Multisim仿真軟件在電路教學(xué)中的應(yīng)用

孫志偉

（天津財(cái)經(jīng)大學(xué) 天津 300000）

Multisim仿真軟件在電路教學(xué)中的應(yīng)用

孫志偉

（天津財(cái)經(jīng)大學(xué) 天津 300000）

電路是一門比較抽象的理論型課程，傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難讓學(xué)生直觀的理解，在教學(xué)中必須加入相關(guān)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)踐，有效的掌握原理和提高學(xué)生的動(dòng)手能力。但是，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法存在很多弊端。本文通過分析電路課程的教學(xué)現(xiàn)狀，找出問題所在，最后將Multisim仿真軟件應(yīng)用在電路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中來解決現(xiàn)實(shí)問題。

Multisim仿真軟件 電路 模型

電路是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，該課程專業(yè)性強(qiáng)，教師講授和學(xué)生學(xué)習(xí)理解起來都存在一定的難度，特別是配合教學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境較差和學(xué)生基礎(chǔ)較差的學(xué)校這門課程的進(jìn)行更加有難度。因此，迫切需要一種教學(xué)輔助手段來解決這個(gè)難題，Multisim仿真軟件為電路課程的教學(xué)帶來革新，是有效提高電路課程教學(xué)質(zhì)量的途徑。

一、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

電路是一門比較抽象的理論型課程，學(xué)習(xí)電路理論時(shí)關(guān)鍵是要理論聯(lián)系實(shí)際，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是重中之重。學(xué)生可根據(jù)對(duì)理論的理解，根據(jù)教學(xué)的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證所學(xué)的電路原理。但是在傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中暴露了很多不足之處，由于受傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)固有缺陷的限制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往是不盡如人意的。

電路課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生最先接觸到的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生往往是不熟悉電路連接，以及沒有掌握好焊接技術(shù)，這樣在連接電路時(shí)非常容易就出現(xiàn)錯(cuò)誤，這樣一旦出現(xiàn)電路連接錯(cuò)誤，就會(huì)很容易造成電子元器件及測(cè)試儀器的損壞；學(xué)生在不熟悉測(cè)試儀器操作的情況下也及其容易造成儀器的損壞；由于實(shí)驗(yàn)的元器件離散性大，環(huán)境變化引起的溫漂、干擾等因素會(huì)造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有偏差，不理想；傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)是以實(shí)物為主的，實(shí)驗(yàn)設(shè)備容易磨損老化，需要定期更新；隨著教學(xué)要求的提高和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電路課程的教學(xué)大綱也需要不斷的更新，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)備也要配套更新，這就給教學(xué)經(jīng)費(fèi)帶來了很大的壓力。以上種種都是傳統(tǒng)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足之處，因此我們迫切需要教學(xué)改革來消除這些弊端，提高電路課程的教學(xué)質(zhì)量。

二、使用Multisim仿真軟件輔助教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

1.內(nèi)容直觀，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性和創(chuàng)造性

將multisim仿真軟件引入教學(xué)，有利于開闊學(xué)生的視野，增加學(xué)生知識(shí)面，促進(jìn)學(xué)生更好的學(xué)習(xí)本專業(yè)的各種實(shí)驗(yàn)儀器。使用Multisim仿真軟件輔助教學(xué)，把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)終端來實(shí)現(xiàn)，將靜止的理論教學(xué)變成動(dòng)態(tài)的、可視的教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手操作的能力，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如：使用Multisim可交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路行為進(jìn)行仿真。通過Multisim和虛擬器技術(shù)，學(xué)生可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真，再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。另外，學(xué)生根據(jù)自己學(xué)過的電路原理和元件的基本性能，可以任意搭建電路，基本可以做到只要能想到，就能做到的思想境界，不但提高了創(chuàng)新的效率，更重要的是提高了學(xué)生學(xué)以致用的能力。

2.安全、準(zhǔn)確、省時(shí)、省費(fèi)用

使用Multisim仿真軟件輔助教學(xué)，可以避免因?yàn)殡娐愤B接失誤、儀器故障等因素帶來的安全問題。仿真實(shí)驗(yàn)沒有干擾信號(hào)，比真實(shí)的實(shí)驗(yàn)更能反映實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，更加準(zhǔn)確、真實(shí)、形象。通常在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，我們都是在印刷電路板上完成元器件的連接與插拔，這樣不但費(fèi)時(shí)而且反復(fù)的元器件、導(dǎo)線的連接與插拔必然導(dǎo)致電路板或元器件的易損。而使用使用Multisim仿真軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)可以任意更換元器件、更改參數(shù)也不會(huì)出現(xiàn)任何損失，這樣就省去了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的日常維護(hù)費(fèi)用。

3.Multisim仿真軟件的特點(diǎn)

（1）界面直觀、操作方便

Multisim將原理圖的創(chuàng)建、電路的測(cè)試分析和結(jié)果的圖表顯示等,全部集成到同一個(gè)電路窗口中,整個(gè)操作界面就像一個(gè)電路實(shí)驗(yàn)工作臺(tái),繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上,點(diǎn)擊鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來,軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似,測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣,便于實(shí)驗(yàn)操作。

（2）具有一個(gè)龐大的元器件庫(kù)

在MultisimDatabase元件庫(kù)中存放有包括電源類、基本元件類、數(shù)字元件類及模擬元件類等14個(gè)庫(kù)的16000多種虛擬元件模型,可基本滿足一般電路的實(shí)驗(yàn)仿真要求。

（3）強(qiáng)大的虛擬儀器功能

Multisim的虛擬測(cè)試儀器儀表種類齊全,有一般實(shí)驗(yàn)室具有的通用儀器,如萬用表、信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、直流電源;還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒有的儀器,如波特圖示儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真度測(cè)量?jī)x、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等各種虛擬儀器

（4）強(qiáng)大的分析功能

Multisim提供了14種電路仿真分析方法,如直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、噪聲分析、失真分析、直流掃描分析、參數(shù)掃描分析、零極點(diǎn)分析、傳遞函數(shù)分析、溫度掃描分析、后處理分析等。適用于各種基本電路的分析設(shè)計(jì)。

三、Multisim仿真軟件在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用舉例

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：二極管單向?qū)щ娦缘难菔九c驗(yàn)證

打開Multisim 10設(shè)計(jì)環(huán)境。選擇：文件-新建-原理圖（實(shí)驗(yàn)電路圖如圖1所示），即彈出一個(gè)新的電路圖編輯窗口，工程欄同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)新的名稱。單擊“保存”，將該文件命名，保存到指定文件夾下。這里我們用到了一個(gè)新的虛擬儀器：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，顧名思義，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一個(gè)可以發(fā)生各種信號(hào)的儀器。它的信號(hào)是根據(jù)函數(shù)值來變化的，它可以產(chǎn)生幅值、頻率、占空比都可調(diào)的波形，可以是正弦波、三角波、方波等。這里我們利用函數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生電路的輸入信號(hào)。仿真前應(yīng)設(shè)置好函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的幅值，頻率、占空比、偏移量以及波形型式。示波器的兩個(gè)通道一路用來檢測(cè)信號(hào)發(fā)生器波形，另一路用來監(jiān)視信號(hào)經(jīng)過二極管后的波形變化情況。

圖1 實(shí)驗(yàn)電路圖與仿真波形圖

電路連接完畢，檢查無誤后，就可以進(jìn)行仿真了。點(diǎn)擊仿真欄中的綠色開始按鈕，電路進(jìn)入仿真狀態(tài)，雙擊示波器查看示波器兩個(gè)通道的波形。如圖1所示，可以看到，在信號(hào)經(jīng)過二極管前，是完整的正弦波，經(jīng)過二極管后，正弦波的負(fù)半周消失了。這樣就證明了二極管的單向?qū)щ娦?。我們可以試著把信?hào)發(fā)生器的波形改為三角波、矩形波，然后再觀察輸出效果?？梢缘贸鐾瑯拥慕Y(jié)論：二極管正向偏置時(shí)，電流通過，反向偏置時(shí)，電流截至。

接下來我們嘗試在實(shí)驗(yàn)電路中將二極管反過來安裝，然后觀察仿真效果。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，二極管反向安裝后，其輸出波形與正向安裝時(shí)的波形剛好相反。通過Multisim軟件來完成二極管單向?qū)щ娦缘难菔九c驗(yàn)證我們可以直觀、精確的得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的對(duì)比，而且省時(shí)省力。

四、使用電路仿真軟件存在的問題

電路仿真軟件使用十分方便，效果顯示非常直觀，很有趣味性，為教師提供了一條實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方便之路，為學(xué)生提供了一個(gè)廣闊的活動(dòng)舞臺(tái)，對(duì)開展素質(zhì)教育大有益處。誠(chéng)然，仿真軟件功能非常強(qiáng)大，它可以取代《電路》的部分實(shí)驗(yàn)課程，且已成為課堂教學(xué)的一種輔助形式，但它畢竟是一個(gè)模擬系統(tǒng)，不能完全代替電子實(shí)習(xí)訓(xùn)練，在使用過程中存在一些問題：首先，仿真實(shí)驗(yàn)并不能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)，諸如元件的插接工藝、焊點(diǎn)的質(zhì)量、電烙鐵的使用等方面的技能在電路仿真軟件中無法學(xué)習(xí)，必須通過反復(fù)實(shí)踐訓(xùn)練。一味追求仿真，只能走入一個(gè)新的誤區(qū)。其次，不是所有實(shí)驗(yàn)都能使用電路仿真軟件，如電流表、電壓表等儀器的使用。原因是電路仿真軟件中的儀表都是數(shù)字式的，能直接顯示讀數(shù)，有些實(shí)驗(yàn)如果用電路仿真軟件教學(xué)，學(xué)生就無法掌握儀表的接線和讀數(shù)方法，對(duì)教學(xué)產(chǎn)生一定的影響。

五、結(jié)論

在電路課程的教學(xué)過程中使用Multisim建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可以方便地搭建各種電路,以及對(duì)電路進(jìn)行仿真與測(cè)試。它具有投資小、維護(hù)簡(jiǎn)單、現(xiàn)象直觀、結(jié)果精確、圖像精彩等特點(diǎn)。這種新的實(shí)驗(yàn)方式是電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種很好的輔助手段,并且為學(xué)生進(jìn)行綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。為實(shí)踐教學(xué)的改革找到了有效的途徑。在不斷更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,改進(jìn)電路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量以及改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果等方面起著非常重要的作用。

[1]白菊蓉.Multisim在電路分析系列課程教改中的應(yīng)用[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào),2011年S1期.

[2]黃荷英.基于Multisim電子仿真軟件的電路設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012年16期.

[3]陳俊英.基于Multisim的“自動(dòng)控制原理”課程仿真實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2012年03期.

[4]程勇.實(shí)例講解Muhisim 10電路仿真［M］.人民郵電出版社,2010.

本文系天津財(cái)經(jīng)大學(xué)2013年校級(jí)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目 “虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究-以《電路》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為例”的研究成果。

本文系天津財(cái)經(jīng)大學(xué)2013年校級(jí)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目"虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究-以《電路》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為例"的研究成果。