基于Multisim的高職“模擬電路”虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例研究

劉 丹

“模擬電路”是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。“模擬電路”中的一些概念和理論知識，對于剛剛接觸電路的初學(xué)者來說，比較抽象，難以理解，而近年來計算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，大量EDA軟件的出現(xiàn)，使虛擬實(shí)驗(yàn)被大量引入到課堂教學(xué)中，從而為“模擬電路”的教學(xué)提供了一種新的方式。

虛擬實(shí)驗(yàn)借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，極大地提高了教學(xué)效果。[1]本文以“模擬電路”課程中“單管共射極放大電路的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)”為實(shí)例，簡述模擬電路教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用問題。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握單管共射級放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)Q的測量和調(diào)整方法，分析靜態(tài)工作點(diǎn)對放大電路性能的影響，掌握放大電路性能指標(biāo)Au，Ri，Ro的計算和測量方法。

二、實(shí)驗(yàn)原理

圖1所示為電阻分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的共射級放大電路，其中，RB1=R2+RP。當(dāng)在放大電路輸入端加上輸入信號Ui后，在輸出端可以得到與Ui相位相反的，被放大的輸出信號Uo，從而實(shí)現(xiàn)了電壓信號的放大。

靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置是為了給放大電路提供一個合適的直流工作環(huán)境，以保證輸出的信號不失真，使電路具有較高的電壓放大倍數(shù)。改變電路的參數(shù) VCC、RB、RC，引起靜態(tài)工作點(diǎn)的變化，在這個虛擬實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)上偏置電阻RP，得到一個合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。如圖1所示，RP將引起RC增大，也就是靜態(tài)工作點(diǎn)偏高，這樣容易產(chǎn)生飽和失真；當(dāng)RP增加時，IC會減小，靜態(tài)工作點(diǎn)下移，接近截止區(qū)，容易產(chǎn)生截止失真。可見，調(diào)節(jié)RP可以獲得一個合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

在放大電路工作時不出現(xiàn)輸出信號失真，靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)該盡可能選在交流負(fù)載線的中點(diǎn)位置。

因此，在設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)時，先加大Ui,再調(diào)節(jié)RP。如果加大Ui時先出現(xiàn)飽和失真，說明靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置偏高，如圖2所示，將RP調(diào)大，使靜態(tài)工作點(diǎn)下移。如果增大Ui時，先出現(xiàn)截止失真，如圖3所示，說明靜態(tài)工作點(diǎn)偏低，可調(diào)小RP。當(dāng)Ui增大時，出現(xiàn)雙向失真，此時，靜態(tài)工作點(diǎn)就在交流負(fù)載線的中點(diǎn)附近，這時不用調(diào)節(jié)RP，慢慢調(diào)小Ui，當(dāng)輸出的電壓不出現(xiàn)失真時，即得到最大不失真輸出電壓。

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

（一）靜態(tài)工作點(diǎn)及β的測試

圖1 電阻分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的共射級放大電路

圖3 飽和失真

如圖4所示，啟動仿真實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)RP使IC=1.5mA，這時可以測量出靜態(tài)工作點(diǎn)的各個直流分量，基極電壓UBEQ，基極電流IBQ,UCEQ,ICQ,β值根據(jù)測量的基極電流和集電極電流計算得出。將電路實(shí)際測得的靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)記錄下來，與通過計設(shè)工作在放大區(qū)，如果按照此方法求出UCEQ太小，接近零或者負(fù)值時（有可能是RB或者RC太小），說明集電結(jié)沒有正常的反向偏置，晶體管接近飽和區(qū)或者已經(jīng)位于飽和區(qū)內(nèi)，這時β將慢慢減小或者根本無法放大，iC=βiB公式不成立，測量的結(jié)果是:ICQ≈VCC/RC,UCEQ≈0。

（二）電壓放大倍數(shù)與輸入電阻的測定

如圖5所示，交流源電壓放大倍數(shù)的測量方法如下。

1.雙擊示波器圖標(biāo)，按下述進(jìn)行調(diào)整:X軸掃描均為 500μS/Div，A通道Y軸幅度均為10mV/Div，B通道選擇 AC模式，Y軸幅度為200mV/Div。打開電源開關(guān)，可觀察輸入、輸出信號波形的對比。算獲得的理論值相比較，可以發(fā)現(xiàn)，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)基本一致。這種方法求靜態(tài)工作點(diǎn)是假

圖2 截止失真

圖4 靜態(tài)工作點(diǎn)及β值測量電路

2.關(guān)掉電源，拖動示波器屏幕兩端的讀數(shù)標(biāo)尺分別放至兩曲線的波峰和波谷點(diǎn)，從屏幕下方的讀數(shù)窗口中分別讀出輸出、輸入信號電壓的峰峰值。計算它們的比值，即為交流電壓放大倍數(shù)。

3.雙擊電壓表圖標(biāo)，在打開的對話框中選擇Mode為AC，再按確定按鈕。打開電源開關(guān)，讀出輸出、輸入電壓，計算出交流電壓放大倍數(shù)。將示波器A通道輸入端改接在R6、C1之間（節(jié)點(diǎn)11），重復(fù)上述測量過程，所得電壓比值即為交流電壓放大倍數(shù)。

輸入電阻為放大電路的重要參數(shù)，在該電路中，從節(jié)點(diǎn)11向電路內(nèi)部看進(jìn)去的總等效電阻即為其輸入電阻。其測量方法是:在輸入端接一已知阻值的電阻R6（等效為電源內(nèi)阻RS），交流電壓表接在節(jié)點(diǎn)11與地之間，接通電源開關(guān)后，讀取電壓表的測試數(shù)據(jù)，則根據(jù)公式Ri=（Ω）即可求出輸入電阻。需加以注意的是，這是虛擬實(shí)驗(yàn)測量方法，與電路分析方法是有區(qū)別的。[2]

（三）輸出電阻的測量

輸出電阻也是放大電路的重要參數(shù)，其虛擬實(shí)驗(yàn)測量方法是:在輸出端接交流數(shù)字電壓表或示波器，打開電源開關(guān)，測量輸出電壓VO；斷開電源，斷開輸出負(fù)載RL，再打開電源，測量空載輸出電壓 VO’；然后，根據(jù)公式 RO=()×RL(Ω)，求出輸出電阻，如圖6所示。

圖5 電壓放大倍數(shù)與輸入電阻的測定

根據(jù)表1分別計算和記錄靜態(tài)工作點(diǎn)及β值的實(shí)測值與理論值，分析理論值與實(shí)測值的差別，二者結(jié)果應(yīng)該基本相符。結(jié)論:影響靜態(tài)工作

（四）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和分析

圖6 輸出電阻的測定

點(diǎn)位置的主要因素有VCC、RC和RB。在這三個因素中，一般Vcc確定后不會變化；RC對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響相對要小一些，RB是這三個因素中最主要的影響因素，一般可以認(rèn)為IBQ與RB成反比。飽和失真時，應(yīng)該增大RB,使IBQ減小，將靜態(tài)工作點(diǎn)降低；截止失真時，應(yīng)該減小RB，使IBQ增大，提高靜態(tài)工作點(diǎn)。調(diào)節(jié)RB就可以調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)Q，使它位于放大區(qū)負(fù)載線的中間。

表1 靜態(tài)工作點(diǎn)及β實(shí)測值與理論值對照

電壓放大倍數(shù)AU可以采用兩種方法測量:電壓表測量和示波器測量。分別測量有載時（RL=2KΩ，有載）電壓放大倍數(shù)AU和空載時（RL=∞，空載）電壓放大倍數(shù)AU’。同時，根據(jù)理論公式計算出AU和AU’，二者進(jìn)行比較，結(jié)果應(yīng)該基本相符，如表2所示。

在“模擬電路”課堂教學(xué)過程中,學(xué)生從原來的線性電路移植到非線性電路需要一個理解的過程，非線性電路的定性分析、定量計算是教學(xué)中的難點(diǎn)，絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為非線性電路很抽象，很難深刻理解電路原理和實(shí)際功能。[3]采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將計算機(jī)仿真技術(shù)運(yùn)用到電路的分析中，教師在講解電路原理的同時，使用仿真軟件模擬電路的運(yùn)行過程和輸出曲線，通過實(shí)時改變電路元件的參數(shù)輸出，同步得出仿真曲線。通過對比，可以使學(xué)生更直觀地了解電路中各元件的作用，以及由于電路參數(shù)值的調(diào)整，各元件對電路性能參數(shù)的影響，促進(jìn)了學(xué)生對電路原理的認(rèn)識，幫助他們進(jìn)一步掌握了元器件在電路中的作用功能，從而提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

表2 電壓放大倍數(shù)實(shí)測值與理論值對照

[1]馬良花，劉曉亮.模擬電子電路課程教學(xué)方法芻議[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009(1):45-47.

[2]唐民麗，吳恒玉.Multisim2001在模擬電子技術(shù)多媒體課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2006（4）:158-159.

[3]李朝海，吳援明.“模擬電路”教學(xué)效果的調(diào)查分析及其對策研究[J].理工高教研究，2009(1):126-128.