EDA技術在電工電子教學中的應用

陳歡

（無錫科技職業學院，江蘇無錫，214000）

0 引言

《電工電子技術》是電類專業的一門專業基礎課，包括電路基礎、模擬電路基礎、數字電路基礎三部分內容，本課程主要讓學生比較系統地掌握電工電子理論知識，培養學生分析電路、使用常規電器件與儀器的能力，為今后的工作實踐打下必要的基礎。本課程將理論與實踐相結合，使學生在規定的時間內既掌握電工電子技術的理論知識，又學會常用儀器儀表的使用。

電路基礎、模擬電路、數字電路三大內容集中在一門課程，課時壓縮后僅有64個課時，內容多課時少。在教學過程中，為了讓學生更好地掌握理論知識，會加入相關的實驗，為了觀察實驗結果，我們會用到各種實驗儀器，如萬用表、示波器、穩壓電源等，對于實驗儀器的使用，又需要花費一定的課時去講解示范，使用EDA技術進行實驗會更加簡單、方便、快捷、直觀，從而提高教學的效率。同時，仿真軟件更有利于提高學生的學習能力、探索能力、解決問題的能力，并且能彌補實驗設備的不足。

因此，我們在本課程中引入了EDA軟件。常用的EDA軟件有很多，根據課程性質和內容，我們選擇了Mulitisim軟件。

1 Multisim軟件簡介

Multisim軟件是美國NI公司推出的電子電路仿真設計軟件，具有操作界面友好、分析數據準確、易學易用、靈活簡便等特點，因此，在教學、科研和工程設計等領域得到廣泛地應用。

Multisim軟件提供了數字萬用表、示波器、信號發生器、邏輯分析儀等虛擬儀器。軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數鋸、波形和特性曲線等如同在真實儀器上看到的一樣。

2 Multisim在電工電子教學中的應用

Multisim軟件應用于教學，可以替代電工電子課程中的傳統儀器儀表，使得實驗更加地靈活多樣，電子電路的仿真更加地高效。當需要改變電路連接、調整器件參數、更換器件時，操作十分方便，學生可以很直觀地觀察到實驗結果。同時，Multisim軟件能夠給學生提供使用多種儀器儀表的機會，發揮學生的主觀能動性，提高學生的學習興趣，增強學生的動手能力和創新能力。

2.1 電路基礎實驗

疊加定理是電路基礎中的一個重要定理。疊加定理指出，在線性電路中，當有多個電壓電源作用時，任一支路電流或電壓，可看作由各個電源單獨作用時在該支路中產生的電流或電壓的代數和。疊加定理電路如圖1所示，此處以支路電流為例。

圖1 疊加定理電路

電路中，I1、I2、I3分別表示流過電阻 R1、R2、R3的電流。通過理論計算得到：

當15V電源單獨作用時，

當12V電源單獨作用時，

利用疊加定理，兩個電源共同作用時，

利用Multisim軟件對電路圖進行仿真，如圖2、圖3、圖4所示，與理論計算結果一致，驗證了疊加定律的正確性。

圖2 15V電源單獨作用時的電路

圖3 12V電源單獨作用時的電路

圖4 兩個電源共同作用時的電路

2.2 模擬電路實驗

放大電路是模擬電路中的重要模塊，分壓式偏置放大電路是一個比較典型的共射極放大電路。放大電路正常工作，需要設置合適的靜態工作點，如果靜態工作點設置不當，放大電路就容易產生非線性失真。若靜態工作點設置太高，會產生飽和失真（又叫底部失真）；若靜態工作點設置太低，會產生截止失真（又叫頂部失真）。

在如圖5電路中，調節電位器R1的觸頭，改變R1的阻值，會改變三極管的靜態工作點，從而影響放大電路的輸出波形。

圖5 分壓式偏置放大電路原理圖

當電位器R1阻值設置到60kΩ時，UBE≈0.64V，UCE≈4.88V，滿足放大條件。在三極管的輸入端加上一個交流小信號，設置示波器參數，可以得到波形如圖6所示，此時該放大電路具有放大特性。

圖6 放大特性

當電位器R1阻值設置到20kΩ時，UBE≈0.66V，UCE=0.11V，三極管處于飽和狀態?？梢缘玫讲ㄐ稳鐖D7所示，此時波形飽和失真。

圖7 飽和失真

當電位器R1阻值設置到160kΩ時，UBE=0.61V，UCE=9.73V，三極管處于截止狀態?？梢缘玫讲ㄐ稳鐖D8所示，此時波形截止失真。

圖8 截止失真

在本實驗中，只要調整電位器的大小就可以改變靜態工作點，從而觀察非線性失真的情況，理解消除波形失真的方法。

2.3 數字電路實驗

在數字電路中，得到N進制計數器比較簡便的方法是將集成計數器適當改接成任意進制計數器。主要有兩種方法：置數法和清零法。

部分學生難以理解置數法和清零法的區別，在這里使用一片74LS161分別用這兩種方法搭建成十進制計數器，計數脈沖由函數信號發生器XFG產生，輸出結果通過數碼管顯示。利用軟件仿真能夠更加直觀地表現出兩種方法的異同點。

用置數法將74LS161構成十進制計數器，從0（0000）開始計數，當計數至9（1001）時，與非門輸出低電平，將置數端LOAD置0，如圖9所示。

圖9 用置數法將74LS160構成十進制計數器

用清零法將74LS161構成十進制計數器，從0（0000）開始計數，當計數至10（1010）時，與非門輸出低電平，將清零端CLR清0，如圖10所示。

圖10 用清零法將74LS160構成十進制計數器

通過兩種方法的對比，可以看出，利用集成計數器構成N進制計數器，置數法用第N個狀態產生置零信號；清零法用第N+1個狀態產生清零信號。

3 結束語

Multisim軟件操作簡便，使得抽象乏味的實驗變得生動形象，提高了學生的學習興趣，深化了學生對理論知識的理解，增強了學生的實踐動手能力，降低了實驗成本，改善了教學效果，有效地提高了電工電子實驗的教學質量。