Multisim在電子線路系列實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用

劉智芳　田磊　丁鵬飛　張琦

[摘 要]電子線路類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要平臺(tái)。在電類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程中按照課程的開(kāi)設(shè)順序及難度由淺入深的引入Multisim軟件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容不同，制定出仿真軟件不同的角色和使用方法。將仿真軟件貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程體系的學(xué)習(xí)過(guò)程，讓學(xué)生對(duì)電子線路系列實(shí)驗(yàn)課程融會(huì)貫通，形成體系，這在實(shí)際中取得了良好的效果。

[關(guān)鍵詞]電類(lèi)實(shí)驗(yàn)課；Multisim；虛擬實(shí)驗(yàn)室

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）06-0015-03

電子線路系列實(shí)驗(yàn)課程是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐類(lèi)課程，是培養(yǎng)電子工程師的重要基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要途徑之一。當(dāng)前，在電子線路系列實(shí)踐課程的教學(xué)中存在的主要問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)課時(shí)短、涉及內(nèi)容多、課程跨度長(zhǎng)，這導(dǎo)致學(xué)生反映課程難學(xué)，不能將所有課程連成一個(gè)體系，理論聯(lián)系實(shí)際能力差，實(shí)驗(yàn)過(guò)后印象不深。針對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，西安郵電大學(xué)在電子線路系列實(shí)驗(yàn)課程中引人Multisim仿真軟件，按照課程體系的由易到難，由簡(jiǎn)單到綜合，利用仿真軟件進(jìn)行不同難度，逐級(jí)深入的配套虛擬實(shí)驗(yàn)。這樣Multisim就能貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過(guò)程，使原先孤立的實(shí)驗(yàn)課程形成一個(gè)體系，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)課程體系融會(huì)貫通。

一、Multisim的主要功能和特點(diǎn)

Multisim仿真軟件是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）推出的以Windows為基礎(chǔ)的電路仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它可以實(shí)現(xiàn)原理圖的繪制、電路分析、電路仿真以及虛擬儀器測(cè)試等應(yīng)用。Multisim的電路設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)界面友好、直觀、操作方便，并且包含眾多的元器件和標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器。利用Multisim可以很簡(jiǎn)單地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真；Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣無(wú)需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。

通過(guò)Multisim，學(xué)生能很方便地創(chuàng)建一個(gè)自己的虛擬實(shí)驗(yàn)室，無(wú)論在課內(nèi)還是課外，都能進(jìn)行自己感興趣的實(shí)驗(yàn)，并且由于軟件仿真的直觀性，學(xué)生能更容易地搭建電路和調(diào)試電路。

二、電子線路系列實(shí)驗(yàn)的課程體系研究及仿真軟件的使用

西安郵電大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)部承擔(dān)全校的電類(lèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)課，包括電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、模擬電路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)、高頻電路實(shí)驗(yàn)、開(kāi)放式電子電路實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容和難度，我們將實(shí)驗(yàn)課程分成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同的課程，將仿真軟件的角色具體化，并且由淺到深，由易到難，根據(jù)課程性質(zhì)，安排不同的配套Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)課程。實(shí)驗(yàn)課程性質(zhì)分類(lèi)及仿真軟件的使用方法如圖1所示。

（一）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中一般會(huì)給出實(shí)驗(yàn)電路圖，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)儀器的操作，一些電路參數(shù)測(cè)試以及對(duì)基本定理的驗(yàn)證等。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要包括電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和模擬電路實(shí)驗(yàn)。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生是多數(shù)是第一次接觸實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)元器件和實(shí)驗(yàn)儀器，通過(guò)教師的講解他們并不能切實(shí)掌握全部實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)。所以，在實(shí)際操作過(guò)程中，他們比較容易犯錯(cuò)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)主要集中在學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器不熟練，在電路搭建方面容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的注意事項(xiàng)太多，容易顧此失彼。由于Multisim具有良好的操作界面，在搭建電路時(shí)所見(jiàn)即所得，學(xué)生基本上不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，并且Multisim上的虛擬儀器和實(shí)際儀器的使用相似，而界面更加直觀好用，非常適合初學(xué)者對(duì)一些電路基本參數(shù)的測(cè)試和一些概念的理解。所以針對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)階段就利用Multisim軟件對(duì)先對(duì)電路進(jìn)行仿真和進(jìn)行理論值的計(jì)算。通過(guò)這樣的過(guò)程，學(xué)生對(duì)實(shí)際儀器的使用和操作更容易理解和掌握，另外在理論值的指導(dǎo)下，學(xué)生在實(shí)際測(cè)量中也更容易發(fā)現(xiàn)在電路搭建中出現(xiàn)的問(wèn)題，這能提高學(xué)生的電路故障排除能力。

（二）簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，教師一般是給出邏輯功能或者狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖后，讓學(xué)生利用分立元器件在實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。在進(jìn)行數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生一般都已經(jīng)完成了電路實(shí)驗(yàn)和模電實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單電路有一定的分析和故障查找能力，但是對(duì)復(fù)雜電路會(huì)缺少頭緒或者耐心不足。而在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間緊，連線很多，如果電路出現(xiàn)故障，學(xué)生在調(diào)試時(shí)往往速度會(huì)非常慢，或者無(wú)從下手，不知道如何調(diào)試，只能一遍一遍地重新搭建電路，這樣就導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容經(jīng)常完成不了，效果不好。針對(duì)此問(wèn)題，在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段提前使用Mulitsim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行仿真，在仿真階段確保電路原理上正確。此外，在實(shí)際調(diào)試中，學(xué)生根據(jù)仿真結(jié)果的中間信號(hào)的狀態(tài)，可以很好地定位出電路的故障，進(jìn)行相應(yīng)的整改。

（三）綜合性實(shí)驗(yàn)

在高頻實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生一般在實(shí)驗(yàn)板或者實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行操作。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生能根據(jù)步驟一步一步地進(jìn)行測(cè)試得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而一旦實(shí)驗(yàn)板出現(xiàn)故障，學(xué)生就束手無(wú)策，或者是會(huì)測(cè)試出一堆完全錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣學(xué)生對(duì)電路的分析和理解效果有限，得不到實(shí)驗(yàn)應(yīng)該有的效果。針對(duì)這種現(xiàn)象，我們把高頻實(shí)驗(yàn)板或?qū)嶒?yàn)箱的一些重點(diǎn)電路取出來(lái)，只給學(xué)生一些電路結(jié)構(gòu)和部分元件參數(shù)，而這些重點(diǎn)部位電路要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前先在Multisim上進(jìn)行仿真，借助仿真軟件的高度靈活性，對(duì)電路正常工作時(shí)參數(shù)的取值范圍有認(rèn)識(shí)。這樣的過(guò)程，能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路的分析和理解能力。

（四）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

開(kāi)放式電子電路實(shí)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生根據(jù)給定的指標(biāo)要求來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，這時(shí)候Multisim的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能就可以為學(xué)生提供一個(gè)很好的設(shè)計(jì)平臺(tái)。學(xué)生根據(jù)指標(biāo)對(duì)電路進(jìn)行分析，給出初步的電路圖，然后利用Multisim仿真工具進(jìn)行仿真測(cè)試，如果設(shè)計(jì)的電路圖達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則對(duì)電路進(jìn)行反復(fù)修改，直至電路能夠達(dá)到實(shí)際的指標(biāo)要求。最后將仿真得到的電路在實(shí)際的電路板上實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行測(cè)試，其具體的實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

三、使用Multisim的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

開(kāi)放式電子電路實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)為放大器的設(shè)計(jì)，其具體要求是采用分立元器件設(shè)計(jì)個(gè)放大電路。其基本要求為：信源內(nèi)阻為200kΩ；輸入信號(hào)頻率范圍為20Hz

四、結(jié)語(yǔ)

西安郵電大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)部在電子線路系列實(shí)踐課程中引入EDA設(shè)計(jì)工具M(jìn)ultisim軟件，根據(jù)課程的內(nèi)容和性質(zhì)，按照驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，綜合性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)課順序，由簡(jiǎn)入深的深化仿真軟件的使用，隨著課程的逐漸深入，學(xué)生對(duì)仿真軟件的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越熟練，對(duì)電路的理解和分析能力也會(huì)逐漸增強(qiáng)。通過(guò)這一系列實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力也會(huì)得到提高。

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[特約編輯：張 雷]