Multisim在電工教學中的應用

孫干林

[摘要] 本文在介紹Multisim9基本功能的基礎上,結合電工電子教學實踐,進行大膽的嘗試,通過一些典型的實例,提出仿真方法和并給出仿真結果,達到了直觀教學,一定程度上替代實驗實習教學,以達到幫助學生理解原理,提高分析能力的目的。

[關鍵詞] EDA仿真 Mulitisim 電工電子教學

本人從事電工電子教學十數年,深知電工電子理論對于學生的困難,所以在教學中,力求把能開的實驗、能上的實習課均盡量開設,雖然因陋就簡,或者只是蜻蜓點水,但學生興致很高,取得了較好的效果。可是學生往往只是滿足于好奇心,并不能弄清個中道理。因而直觀的實驗并不能完全替代理論教學,那么能否兼顧基礎理論和直觀性呢?筆者選擇了仿真的手段,從早期的Electricity WorkBench到后來的Multisim2001,直到現在的Multisim 9,都進行了適時的了解與應用,下面就一些典型的電工電子問題舉例說明。

一、Multisim 9的快速入手

啟動Multisim9后,首先要繪制出一個電路,建立電路主要用到兩個工具欄:元件和儀器,那么我們就要認識這兩個工具欄。如果沒有這兩個工具欄,可以在菜單欄中的“視圖”“工具欄”的下拉菜單中勾選“元件”和“儀器”即可。

1.元件工具欄

元件工具欄主要讓我們放置一些常用的電路元器件,各圖標的含義是:電源元件、模擬元件、基礎元件、三極管、二極管、TTL集成電路、CMOS集成電路、機電類元件、指示器和三種雜項元件、射頻元件等。其中我們常用到的是電源元件和基礎元件,基礎元件中包括電阻、電容和電感等。

2.儀器工具欄

儀器工具欄主要用于放置各種虛擬儀器,這些儀器分別是萬用表、失真分析儀、功率表、示波器、信號發(fā)生器、頻率計、四蹤示波器、安捷倫信號發(fā)生器、波特圖示儀、字發(fā)生器、邏輯轉換器、IV分析儀、邏輯分析儀、安捷倫萬用表、網絡分析儀、安捷倫示波器、測量探針、頻譜分析儀、泰克示波器等。

3.繪制簡單電路

我們以最簡單的串聯電路為例,先單擊元件工具欄中的電源元件圖標,將彈出選擇元件的對話框,在“系列”中選擇“POWER_SOURCE”(電源),在“元件”中選擇“DC_POWER”(直流電源),再單擊“確定”,然后在電路窗口的適當位置單擊,就向Multisim仿真軟件中引入了一個直流電源,雙擊它的圖標,可以在“參數”中改變其電壓(Voltage)大小,或者在“標簽”改變它的名稱,在這里我們沒作任何改動,就用它的默認值。接下來再添加兩個電阻:單擊元件工具欄中的基礎元件圖標,同樣也彈出選擇元件的對話框,在“系列”中選擇“RESISTOR”(電阻),在“元件”中分別選擇“20Ω”和“30Ω”,放入電路窗口,為美觀一點,單擊電阻的圖標,可在菜單“編輯”的下拉菜單中選擇“90°順時針方向”將它們豎直放置。

Multisim仿真中必須要有接地點以便于仿真分析中計算各節(jié)點電位,所以一定要向電路中引入一個接地端,方法和引入電源的基本相同,只是在“元件”中選擇“DGND”(數字地)或“GROUND”即可,如果沒有引入接地端就會出現“電路沒有接地,仿真需要至少一條地線”的錯誤提示。

為能觀察仿真的結果,還必須添加一些測量儀表,這里我們添加兩個萬用表分別用來測量電路中的電流和R₁兩端的電壓,添加的方法是在儀器工具欄中選擇萬用表的圖標單擊,然后在電路窗口適當位置單擊便放置了該萬用表,雙擊萬用表的圖標,會出現該萬用表的面板,使萬用表XMM1工作于直流(—)電流(A)的測量方式,萬用表XMM2工作于直流(—)電壓(V)的測量方式(這是默認的工作方式)。

最后將電路元件和測量儀器連接起來,連接它們只要單擊其引腳,然后移動鼠標到欲連接的另一引腳并單擊即可,很是方便,連好的電路后,打開仿真開關,或按快捷鍵“F5”便開始運行仿真程序,兩表測量出電路中電流為240mA、R₁的電壓為4.8V,這個結論我們很容易用《電工基礎》的知識來驗證。

二、基本定理定律的驗證

電路原理中有很多定理、定律,這些基本定理、定律的掌握和應用對學生學習電路原理有著莫大的幫助,下面我們通過Multisim9來驗證其中的一些定理、定律。下面以疊加原理為例加以說明。

疊加原理是分析線性電路的一個重要規(guī)律,它是指多個電源組成的線性電路,各支路電流(或各元件電壓)等于各電源單獨作用時產生的相應電流(或電壓)的代數和。

如圖所示電路,兩個電壓源V₁、V₂和電阻R₁、R₂、R₃構成復雜電路,兩個開關J₁和J₂用于控制這兩個電壓源是否起作用,首先按A鍵使電壓源V₁起作用,而V₂則不接入電路用導線替代,相當于電壓源V₁單獨作用,如(a)圖所示,此時測得電流表示數為0.300A,同樣使電壓源V₂單獨作用,如(b)圖所示,測得電流表示數為0.450A,然后再讓兩個電壓源均起作用,如(c)圖所示,測得電流表示數為0.750A。顯然0.750A=0.300A+0.450A,故驗證了疊加定理。

Multisim9仿真軟件的功能非常強大,不僅有大量的元器件庫、逼真的虛擬儀器,甚至還具有一些3D效果的元件(筆者使用的是漢化了的Multisim9教育版),仿真分析方法也比較全面,既可在電子教學中充分展示其“才能”,也可以在EDA中“大顯身手”。但仿真軟件也不是萬能的,它只是作為一種輔助手段為我們的教學或設計服務,我們應該將仿真與實踐相結合,努力培養(yǎng)出符合社會需要的應用型人才。

參考文獻:

[1]周凱.EWB虛擬電子實驗室—Multisim7&Ultiboard7;電子電路設計與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.6.

[2]趙世強,許杰,荊炳禮,王興亮,王瑜.電子電路EDA技術 [M].西安:西安電子科技術大學出版社,2000.7.

[3]楊欣,王玉鳳,劉湘黔.電路設計與仿真—基于Multisim8與Protel2004[M].北京:清華大學出版社,2006.4.