Multisim仿真軟件在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及效果分析

潘學(xué)文　趙全友　楊振南

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Multisim仿真軟件在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及效果分析

潘學(xué)文趙全友楊振南

（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

針對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的設(shè)備有限、損壞和老化等問(wèn)題，利用multisim強(qiáng)大的電路仿真分析功能，輔助電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)模電實(shí)驗(yàn)中的單管放大電路進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，該教學(xué)方法實(shí)用性強(qiáng)，不僅可方便地修改電路參數(shù)，直觀地查看仿真結(jié)果，而且能降低教學(xué)成本，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的電路分析和設(shè)計(jì)能力。

電子技術(shù)；單管放大電路；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；multisim仿真

1　引　言

目前，大部分院校電子技術(shù)基礎(chǔ)課程《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器不足，實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，實(shí)驗(yàn)完全依賴(lài)儀器，而且電子元器件損耗大、成本高、難度大，實(shí)驗(yàn)效果并不理想，很多同學(xué)無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)[1-2]。

利用Multisim強(qiáng)大的電路仿真分析功能開(kāi)展電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[3-4]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可選取有代表性的實(shí)驗(yàn)，先利用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，然后再到實(shí)驗(yàn)室完成硬件電路實(shí)驗(yàn)，可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。由于仿真實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)，是一種基于數(shù)學(xué)建模的純軟件仿真，不需要具體的硬件電路就能完成實(shí)驗(yàn)，并且電路搭建、元器件更換及電路參數(shù)修改極為方便，電路運(yùn)行結(jié)果可實(shí)時(shí)觀察，是電子技術(shù)課程理論聯(lián)系實(shí)際的一條可靠途徑，同時(shí)也能提高學(xué)生的電路分析、設(shè)計(jì)能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識(shí)[5-8]。

2　仿真軟件介紹

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instrument，簡(jiǎn)稱(chēng)NI公司）推出的一款用于電子線(xiàn)路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。Multisim仿真軟件一經(jīng)推出就得到電子技術(shù)教育專(zhuān)家的青睞，在教育領(lǐng)域取得了巨大成功，是當(dāng)今電子教育領(lǐng)域使用非常廣泛的一款專(zhuān)用EDA軟件[9]。Multisim仿真軟件具有友好的界面、豐富的元器件庫(kù)、虛擬儀器、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路、數(shù)字電路、高頻電路、電力電子、單片機(jī)電路等仿真，也能實(shí)現(xiàn)PCB電路板和自動(dòng)布線(xiàn)設(shè)計(jì)，完全可以滿(mǎn)足電子技術(shù)教學(xué)和科研的需求。因此，越來(lái)越多的院校采用Multisim進(jìn)行電子技術(shù)仿真教學(xué)[10-11]。

3　仿真分析

下面以模電實(shí)驗(yàn)中最基本的實(shí)驗(yàn)——單管放大電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，說(shuō)明Multisim軟件在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)用及效果分析。

3.1單管放大電路描述

放大器的本質(zhì)是不失真地放大交流小信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)輸入小信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的控制作用。要使放大器不失真地放大交流小信號(hào)，放大器必須要設(shè)置合理的靜態(tài)工作點(diǎn)，以保證放大管在整個(gè)工作區(qū)間工作在放大區(qū)[13]。

圖1.單管交流放大電路

3.2靜態(tài)工作點(diǎn)分析

3.3動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析

1）電壓放大倍數(shù)

在放大電路調(diào)至合適的靜態(tài)工作點(diǎn)的時(shí)候，在輸入端加入輸入信號(hào)（頻率1kHz，幅度為5mv的正弦波信號(hào)），用電壓表測(cè)出輸入電壓和輸出電壓的值。

可見(jiàn)，電壓放大倍數(shù)跟集電極電阻和負(fù)載有關(guān)，集電極電阻增大，放大倍數(shù)增大，接入負(fù)載后電壓放大倍數(shù)減小，仿真結(jié)果跟理論分析是吻合的。

2）輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻是指放大電路輸入端的等效電阻，在電壓放大電路中，輸入電阻越大，輸入電流越小，則放大電路從信號(hào)源吸取信號(hào)幅度的就越大；輸出電阻是指放大電路輸出端的等效電阻，在電壓放大電路中，輸出電阻越小，則放大電路帶負(fù)載能力的越強(qiáng)[13]。

輸入電阻：

輸出電阻：

式（4）中的是函數(shù)發(fā)生器的輸出信號(hào)，是放大電路輸入端串入后，輸入端的輸入信號(hào)，的阻值大小一般為1~2 kΩ；式（5）中和分別是負(fù)載開(kāi)路和接上負(fù)載時(shí)的輸出值，其測(cè)試電路如圖2所示。在圖2中通過(guò)開(kāi)關(guān)J2控制在輸入端是否串入電阻， J3控制是否加入負(fù)載。在函數(shù)發(fā)生器輸出正弦波信號(hào)頻率1kHz，幅度為5mv），用電壓表測(cè)得=3.536mv，=2.019mv，=0.408v，=0.240v，根據(jù)式（3）和式（4）分別計(jì)算出輸入電阻=1.33 kΩ和輸出電阻=2.59 kΩ。

圖2.輸入、輸出電路測(cè)試電路

3）頻率響應(yīng)

使用Multisim軟件提供的波特圖示儀可測(cè)出放大電路的頻率響應(yīng)[15]。將波特圖示儀連接在電路中，如圖2所示。運(yùn)行仿真，雙擊波特圖示儀，放大電路的頻率響應(yīng)如圖3所示。

（a）幅頻特性（b）相頻特性

圖3 放大電路的頻率響應(yīng)

4）最大不失真輸出幅度

最大不失真輸出幅度是指放大電路在不失真的情況下最大輸出電壓幅度。在實(shí)驗(yàn)中，首先設(shè)置放大電路合理的靜態(tài)工作點(diǎn)，然后逐漸加大輸入信號(hào)，觀察輸出信號(hào)的波形。如輸出波形首先出現(xiàn)削底，則發(fā)生了飽和失真，此時(shí)應(yīng)調(diào)大p，靜態(tài)工作點(diǎn)向下移動(dòng)，減弱飽和失真現(xiàn)象；如輸出波形首先出現(xiàn)頂部波形壓縮，則發(fā)生了截止失真，此時(shí)應(yīng)調(diào)小p，靜態(tài)工作點(diǎn)向上移動(dòng)，減弱截止失真現(xiàn)象；逐漸加大輸入信號(hào)和反復(fù)調(diào)整p，直至飽和失真和截止失真同時(shí)發(fā)生，此時(shí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)位于交流負(fù)載線(xiàn)中間，是最佳工作點(diǎn)。然后，適當(dāng)減小輸入信號(hào)，同時(shí)觀察輸出信號(hào)，當(dāng)輸出信號(hào)剛好出現(xiàn)不失真時(shí)，測(cè)出輸出電壓即為最大不失真輸出幅度。

４　結(jié)束語(yǔ)

本文利用Multisim對(duì)單管放大電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真，分析了放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和主要?jiǎng)討B(tài)性能指標(biāo)。仿真表明：這是一種方便易行、安全有效的方法，能啟發(fā)學(xué)生從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)思維過(guò)渡到對(duì)電路的分析、故障的排查和電路的設(shè)計(jì)；降低了實(shí)驗(yàn)成本，可解決設(shè)備有限、損壞和老化等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)踐教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，先進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，幫助同學(xué)們熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理解實(shí)驗(yàn)原理，然后用實(shí)際元器件安裝調(diào)試電路，可提高在實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效率。

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（責(zé)任編校：宮彥軍）

2015－12－18

湖南省教改項(xiàng)目（湘教通〔2014〕247號(hào)）；湖南省教育廳一般項(xiàng)目（15c0590）；湖南科技學(xué)院教改項(xiàng)目（湘科院[2014]29號(hào)）；湖南科技學(xué)院“通信工程專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)”項(xiàng)目。

潘學(xué)文（1983－），男，湖南永州人，碩士，講師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。

TN710.2

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1673-2219（2016）05-0040-04