要正常進(jìn)行。然后通過比較這些不同指示燈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行判斷，更好地為后期的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案提供可靠的數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，除了要對(duì)有反饋的結(jié)果進(jìn)行分析之外還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的負(fù)反饋結(jié)果進(jìn)行有效分析，但無論是展開哪一種分析，都要嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)的要求來進(jìn)行，才能得到Multisim仿真軟件在實(shí)驗(yàn)中的真實(shí)運(yùn)用情況。通過對(duì)Multisim仿真軟件功能的進(jìn)一步了解之后還可以擴(kuò)大Multisim仿真的應(yīng)用范圍。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)過程中無反饋的分析

在進(jìn)行電工電路的實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)性地對(duì)電壓串聯(lián)負(fù)反饋的電路情況進(jìn)行具體試驗(yàn)，并對(duì)RW1和RW2不斷調(diào)試，使其靜態(tài)工作點(diǎn)能夠得到深度優(yōu)化。此外在靜態(tài)工作點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。在正式進(jìn)入動(dòng)態(tài)分析之前，需根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施步驟按要求完成，將Multisim仿真軟件以及示波器依次打開，示波器有兩種調(diào)節(jié)方式，分別為豎向調(diào)節(jié)和水平調(diào)節(jié)，一般情況下的實(shí)驗(yàn)都會(huì)一起打開這兩個(gè)調(diào)節(jié)方式，以便于為實(shí)驗(yàn)的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。在實(shí)驗(yàn)中通過示波器輸入和輸入的波形走勢(shì)分析，得知示波器的兩個(gè)波形都是一樣的，綜上可知電壓串聯(lián)負(fù)反饋的電壓倍數(shù)為123倍。

4 結(jié)束語

綜上所述可知，利用Multisim仿真軟件進(jìn)行電工電子技術(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)，除了充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能優(yōu)勢(shì)，還可以更好地提高電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)過程中仿真效果的真實(shí)性。同時(shí)，采用Multisim仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)還能在一定程度上減少資源的浪費(fèi)，從而有效降低實(shí)驗(yàn)成本，促進(jìn)資源的合理利用，大大降低電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)性，提高實(shí)驗(yàn)的效率，且通過強(qiáng)大的仿真功能促使理論和實(shí)踐完美結(jié)合，使學(xué)生能夠在理論知識(shí)的強(qiáng)化同時(shí)提升他們的動(dòng)手能力，從而更好地促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)能力的提高。仿真模擬實(shí)驗(yàn)不僅可以有效地加強(qiáng)知識(shí)的掌握能力和對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，還能鍛煉操作者的實(shí)踐動(dòng)手能力。充分運(yùn)用Multisim仿真軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)并發(fā)揮其作用，對(duì)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量以及技術(shù)提高有著重要的促進(jìn)作用。