Multisim在電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

張輝

（重慶移通學(xué)院，重慶合川，401520）

0 引言

目前，在疫情影響下我校電子信息類專業(yè)在“電子技術(shù)課程設(shè)計”環(huán)節(jié)中存在如下問題：

(1)采用線上教學(xué)方式的班級學(xué)生無法在實(shí)驗室動手實(shí)際操作，課程無法深入教學(xué)。

(2)由于之前課程理論知識遺忘或不扎實(shí)，導(dǎo)致實(shí)際操作過程中大量芯片燒壞，操作不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致儀器儀表損壞且存在一定的潛在危險。

(3)由于學(xué)校安排的實(shí)驗課上，實(shí)驗儀器數(shù)量有限，往往是分組完成實(shí)驗操作，讓每個學(xué)生獨(dú)立操作不現(xiàn)實(shí)，學(xué)生無法切身體會實(shí)驗過程，就會出現(xiàn)部分學(xué)生不動手不思考的現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果低下，達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果。

針對以上問題，如果在線上或線下課程設(shè)計的環(huán)節(jié)中引入電路仿真軟件，借助計算機(jī)的力量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程線上教學(xué)，學(xué)生不管在家還是在學(xué)校都能夠進(jìn)行課程的學(xué)習(xí)，這樣不僅解決了因疫情等原因?qū)е碌木€上教學(xué)難的問題，而且提高了電路設(shè)計與測試的效率，減少了相關(guān)器件的損耗，保證了學(xué)生實(shí)驗的安全性，有利于提升學(xué)生的主動學(xué)習(xí)性和全員動手操作能力。

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。該軟件有豐富的元件庫和完善的虛擬儀器儀表，選擇器件窗口方便，元器件參數(shù)更改方便，對電路圖的修飾容易上手，仿真過程和讀取數(shù)據(jù)簡單，適用于零基礎(chǔ)的學(xué)生學(xué)習(xí)和使用，更能夠從側(cè)面讓學(xué)生理解元器件的使用功能及使用方法。

本文以波形發(fā)生器的設(shè)計為例，結(jié)合目前線上線下學(xué)生學(xué)習(xí)情況和老師教學(xué)的困境，以及Multisim仿真軟件強(qiáng)大的功能，下面將詳細(xì)闡述Multisim在“電子技術(shù)課程設(shè)計”中的應(yīng)用。

1 Multisim在電子技術(shù)課程設(shè)計中的應(yīng)用

電子技術(shù)課程設(shè)計包括電路設(shè)計、電路仿真與測試、硬件電路搭建與調(diào)試、撰寫設(shè)計報告等環(huán)節(jié)[2-3]。

3.選舉投票時設(shè)有獨(dú)立寫票和秘密投票間。這不僅是一種人文關(guān)懷，也是憲法和法律賦予公民的一項基本權(quán)利。在基層民主選舉中，由于物質(zhì)條件，更是由于觀念的滯后，在經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)很難做到這一點(diǎn)。因此，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，合理設(shè)置現(xiàn)代化、人性化的選舉場地，亦是我們在細(xì)節(jié)上需要不斷提升的。

(1)電路設(shè)計：課程開始會提供3-5個電子技術(shù)相關(guān)實(shí)驗題目，學(xué)生可根據(jù)設(shè)計要求與實(shí)驗室條件，首先通過查閱資料自行設(shè)計總體方案，然后對單元電路進(jìn)行設(shè)計，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，選擇合適的器件，最后畫出整體電路原理圖。

(2)電路仿真與測試：利用Multisim仿真軟件對所設(shè)計的電路進(jìn)行搭建并仿真，通過Multisim提供的虛擬儀器進(jìn)行測試與調(diào)試，不斷修改電路元器件參數(shù)和線路，最終達(dá)到仿真零錯誤且出現(xiàn)正確實(shí)驗結(jié)果。這個環(huán)節(jié)對應(yīng)著傳統(tǒng)電子設(shè)計的電路搭建和性能測試。由于不需要真實(shí)電路環(huán)境的介入，因此效率高，可線上線下同時進(jìn)行，結(jié)果快捷、準(zhǔn)確、安全。

(3)硬件電路搭建與調(diào)試：根據(jù)仿真測試電路圖，選擇合適元器件進(jìn)行實(shí)物安裝。此環(huán)節(jié)可鍛煉學(xué)生動手能力和理解能力。

(4)撰寫設(shè)計報告：將前面幾個環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容以文字和圖表的形式展現(xiàn)出來，可作為學(xué)生課程期末成績。該環(huán)節(jié)鍛煉了學(xué)生知識轉(zhuǎn)化和寫作的能力。

2 基于Multisim的波形發(fā)生器設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

波形發(fā)生器是一種信號發(fā)生器，在一些硬件調(diào)試中常常用到。利用555數(shù)字芯片可設(shè)計多種波形發(fā)生器，如方波、三角波和正弦波的輸出。它的制作成本不高，電路簡單，使用方便，實(shí)現(xiàn)方式也多種多樣，結(jié)果可通過示波器顯示，對學(xué)生實(shí)驗室完成十分合適，所以設(shè)計波形發(fā)生器有重要的實(shí)際意義和課程價值。結(jié)合電子技術(shù)課程設(shè)計課程可以實(shí)現(xiàn)多種形式的波形發(fā)生器，本文所要完成的電路設(shè)計在我校要求如下：

(1)借助電子技術(shù)實(shí)驗箱，用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計制作產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的波形發(fā)生器。

(2)要求輸出波形工作頻率范圍為100Hz~1kHz且連續(xù)可調(diào)。

(3)要求方波幅值±1V。

(4)要求三角波幅值±0.3V。

(5)要求正弦波幅值±0.1V。

根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求可知，本設(shè)計主要由以下三部分組成：直流穩(wěn)壓電源部分，脈沖產(chǎn)生部分，波形產(chǎn)生部分。

2.2 電路設(shè)計及仿真

2.2.1 直流穩(wěn)壓電源部分設(shè)計與仿真

直流穩(wěn)壓電源[4]往往是我們電子技術(shù)課程設(shè)計的所需電源，所以我們必須掌握直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計過程。大致過程如下：首先是變壓，電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離，如果交流電源電壓過高，則第一步要利用變壓器將高壓交流電變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姡紤]到?jīng)]有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗的學(xué)生自身安全，且實(shí)驗室有低壓交流電源，所以本文仿真電路跳過第一步變壓過程；其次是整流，利用二極管的單向?qū)щ娦越M成整流電路，可將交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動電壓，本文采用目前最常用的橋式整流電路，在交流輸入電壓分別在正半周和負(fù)半周內(nèi)，其中兩個二極管導(dǎo)通，兩個截止，使得整流電路的負(fù)載上都有方向不變的脈動直流電壓和電流；然后是濾波，整流電路輸出的直流電中依然存在部分交流電，實(shí)驗室通過示波器可觀察到波形為紋波，要獲得較理想的直流電壓，就需要用有儲能作用的電抗元件組成濾波電路來濾除波形中的脈動成分，本文采用的是電容構(gòu)成的低通濾波器，利用電容充電放電特點(diǎn)，根據(jù)時間常數(shù)τ=RC，結(jié)合具體電路和示波器便可得到脈動很小的輸出波形；最后是穩(wěn)壓，由于經(jīng)過濾波電路后的直流電壓不穩(wěn)定且大部分電子裝置都需要有穩(wěn)定的直流電流源供電，所以本文使用廣泛可調(diào)節(jié)三端正電壓穩(wěn)壓器LM317，把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本文設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源電路在Multisim中的仿真電路如圖1所示，13V交流電壓源供電，經(jīng)橋式整流電路D1整流后，可通過示波器按圖中所示連接測試輸出波形，如圖2中下面波形所示；含脈動很大的直流電壓經(jīng)電容C1和C2與后面負(fù)載共同構(gòu)成的濾波電路，可再次通過虛擬儀表示波器測試輸出波形，如圖2中上面波形所示；最后通過LM317按圖1所示電路構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，調(diào)節(jié)可變電阻R3保證輸出電壓為5V，其中C3和C4起到再次濾波的作用。仿真結(jié)果顯示，13V交流電源最終變換為穩(wěn)定的直流5V電源，達(dá)到預(yù)期要求。

圖1 直流穩(wěn)壓電源仿真電路

圖2 整流和濾波后波形圖

2.2.2 脈沖產(chǎn)生與波形產(chǎn)生電路設(shè)計與仿真

555時基電路的應(yīng)用十分廣泛，本文利用555定時器構(gòu)成間接反饋型多諧振蕩器，并與RC積分電路來分別實(shí)現(xiàn)方波、三角波和正弦波的輸出。利用Multisim實(shí)現(xiàn)仿真電路及結(jié)果測試，如圖3和圖4所示，圖3顯示該電路核心器件為555數(shù)字芯片，加上外圍電路構(gòu)成間接反饋型多諧振蕩器，可輸出近似方波，輸出端再由RC積分電路對方波變形，可輸出三角波和正弦波。其中多諧振蕩器經(jīng)R2、R3、滑動變阻器R7和電容C2進(jìn)行充電，C2為定時電容；而放電時只經(jīng)R3和滑動變阻器R7，選用電阻時要求R2和(R3+R7)均應(yīng)大于或等于1kΩ，且R2+(R3+R7)應(yīng)小于或等于3.3MΩ，確保電路穩(wěn)定性。兩個暫穩(wěn)態(tài)時間不相等，T2= 0.69R0C2，其中R0=R3+R7， 振蕩周期T=T1+T2，振蕩頻率f=1/T。結(jié)合上述計算公式，可計算出振蕩器輸出頻率為100Hz左右，調(diào)節(jié)滑動變阻器R7可改變振蕩器的頻率，即方波的工作頻率連續(xù)可調(diào)。方波信號由四通道示波器XSC1通道A輸出顯示，如圖4中下面波形所示；R4和C4構(gòu)成積分電路，方波信號過后輸出三角波，由通道B輸出顯示，如圖4中間波形所示；三角波再經(jīng)R5和C6構(gòu)成的積分電路，輸出近似的正弦波，由通道D輸出顯示，如圖4中上面波形所示。上述仿真結(jié)果可以看出，此電路實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生了正常的脈沖信號和多種波形的產(chǎn)生，達(dá)到實(shí)驗設(shè)計的預(yù)期要求。

圖3 各種波形發(fā)生器的仿真電路

圖4 各種波形發(fā)生器的仿真結(jié)果

可以看出，實(shí)驗室搭建電路線路復(fù)雜且器件容易出現(xiàn)選錯、損壞等問題，仿真軟件Multisim設(shè)計、搭建電路自由，電路清晰，出現(xiàn)問題排查方便，應(yīng)用于電子技術(shù)課程設(shè)計課堂有重要意義。

3 結(jié)語

經(jīng)過在我校2018級和2019級電子類專業(yè)學(xué)生線上和線下教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，設(shè)計波形發(fā)生器過程中，將電路設(shè)計、搭建和調(diào)試以虛擬仿真軟件Multisim呈現(xiàn)出來，仿真作為學(xué)生自主性、創(chuàng)造性思維的虛擬實(shí)驗平臺，它打破了時間和空間的限制，學(xué)生可以在不同的時間、地點(diǎn)和領(lǐng)域自主進(jìn)行實(shí)驗，間接解決了因疫情在家上實(shí)驗課的困難。也可以看出在電子技術(shù)課程教學(xué)中，適當(dāng)引入Multisim電路仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，將抽象的理論較為形象地顯示出來，不僅保證教學(xué)質(zhì)量，避免器材耗費(fèi)，還提高了教學(xué)效果和課堂知識獲取的效率，提升了學(xué)生的邏輯思維和操作能力。