Multisim仿真在電子試驗教學的應用

鄭 賓

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000）

高職電子實驗教學課程涉及的電路概念原理多、理論性強、比較抽象，學生理解起來很費勁。通過對高職學生學習電工電子實驗課程進行問卷調查，35%的同學認為可以獨立完成實驗任務并得到正確結論，而65%的同學認為需要有老師的指導才能完成實驗任務并得到正確結論。目前，在高職學校里很多試驗室的設備陳舊、資源有限，試驗內容大多是驗證性試驗，試驗項目沒有及時更新，試驗課時占整個教學課時的比例較小，又由于高職生的自主學習性較差，因此，要扭轉現在的高職學生電子實驗課程的教學現狀，教師必須要對現有的電路分析試驗課程進行教學改革，采取多種教學方式，提高學生學習興趣。

隨著計算機及網絡的飛速發展，計算機仿真技術在設計制造、教育科研等領域得到了廣泛的應用。常用的電子設計仿真軟件有Protel、Pspices、Multisim等，通過計算機仿真試驗教學，學生能對電路原理及理論進行科學的驗證，會進行常規電路故障的分析與檢測，能設計簡單的電路并實現功能，大大加強了學生的動手能力和創新能力，有效解決了實驗儀器資源有限的問題，達到了良好的教學效果。本文主要論述的是Multisim仿真在電子試驗教學的應用。

1 Multisim軟件介紹

Multisim是美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于模擬數字電路板的設計工作。其包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。目前，使用較多的版本為Multisim 11.0，其具有更加形象直觀的人機交互界面，包含了Source庫、BASIC庫、Diodes等15個元件庫，提供了我們日常常見的各種建模精確的元器件，比如電阻、電容、電感、三極管、二極管、繼電器、可控硅、數碼管等等。模擬集成電路方面有各種運算放大器、其他常用集成電路；數字電路方面有74系列集成電路、4000系列集成電路等等，還支持自制元器件。具有數千種電路元器件，儀器儀表庫中還提供了萬用表、信號發生器、瓦特表、雙蹤示波器、波特儀（相當實際中的掃頻儀）、字信號發生器、邏輯分析儀、邏輯轉換儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、網絡分析儀和電壓表及電流表等儀器儀表。其幾乎能夠100%地仿真出真實電路的結果，并且容易制作電路模型，迅速了解電路行為，借助高級電路分析，理解基本設計特征[1]。

2 電子實驗課程教學改革

2.1 試驗教學改革思路

現有的電路試驗一般有如下內容：常用電工儀表儀器的使用，元件伏安特性的測繪，基爾霍夫定律的驗證，疊加原理的驗證，戴維南定理的驗證，交流電路參數的測定等，其中80%都是驗證性試驗，這樣不能很好地鍛煉學生的動手實踐和創新能力，培養不出企業需要的高端技能型人才。所以，改革后，實驗內容調整為三類：驗證性實驗、應用性實驗和綜合性實驗[2]，其比例為3：4：3。

驗證性實驗指學生對電路原理進行驗證、鞏固加強理論知識的過程；應用性實驗指教師對一些典型的電路實驗設置隱性故障，讓學生自己去檢測、分析和排除的過程；綜合性實驗指教師給出實訓題目或者由學生自主選擇，設計出實驗項目的電路圖并進行測試，最終得到完整的實踐測試報告的過程。以上三類實驗在Multisim仿真平臺下絕大多數都可以完成，并且學生能夠多次在計算機仿真環境下進行測試，同時，可以在實物實驗平臺上構建電路并對其進行測試，最后比較兩種測試的實驗結果并進行分析。通過這種實驗方式，學生能夠熟練的掌握常見電路問題的解決方法，提高了學生分析復雜電路問題的能力、開發電子線路的能力和創新能力。

2.2 Multisim仿真實驗教學實例

2.2.1 確定設計方案

仿真實驗要求設計兩級電壓串聯負反饋放大電路并進行測試，首先由學生自行提出設計方案進行實驗原理電路設計，然后在Multisim下構建虛擬電路模型，接著進行調試—修改—完善，最終達到設計要求和測量電路參數，并能寫出實踐測試報告[3]，其流程如圖1所示。

圖1 Multisim實驗仿真仿真過程框圖

2.2.2 運用Multisim設計兩級具有電壓串聯負反饋放大電路

兩級具有電壓串聯負反饋放大電路設計，如圖2所示。

2.2.3 仿真測量電路特征指標

仿真測量電路特征指標要求合理設置靜態工作點、分析有無負反饋時放大倍數和頻率特性、非線性失真等電路特征指標[4]。在輸入端接入正弦信號u（if=1 kHz、Ui=5 mV）。

（1）測量靜態工作點

圖2 兩級電壓串聯負反饋放大電路

不接輸入信號ui，將開關J1斷開，調節R10=35%使UC1=5 V,調節R11=55%使UC2=7 V。使用電壓表測各點電位，記錄數據如表1所示。

表1 兩級放大電路靜態工作點

結論：由各點電壓可以判斷出晶體管可以工作在放大區，并與理論公式計算值相同。

（2）有無負反饋放大電路大倍數分析

接輸入信號 Ui、R7負載、Rf=R5，將開關 J1 斷開（無反饋）。在以上靜態工作點基礎上，打開仿真開關，雙擊示波器輸入波形和輸出波形相同，如圖3所示，并讀出電壓放大倍數Auo記錄數據在表2中。

圖3 無反饋輸入、輸出波形

表2 有無負反饋放大電路放大倍數

然后按鍵盤Space鍵，將開關J1閉合（有反饋），等待示波器輸出穩定波形后觀察輸入和輸出波形，如圖4所示，并讀出電壓放大倍數Auf記錄數據在表2中。

圖4 有反饋輸入、輸出波形

結論：負反饋使放大電路大倍數減小。

（3）有無負反饋大電路通頻帶分析

接輸入信號 Ui、R7負載、Rf=R5，將開關 J1 斷開（無反饋）。在以上靜態工作點基礎上，打開仿真開關，雙擊波特圖儀觀察放大電路中頻段放電壓大倍數Auom，并用游標查找電壓大倍數Auom下降的3 dB時下限截止頻率fL和上限截止頻率fH，如圖5所示，同時記錄數據在表3中。

圖5 無反饋波特圖

表3 有無負反饋放大電路通頻帶

然后按鍵盤Space鍵，將開關J1閉合（有反饋），等待輸出穩定雙擊波特圖儀觀察放大電路中頻段放電壓大倍數Aumf，并用游標查找電壓大倍數Aumf下降3 dB時下限截止頻率fLf和上限截止頻率fHf如圖6所示，同時記錄數據在表3中。

圖6 有反饋波特圖

結論：負反饋使放大電路能夠擴展通頻帶。

（4）有無負反饋大電路非線性失真的分析

接輸入信號Ui、Rf=R7，在以上靜態工作點基礎上，打開仿真開關，雙擊失真分析儀，將開關J1斷開（無反饋）總諧波失真數為8.208%；然后按鍵盤Space鍵將J1閉合（有反饋）總諧波失真數為0.162%。

結論：反饋對放大電路抑制了非線性失真。

4 結束語

在電子實驗中引入Multisim仿真的手段取得了較好的教學效果，鞏固了學生的理論知識，也提高了學生的動手實踐和創新能力，對培養高職學生綜合素質起到了積極作用，也是今后電子實驗教學改革的趨勢之一。

[1]李國麗，應艷杰，盛 華，吳根忠，周文委.電工電子實驗教學改革[J].電氣電子教學學報，2008，30(5)：30-31.

[2]羅正祥.提高實驗教學地位培養學生創新能力[J].實驗室研究與探索，2006，25(6):589-592.

[3]李蘭英.專業基礎課實驗開放教學的理論與實踐[J].河北農業大學學報(農林教育版)，2005，7(3):39-41.

[4]童詩白.模擬電子技術[M].北京:高等教育出版社，1988.