虛擬仿真技術(shù)在電工電子學科中的應用探討

周麗梅

（江蘇省靖江中等專業(yè)學校 江蘇·靖江 214500）

1 虛擬仿真教學的優(yōu)勢

（1）激發(fā)學生學習興趣，保證人身安全，減少設(shè)備投入。在電工基礎(chǔ)的實踐教學中三相交流電路380/220V電壓存在較大的安全隱患，在實驗場所進行三相負載的實驗操作，容易有觸電危險。這時候就可以采用Multisim 軟件來進行虛擬仿真教學，軟件中給我們提供了大量的虛擬儀表，如交直流電流表、交直流電壓表、萬用表、示波器、功率計等等。

（2）通過虛擬實驗教學，引導學生探究式學習。在電子技術(shù)的學習過程中，實驗室很多的電路都要進行搭接和焊接。我們學生一般都是兩課連上，無論是用面包板搭接電路還是用電烙鐵焊接電路，耗時長，有些動手能力弱的學生完成有困難，不利于課堂教學。Multisim14 虛擬仿真軟件可以在繪圖窗口調(diào)用元器件和設(shè)備，連接電路，完成實驗，得出結(jié)論。

（3）虛擬仿真進行教學，學生對知識點理解更深刻。用虛擬仿真進行教學，課堂上學生很難理解的知識變得十分容易。如模擬電路中三極管的放大倍數(shù)學生一直很難理解，交流信號怎么被放大，如何放大，放大了多少？講授過程中一般都是通過理論計算，教師一直在黑板上做數(shù)學計算，學生聽得一頭霧水。我們在軟件中連接單管放大電路，調(diào)整基極偏置電阻即滑動變阻器阻值，萬用表接在發(fā)射極位置，當萬用表電壓為一規(guī)定值后，靜態(tài)工作點就調(diào)整好了。我們再利用軟件中直流工作點的分析方法，可以快速地得出三極管的基極、集電極、發(fā)射集的電位，從而得到Ube 和Uce 電壓的大小。在基極加入交流信號后，通過雙蹤示波器可以觀察到輸入的微弱小信號和放大的交流大信號。讀出虛擬示波器的讀數(shù)，可以計算出電路的電壓放大倍數(shù)。隨著負載電阻的增加，放大倍數(shù)逐漸變大。

（4）激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，以適應將來就業(yè)崗位需求。從事電專業(yè)的老師日常工作中搞科研，如果借助于購買電子元器件、多孔板或面包板進行焊接和搭接，做出來的東西也許就是廢品，浪費了人力和物力。如果是公司研發(fā)新產(chǎn)品，還會延長產(chǎn)品的開發(fā)周期。我們利用Mutisim14 首先根據(jù)設(shè)想搭接電路，調(diào)試，如果可行，再讓它生成PCB 板，如果成功，我們再購置元器件，新產(chǎn)品很容易開發(fā)成功。這就類似于可編程控制器的誕生一樣，解決了產(chǎn)品的開發(fā)周期。節(jié)約了成本和資金投入。作為老師有必要教好這門課，以適應未來學生就業(yè)需求。

（5）利用Multisim14 不但可以對電路進行虛擬仿真，還能制成印制電路板。我們利用Protel DXP 2004 或者AD10 可以實現(xiàn)電子電路板的制作，但是前者軟件仿真效果有一定的局限性。如果我們在利用Multisim14 繪制原理圖仿真時，如果加入零件的封裝庫，同樣也可以制作PCB 板。Multisim14 軟件自身帶有龐大的零件庫，零件庫分為兩種：真實的零件庫和理想的零件庫。真實的零件庫來自于零件生產(chǎn)商家的零件型號庫，帶有零件的封裝庫，原理圖仿真完成后，可以直接傳輸?shù)絬ltiboard 軟件，在Ultisim14 中完成設(shè)計PCB 板。啟動multisim14后開始放置第一個電阻時，在原理圖上放置的電阻就沒有封裝，我們將沒有印跡（封裝），改成相應的零件的封裝，這樣的原理圖在傳送到PCB 制板軟件ultiboard14 時，封裝信息就能出現(xiàn)在ultiboard14 中PCB 編輯器中，就能制作繪制PCB 板。

（6）Multisim14中找到不到元件可以手工導入。在Multisim14中找到不到9012/9013/8050/8550 三極管，而9012/9013/8050/8550這兩對三極管是我們在日常電路中使用比較多的三極管，我們可以手工導入，以提高軟件的性能。

（7）Multisim14 提供了Multisim 3D 面包板虛擬環(huán)境。可以讓學生完成面包板實物模型搭接。在文件/設(shè)計中新建一個項目，新建一個NI ELVIS II 文件之后，完成原理圖的連接。搭接完之后，點擊查看面包板按鈕，就會出現(xiàn)面包板及電路中的實物模型，鼠標拖動導線搭接電路。關(guān)閉面包板按鈕，可以返回到電路原理圖當中去，觀察電路是否變綠，如果連線變綠說明電路連接正確，否則變紅。也可以采用分析法，點擊DRC 連通性檢查按鈕，來判斷電路有無故障。圖中所有的電路發(fā)綠，表示電路連接正確。

（8）可以對數(shù)字電路中的基本邏輯運算進行化簡。“電子技術(shù)基礎(chǔ)”中的數(shù)字電路、邏輯函數(shù)的化簡比較煩瑣，利用Muliitisim14.0 不但容易化簡變量數(shù)小于4 的邏輯函數(shù)，而且化簡大于4 個變量的多變量邏輯函數(shù)也很簡單，且給出的最終化簡結(jié)果即為最簡形式。

2 應用舉例

2.1 三相交流電路的仿真

圖1

（1）啟動Multisim14 軟件，軟件啟動后，需要將電氣元件的符號設(shè)置為ANSI Y32.2 標準，漢化過的版本為美國ANSI標準。

（2）繪制原理圖。所需要的器件有：220V、50HZ 的三相電源、2 只交流電壓表、4 只交流電流表、6 只220V 理想白熾燈、6 只單刀開關(guān)，按圖1 搭接電路。

（3）運行仿真開關(guān)。可以看到三相負載白熾燈亮起，同時電流表有讀數(shù)顯示。當開關(guān)全部合上時三相負載相等，3 個電流表讀數(shù)相等。I1=I2=I3=0.091A=91mA，第4 只電流表表讀數(shù)為Io ＝0.029mA。線電壓為UL=380.864V，相電壓UP=220V。

（4）忽略誤差，I1=I2=I3=0.091A=91mA，Io ＝0.029mA≈0；線電壓UL=380.864V≈380V，相電壓UP=220V。結(jié)論：當負載對稱作Y 形聯(lián)接有中線時，線電壓UL是相電壓UP的 3倍，即UL= 3UP；線電流IL等于相電流IP，IL=Ip。負載對稱時由于中線電流為0，可省去中線。

（5）改變6個開關(guān)的狀態(tài)，可以使三相負載星形（Y）不對稱。

（6）對于負載的三角形（△）聯(lián)接本篇不再詳述。

2.2 積分電路

（1）啟動Multisim 14 軟件，軟件啟動后，需要將電氣元件的類型設(shè)置IEC60617，漢化過的版本為德國DIN 標準。

圖2

（2）繪制電路圖。所需器件有：用信號發(fā)生器提供5V、1KHZ 的方波、10K的電阻、1uF 的電容、虛擬示波器，按圖2搭接電路。

（3）運行仿真開關(guān)，打開示波器可以看到紅綠波形，在此基礎(chǔ)上設(shè)置示波器參數(shù)為：掃描時間為500 s/Div，A通道伏度選擇1V/Div，B 通道伏度選擇50mV/Div。

（4）結(jié)論：積分電路當輸入信號為方波時，電阻上輸出電壓為三角波。

3 尚存在的問題

（1）教師在虛擬仿真教學中失去了教學活動的主體地位，在管理學生的學習過程出現(xiàn)對學生的監(jiān)督管理難度加大，教學活動的由軟件展開造成教師的主導性減弱。

（2）由于用虛擬仿真代替了傳統(tǒng)實驗，降低了學生的動手實踐能力。如果缺乏教師的管理和指導，很可能不能完全達到理論和實踐教學目標。

Multisim14 虛擬仿真進入電專業(yè)課堂，通過實驗將電路的原理簡單化，極大地提高了學生學習的積極性。它不但可以對電路進行仿真，而且還可以制作印制電路板，功能很強大。目前已經(jīng)列入了電子電路裝調(diào)與應用省級競賽之中，學生可在今后學習中慢慢體會。