模擬電路實驗教學中應用仿真軟件Multisim的探究

張科紅

浙大城市學院信電學院 浙江杭州 310015

模擬電子技術是電類專業一門非常重要的基礎課，其特點是課程知識面豐富、信息量大、抽象難學、理論與實踐并重，往往是學生深入電子世界的一只“攔路虎”。[1]近年來，通過在模擬電路實驗中引入仿真軟件Multisim實現虛實結合，更好地激發了同學的模擬電路實驗學習興趣，對于提升同學的理論水平和分析能力起到了很好的作用。下文就如何在模擬電路實驗中更好地應用仿真軟件做一些交流。

1 仿真軟件Multisim的功能[2-4]

仿真軟件Multisim是一款電子電路仿真與設計軟件，該軟件具有集成的電路設計環境，通過集成SPICE內核仿真分析程序，與虛擬儀器技術相結合，搭建了一個類似真實實驗的電子技術實驗臺。其主要特點包括：

(1)需要的元器件和儀器設備可以直接拖放到工作屏幕，操作與真實的儀器基本一致，數據、波形等都能實時展示；

(2)軟件含有豐富的元器件庫和測試儀器，提供了超過17000種的主流元件，還含有22種虛擬儀器，可以支持對電路進行測量；

(3)軟件具有強大的仿真分析能力，提供了包括直流工作點分析、交流分析、瞬態分析、直流掃描分析等18種分析方式，可以方便對電路進行多角度的深入研究。

2 Multisim應用于模擬電路實驗的預習研究

目前為了更好地提升教學效果，推動翻轉課堂，實現以學生為中心的教學模式，一般高校實驗課的普遍做法是由學生先預習，老師簡單講解后學生再開始操作，或者有些環節是完全讓學生來講，如筆者曾經在幾次實驗課中嘗試讓學生來做主講。良好的實驗教學效果必須建立在很好的預習基礎上，但很多同學的預習往往流于形式[5]。有些同學對課前預習不夠重視，結果上課發現老師講得可能比較少或者根本聽不懂，嚴重影響了課堂的實驗教學效果；還有的同學也預習了，但由于對電路原理不能很好理解，對實驗數據沒能做出估計，并沒有起到理想的預習效果。為此，在模擬電路實驗教學的首次課中引入了Multisim，通過半導體器件特性仿真實驗的講授讓同學更好地學會從多角度去預習。

2.1 Multisim應用于二極管特性測試電路仿真的預習

二極管特性測試電路是模擬電路實驗的入門實驗，原理簡單，易學易懂，“麻雀雖小，五臟俱全”。通過首次課以其為范例，多維度運用儀器測試、直流工作點分析、瞬態分析等各種常用仿真分析方法進行深入解剖，使同學學會如何預習電路。在Multisim中創建二極管特性測試電路如圖1，同學可以通過器件的選擇、導線的連接、各元件參數屬性的修改體會實操過程，為真實實驗做好準備。

圖1 二極管1N4148測試電路

2.1.1 學習對電路進行靜態分析

在模擬電路中，靜態工作點是一個很重要的概念，如晶體管放大器不同的靜態工作點可能讓管子分別處于飽和、截止、正常放大等不同狀態。Multisim軟件中，直流工作點分析可以仿真計算電路處于靜態中的各節點電壓和各支路電流，在圖1中，瞬態交流信號源V1的Voffset默認為0，修改其Voffset=2V，對電路進行直流工作點(DC Operating point)分析，測出的數據為V(1)=2V，V(2)=545.9mV。當然，同學也可以直接使用軟件提供的直流電壓表和電流表來對靜態工作點進行測試。

2.1.2 學習對電路進行瞬態分析

瞬態分析是對電路進行的一種時域分析。在圖1中，設置V1參數Vampl=5V，Voffset=0，Freq=1kHz，對電路進行瞬態分析，輸出結果見圖2，從圖形中可以直觀地看到，當信號源V(1)處于正半周時，V(2)幾乎不變，說明此時二極管1N4148處于導通狀態；當V(1)處于負半周時，V(2)與V(1)重合，說明此時二極管截止，電路中沒有電流。通過移動游標尺2，可測量當V(1)=3.6V時，V(2)=567mV。這與真實實驗中，利用示波器測試電路得到的圖形數據是一致的，在圖1中用虛擬示波器也可以得到相同的輸出圖形。

圖2 二極管1N4148特性測試電路的瞬態分析

2.1.3 學習對電路進行交流分析

交流分析是對電路作出的一種頻率分析，通過改變輸入交流信號的頻率，去考察電路在不同頻率狀態下的工作情況，進而了解電路的頻率特性。在本實驗中，通過設置信號源V1的交流幅度為5V，選擇AC Analysis，設置start frequency=1Hz，end frequency=10GHz，掃描類型選擇decade(對數掃描)，可以得到仿真波形如圖3，從圖中可以看出，當頻率超過2MHz以上后輸出V(2)開始逐漸衰減。這讓學生更好地理解了二極管因結電容存在而具備的高頻特性。

圖3 二極管1N4148特性測試電路的交流分析

2.1.4 學習對電路進行直流掃描分析

在真實實驗中，為了測量二極管1N4148的伏安特性，一般將V1改為直流電源，通過不斷調整，測量多組數據，然后整理才能得到最終的電壓、電流曲線。但在Multisim中，可采用直流掃描分析(DC sweep)一次性完成。選取V1作為輸入變量，設置V1初始值為0V，結束值為2V，步長為0.2V，取I(D1)為輸出變量，執行直流掃描就可以得到I(D1)與輸入電壓V1的關系。移動游標尺可以測量出各點數據，如：當V(1)=0.8V時，I(D1)=29.8uA；當V(1)=1.5V時，I(D1)=96uA，伴隨電源增加，二極管電流增大。

2.1.5 學習對電路進行溫度分析

電路的真實工作情況可能還受到溫度的影響，但是改變溫度條件不太方便，在Multisim中就可以通過溫度掃描(Temperature Sweep)來進行模擬。在圖1中，設置V1為交流信號源，參數與瞬態分析設置相同，取溫度分別為0℃、50℃、100℃，取二極管端電壓V(2)為輸出對象，仿真結果通過移動游標尺，可測量出當t=122.6uS，溫度為0℃時，V(2)=629mV；溫度為50℃時，V(2)=527mV；溫度為100℃時，V(2)=423mV；從中可以看出，隨著溫度的升高，二極管的導通壓降在減小。

2.2 Multisim應用于OTL功放電路仿真的預習

真實操作中，OTL功率放大電路是一個相對比較復雜的電路，器件比較繁多，接線復雜，學生往往在實驗中會出現電路連線錯誤，導線、元器件損壞，對電路的測試無從下手等情況。如果學生能充分運用前面教授的仿真分析方法，在Multisim中建立仿真電路如圖4，通過對電路進行靜態分析和動態分析，相信能起到事半功倍的效果。

圖4 OTL功率放大電路的仿真測試

該電路從原理上來說，可以看成是兩級放大電路，首先，由NPN管U2及其直流偏置電阻R8、R5、R4、R3等組成的前置共射放大級，將輸入信號Ui反相放大，從U2集電極輸出作為第二級放大電路的輸入信號，靜態工作點通過調電阻R3改變。第二級放大電路由U1、Q1組成參數對稱的互補推挽功率放大電路，管子為共集電極放大狀態，主要實現電流的放大。通過二極管D1、可調電阻R4改變晶體管U1、Q1之間的基極壓差，使這兩個管子工作在甲乙類狀態，用以更好地消除交越失真。

學生在進行實驗預習時，可以先進行靜態調整，調節電位器R3使得圖中A點電壓為1/2VCC，調節電位器R4，觀察電流表讀數，測量三個管子U1、U2、Q1各點的靜態電壓，確保其正常放大。然后再進行動態測試，加入輸入信號V1，通過瞬態分析觀察放大管子U2是否有正常反相放大信號，觀察負載端是否有相應的波形輸出。通過改變信號源的幅度，在輸出端即可得到最大不失真電壓UO，求取放大倍數、最大輸出功率POM、效率、靈敏度、噪聲等指標，通過交流分析還能測量電路的頻率響應情況等。

通過課前的這些仿真測試，學生對實驗電路各個點的輸出波形及數據有了大致的了解，對電路原理有了更清楚的認知，做實驗時就能胸有成竹，大大提高效率。

3 Multisim應用于設計性任務

學以致用，通過一系列設計性實驗任務訓練，促進理論聯系實踐，可以提高學生的綜合實驗能力和解決工程實踐問題的能力，更好地培養學生創新能力。[6]Multisim由于仿真結果的實時性以及修改的便捷性，也可以很好地應用于設計性任務，課程組主要從三個維度來將Multisim與設計性任務相結合：

(1)應用Mulitisim開展課堂小測驗。這種設計性任務一般難度不要很高，主要目標是檢測同學是否已掌握當次電路實驗知識，能否做到活學活用。例如，在集成運算放大器的信號運算電路實驗完成后，就可以布置一個多信號的運算電路設計任務，要求同學課上完成UO=U1+3U2-4U3，其中電源12V，輸入阻抗Ri不小于10kΩ，完成輸出結果展示，波形要求不失真。這種小測驗可以計入當次成績，更好地促進學習。

(2)應用Multisim開展虛擬電子設計競賽。電子設計大賽是各高校重點關注的A類賽事，一般時間周期長，硬件成本高，學生的參與面非常有限。虛擬電子設計大賽學生在指定時間內對電路設計任務進行分析，通過提交仿真電路及報告以供評判，時間相對短，可以方便大量參與，既能夠幫助進行初步的選拔，也能更好地激發學生對于電子技術實驗的興趣。

(3)應用Multisim開展開放性課題設計。開放性課題設計往往難度稍高，涉及各單元電路知識的綜合應用。學生通過將設計任務進行模塊分解，充分應用Multisim進行各模塊電路的仿真分析，對于涉及傳感器的可以選用相應的信號源代替模擬，最終完成整體電路的聯調設計。

結語

通過將Multisim應用于模擬電路實驗，以二極管特性測試電路、OTL功放電路等為例,構建虛擬實驗仿真平臺，通過直流工作點分析、交流分析、瞬態分析等多角度對電路進行深入剖析，實驗結果直觀可見，加深同學對電路理論知識的理解，減少了器件的損壞，可以很好地幫助開展實驗預習工作，促進設計性實驗的開展，提高學生的動手能力和創新意識。