基于Multisim模電新型實驗教學的探索

黃倩?蘆莉

摘要：介紹了Multisim仿真軟件的基本功能和特點，通過教學實例論述了把Multisim仿真軟件引入教學和實踐的方法。結果表明在模擬電子技術實驗教學中引入Multisim仿真軟件，對培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維能力，改善教學手段，豐富教學內容，提高教學效率，起著極其重要的作用。

關鍵詞：Multisim；模擬電子技術；實驗教學

中圖分類號：TN710.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0184-02

模擬電子技術課程是研究各種半導體器件的性能、電路及其應用的學科。課程的任務是使學生獲得電子技術的基本理論、基本知識和基本分析方法。培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力和初步具備電子線路的設計、應用能力。該課程是電氣信息類各專業(yè)的技術基礎課程，是一門理論性與應用性都很強的課程。課程教學環(huán)節(jié)包括：理論課教學和實驗教學。實驗教學的目的是使學生掌握常用電工儀器、儀表及設備的使用，學生通過將儀器測量的實驗的結果與Multisim仿真結果對比，分析異同，加深理解、充實、提高理論知識。

Multisim仿真很好地解決模擬電子技術理論教學與實際動手實驗相脫節(jié)的這一困難問題。學生可以方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現出來，極大地提高了學生的學習熱情和積極性，真正的做到了變被動學習為主動學習。但由于Multisim是一款軟件模擬，不能真實地反應硬件，有時仿真結果即便正確，可實際操作時卻會遇到問題，且單純的依賴仿真軟件，無法提高學生對各種測量儀器的操作技能。因此，Multisim只限作為硬件入門、項目前期選型和仿真分析，筆者建議在模擬電子技術的實驗教學中采用虛擬電子實驗仿真和傳統(tǒng)實際動手操作相結合的教學方式，即要求學生先對要做的實驗進行仿真練習，了解實驗的仿真結果，然后進實驗室做相應的實驗，最后將仿真的實驗數據和實測的電路數據進行比較，通過查找電子電路故障，分析數據誤差的原因，提高學生的動手實踐能力和解決問題的能力。在課程實訓里，學生在制作實際電路的時候，也可先用這些軟件進行仿真，通過不斷的調試電路的元器件的參數，得到理想的實驗數據，再合理改進電路板的安裝與制作，避免了重復制作電路板和購買元器件，將虛擬抽象的電路轉變成看得見摸得著的電路。一旦學生制作電路板的成功次數多了，將會進一步增強他們學習的興趣，提高他們的動手能力和創(chuàng)新能力。

一、Multisim仿真軟件的介紹

Multisim有一個完整的集成化設計環(huán)境，具有直觀的圖形界面，龐大的元器件庫，強大的仿真能力和分析功能，完善的虛擬儀器功能，從而成為各類學校電工、電子實驗教學的首選工具軟件。

Multisim10.0是EWB的升級，是目前推出的一款高版本的電路設計與仿真軟件。它具有以下一些特點：

（1）直觀的圖形界面創(chuàng)建電路。在計算機屏幕上模仿真實實驗室的工作臺，繪制電路圖時需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取。

（2）軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結果。

（3）軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種強大的電路分析方法。

（4）作為設計工具，它可以同其它流行的電路分析、設計和制板軟件交換數據。

二、Multisim仿真軟件在模電實驗教學的輔助應用

針對模擬電子技術實驗課程的特點及現狀，結合Multisim仿真軟件的功能特點，在模電實驗教學過程中，把Multisim軟件仿真技術引入實驗教學中進行輔助，對改善實驗課程教學現狀起到積極的作用。

1.課案實例

以分析共射極單管放大器靜態(tài)工作點的實驗為例，說明Multisim仿真軟件在實驗教學的輔助作用。共射極單管放大器的實驗電路模塊和仿真電路圖如圖1所示，Vi幅度為10mV，頻率為1 kHz的正弦波信號，開關K1、K2閉合，K3打開，RW可調電位器取值為5OKΩ。

（1）共射極單管放大器電路的靜態(tài)工作點的仿真測量。

應用Multisim10仿真軟件測量靜態(tài)工作點。

設置信號源輸出為0 V，打開仿真開關，分別讀出萬用表“XMMl”，“XMM2”和“XMM3”的電壓值，如表1所示，仿真數字萬用表的測量結果如圖2所示。

實驗模塊的靜態(tài)工作點的測量

先用數字萬用表判斷圖2中三極管Q1的是否正常，然后依據所給的電路圖接線。由于直流工作點的分析是在電路電感短路、電容開路的前提下，因此只需將圖2電路對應的直流通路接好即可，輸入信號可不做處理。實驗模塊實際的測量結果如表2所示。

將仿真數據和實測結果比較

共發(fā)射極放大電路屬于音頻放大電路，或者叫做低頻放大電路，這種電路的頻率特性是對于50Hz-20000Hz之間的頻率信號有正常的放大作用。在這個頻帶以外的頻率不能正常放大。低頻電路通常布線簡單，電路穩(wěn)定，所以仿真的實驗數據和實測的電路數據僅存在較小的誤差，主要原因之一：由于萬用表內阻的存在，有時會使得實驗結果出現一定的誤差；原因二：硅管UBE的導通電壓為0.5V—0.7V，鍺管的導通壓降0.2-0.3V，不同的導通壓降的值也會導致實驗結果出現誤差。

（2）共射極單管放大器電路靜態(tài)工作點設置對輸出波形的影響。

轉移特性曲線的仿真。建立如圖3（1）所示的仿真電路，將電流表I1的起始值設置為0A，終止值為1A，增加的電流值為0.5A；將電壓表V1的起始值設置為0V，終止值為12V，增加的電壓值為0.1V。IB和VCE的轉移特性曲線如圖3（2）所示。仿真后，結果表明，當負載電阻為3 kΩ時，輸出特性曲線作交流負載線 ，估算出Q點的位置。當輸入信號較大時，Q點取的過高，容易產生飽和失真，反之，產生截止失真。

調試實際電路模塊尋求最佳靜態(tài)工作點：第一步，初調靜態(tài)工作點時，應在斷開輸出端，空載下進行。首先，調節(jié)上偏電阻Rw使得VC=9V左右，然后由信號發(fā)生器在輸入端加入幅度為10mV，頻率為1 kHz的正弦波信號，慢慢增加輸入信號的幅度，用示波器觀察輸出波形VO，會出現單邊失真。單邊失真分兩種，即截止失真和飽和失真，如圖4（1）和圖4（2）所示，可調節(jié)Rw使之消除。截止失真時示波器的波形會出現底部削平的波形，原因通常都是，靜態(tài)工作點設置的太低，需要調節(jié)三極管基極增大下拉電阻的阻值，或降低上拉電阻的阻值；飽和失真時示波器的波形會出現頂部削平的波形，原因通常都是，靜態(tài)工作點設置的太高，需要調節(jié)三極管基極降低下拉電阻的阻值，或增大上拉電阻的阻值。第二步，再加大Vi，若還出現比較明顯的單邊失真，繼續(xù)調節(jié)Rw消除之。反復調節(jié)，直至加大Vi出現的輸出波形是雙向對稱失真，如圖4（3）所示。此時，減小Vi，使輸出得到最大不失真波形。第三步，關閉低頻輸入信號，測量靜態(tài)工作點，即為最佳靜點。

（1）單邊失真（截止失真）

（2）單邊失真—飽和失真

（3）雙向對稱失真

圖4 失真波形

分析仿真結果和實測結果。仿真和實測均能很好反映靜態(tài)工作點對輸出波形的影響，即靜態(tài)工作點過高，則輸出的波形飽和失真；靜態(tài)工作點過低，則輸出的波形截止失真。最佳靜點的確定，仿真與實測值會存在一定的誤差，其原因主要是由于溫漂引起。

2.Multisim仿真技術應用于模擬電子技術實驗教學的優(yōu)勢

（1）在不增加實驗總學時的前提下，可實現Multisim仿真技術與模電實驗教學的有機結合，讓學生先做仿真實驗，觀察“實驗結果”，然后帶著問題做實驗，加深學生對知識點的理解。

（2）Multisim提供了兩種電路的分析方法：一種是虛擬的儀器儀表測量，另一種是仿真電路的分析工具。仿真軟件的使用可以提前讓學生熟知實驗需用的儀器儀表及測量的理論結果，從而提高實驗的成功率。

（3）在設計性實驗中，學生采用仿真技術可設計不同的方案，使設計更靈活，從而提高學生的應用設計能力和創(chuàng)新能力。

（4）按照“理論教學——軟件仿真——實驗環(huán)節(jié)”的教學模式，可以改善學生將理論知識轉化為實際動手實驗的能力，通過虛擬的儀器儀表將實驗的理論結果再現，使學生在做實驗時能有的放矢。

（5）Multisim拓展了實驗教學內容的廣度和深度，豐富了實驗教學的方法。

三、結束語

模擬電子技術的實驗教學中引入Multisim仿真，可以使得整個實驗的目的性更強，通過仿真、實驗驗證和結果比較三環(huán)節(jié)，能有效地培養(yǎng)學生觀察分析、計劃組織和問題解決的能力。Multisim仿真軟件的運用，不僅提高了實驗課的上課效果，也為實驗的教學改革提供了便利。Multisim仿真可以供學生做電路設計、實驗驗證，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、個性和獨創(chuàng)能力；傳統(tǒng)硬件實驗中接觸的各種測量儀器、設備可讓學生學會其操作和使用方法，提高學生的操作技能，以全面提高學生素質。因此，實驗教學與Multisim仿真的有效結合，是對模電實驗教新型有益的探索。

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（責任編輯：劉翠枝）