NI Multisim 10在電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

羅廷芳，南 江，李 偉

（西南林業(yè)大學(xué) 機械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

電工電子技術(shù)是非電類工科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強的應(yīng)用性和實踐性，隨著現(xiàn)代社會對工科人才的需求，這門課程的重要性毋庸置疑。電工電子技術(shù)的課程內(nèi)容是由《電路》、《模擬電子技術(shù)》和 《數(shù)字電子技術(shù)》3門課程綜合而成，涉及內(nèi)容多，綜合面廣。學(xué)生通過這門課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)基本掌握電路分析、電子技術(shù)及電氣控制的基本理論和基本技能。

結(jié)合電子電路仿真軟件實現(xiàn)仿真實驗教學(xué)已作為一種新的教學(xué)手段得到了廣泛的應(yīng)用。利用Multisim仿真軟件搭建虛擬實驗平臺，使學(xué)生可隨時隨地學(xué)習(xí)各種仿真實驗，元器件的參數(shù)修改方便，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的同時擴大自己的知識面，鞏固和加深對相關(guān)知識的理解。因此，采用Multisim或其它仿真軟件進行虛擬實驗教學(xué)已成為各高校實驗教學(xué)的重要組成部分，也是解決實驗室資源短缺和遠程教育難等問題的重要途徑[1]。將虛擬實驗室運用到電工與電子技術(shù)實驗教學(xué)中，將會給實驗教學(xué)帶來新的活力。

1 Multisim 10在電工電子技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用的必要性

1.1 NI Multisim 10簡介

NI Multisim 10是美國國家儀器公司（NI，National Instruments）最新推出的Multisim版本，是該公司電子線路仿真軟件EWB（Electronics Workbench，虛擬電子工作臺）的升級版。其元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元器件庫。具有較為詳細的電路分析功能，可完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域分析和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法。它可以設(shè)計、測試和演示各種電子電路；可實現(xiàn)計算機仿真設(shè)計與虛擬實驗。

1.2 必要性分析

傳統(tǒng)的電工電子技術(shù)實驗教學(xué)方法都是采用實物實驗，即采用具體的儀表和設(shè)備來進行實驗，這種實驗方法在幫助學(xué)生理解和掌握基本理論知識和基本技能方面發(fā)揮了不可替代的作用，同時通過實驗也可以進一步培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。但是，首先，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，按目前我校電工電子技術(shù)實驗室的條件，要給學(xué)生開設(shè)一些設(shè)計型和綜合型擴展實驗還存在一定的困難[1-2]；其次，電工與電子技術(shù)實驗室的設(shè)備均屬于消耗品，每做完一批實驗，總有一些器件設(shè)備損壞，特別是電流表等易損壞，使實驗室的硬件條件在一定程度上滿足不了教學(xué)的要求，這樣無疑對培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力帶來了很大的影響，很難滿足現(xiàn)代工業(yè)社會對高層次專業(yè)技術(shù)人才的需求。

而對于實驗教學(xué)，一般包含4部分：操作性實驗、驗證性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗[3]。其中操作性實驗和驗證性實驗是最基礎(chǔ)的兩部分，是屬于必修型實驗內(nèi)容，需要所有同學(xué)都掌握，主要內(nèi)容是使學(xué)生學(xué)會基本的操作儀表，做一些簡單的測量，并通過實驗驗證，加深對所學(xué)知識的理解與掌握。設(shè)計性實驗和綜合性實驗則對學(xué)生的能力有一定的要求。首先設(shè)計類實驗是考察學(xué)生對所學(xué)知識的掌握程度，同時也培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力；其次綜合性實驗是對學(xué)生綜合能力的考察與鍛煉，最后兩種實驗內(nèi)容是選做型，需要根據(jù)學(xué)生的能力與學(xué)習(xí)要求作靈活調(diào)整。

這4種實驗類型對于實驗教學(xué)來講都是非常重要的，但由于實驗學(xué)時、實驗硬件條件等的限制，使得某些基礎(chǔ)驗證型實驗無法開展，更不用說設(shè)計型實驗和綜合型實驗，這就需要結(jié)合Multisim仿真軟件構(gòu)建電工電子技術(shù)虛擬實驗平臺，結(jié)合有限的教學(xué)資源，創(chuàng)造良好的教學(xué)環(huán)境。

利用NI Multisim 10可以實現(xiàn)計算機仿真設(shè)計與虛擬實驗，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計與實驗方法相比，具有如下特點：設(shè)計與實驗可同步進行，可以邊設(shè)計邊實驗；修改調(diào)試方便；設(shè)計和實驗用的元器件及測試儀表齊全，可以完在成各種類型的電路設(shè)計實驗；可方便地對電路參數(shù)進行測試和分析；可直接打印輸出實驗數(shù)據(jù)、測試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實驗中不消耗實際的元器件，實驗所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，實驗成本低，實驗速度快，效率高；設(shè)計和實驗成功的電路可以直接在產(chǎn)品中使用[4]。

2 NI Multisim 10在電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用實例

2.1 模擬電路中的仿真分析應(yīng)用

如圖1所示，是一個一階有源低通濾波器，是由一級RC低通濾波電路加一個電壓跟隨器構(gòu)成，單擊波特圖儀XBP1，還可以看到該有源低通濾波電路的幅頻和相頻特性曲線，如圖2所示。

2.2 數(shù)字電路中的仿真分析應(yīng)用

圖1 一階有源低通濾波電路仿真原理圖Fig.1 Schematic diagram of first-order active low-pass filter circuit

圖2 一階有源低通濾波電路仿真波形圖Fig.2 Simulation waveforms of first-order active low-pass filter circuit

如圖3所示，利用2片二進制加法計算數(shù)器74LS160采用同步級聯(lián)方式實現(xiàn)88進制加法計數(shù)器，可利用DCD_HEX數(shù)碼管直接觀察到對應(yīng)的10進制字數(shù)，按圖連接方式，左邊的數(shù)碼管顯示的是低位，右邊的數(shù)碼管顯示的是高位，非常直觀的顯示出計數(shù)結(jié)果，驗證設(shè)計結(jié)果的正確性。同時，仍可用示波器或邏輯分析儀觀察其輸出波形，采用4通道示波器分別觀察低4位和高4位的輸出波形，如圖4所示。

2.3 NI Multisim 10在課程設(shè)計中的應(yīng)用

利用Multisim設(shè)計一個彩燈花樣變換電路，如圖5所示，利用一片555構(gòu)成基準時鐘電路，一片二進制同步加計數(shù)器74LS161構(gòu)成計時電路，一片雙D觸發(fā)器74LS74實現(xiàn)移位寄存器功能，一片74LS153實現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇功能，一片8位移位寄存器，圖中為了演示出設(shè)計的效果，分別用X1～X8代替實際電路燈，作電路仿真演示。

圖6所示為該彩燈變換的花樣，從（a）到（e），其花樣分別為8個彩燈全亮、全滅、一亮一滅、二亮二滅、四亮四滅順序變換。

3 結(jié) 論

圖3 用74LS160構(gòu)成88進制加計數(shù)電路Fig.3 88 decimal plus counting circuit used 74LS160 chip

圖4 88進制加計數(shù)電路輸出波形圖Fig.4 Simulation waveforms of 88 decimal plus counting circuit

圖5 彩燈變換電路仿真原理圖Fig.5 Simulation schematic diagram of lights transform circuit

圖6 彩燈變換效果圖Fig.6 Diagram of lights change effect

NI Multisim 10仿真軟件簡單易學(xué)，便于開展電子電路仿真分析，并且彌補了傳統(tǒng)教學(xué)實驗對實驗地點、設(shè)備、時間等的限制，可根據(jù)學(xué)生的需要自主學(xué)習(xí)、設(shè)計、分析電路，有利于調(diào)動學(xué)生的積極性。利用NI Multisim 10搭建電工電子技術(shù)教學(xué)的虛擬實驗平臺，能進一步完善現(xiàn)有的實驗教學(xué)體系，不僅可以節(jié)約在實驗教學(xué)方面的投入，更重要的是提供一種全新的教學(xué)方式，提高本系列課程的教學(xué)質(zhì)量，促進其教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的進一步深化，大幅提高學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)空間。

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