Multisim在電工與電子技術(shù)創(chuàng)新性實驗中的應(yīng)用

李海港+張勇+王香婷

[摘 要]針對電工與電子技術(shù)創(chuàng)新性實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，學(xué)院將美國NI公司的Multisim仿真軟件引入創(chuàng)新性實驗教學(xué)中，并提出了基于Multisim的創(chuàng)新性實驗教學(xué)方法。經(jīng)過實踐證明，該方法不僅有助于學(xué)生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)，同時降低了創(chuàng)新性實驗中器件損耗及設(shè)備的故障率。

[關(guān)鍵詞]Multisim軟件；電工與電子技術(shù)；開放式設(shè)計性實驗

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）11-0069-03

電工與電子技術(shù)實驗課程是電工與電子技術(shù)課程的重要組成部分，其中創(chuàng)新性的綜合設(shè)計實驗對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維、增強(qiáng)學(xué)生思考和動手能力等有很大幫助。[1]但是我們在開展創(chuàng)新性實驗教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)其還存在諸多問題，如學(xué)生在設(shè)計過程中往往容易造成器件、設(shè)備的損壞，設(shè)備故障率很高，給創(chuàng)新性實驗室的管理帶來了新的挑戰(zhàn)。[2][3]針對這種現(xiàn)狀，為了提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效果，探索新的教學(xué)方法與手段，我們采取了多種措施。Multisim12軟件是美國國家儀器NI公司推出的一款功能強(qiáng)大且具有創(chuàng)新內(nèi)涵的虛擬仿真軟件，它能解決在傳統(tǒng)創(chuàng)新性實驗教學(xué)過程中存在的諸多問題[4][5]：1.可以減少電子元器件的損耗、降低電子設(shè)備的投入；2.可以大大提高學(xué)生設(shè)計實驗電路及驗證的效率；3.可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的技能，以及獨立思考的能力。

一、Multisim仿真軟件概況

Multisim軟件是美國國家儀器（NI）公司的一款功能十分強(qiáng)大的仿真軟件，該軟件具有多種輸入方式，例如原理圖、硬件描述語言等。輸入方式比較靈活，同時仿真功能十分豐富。

它是一個電工與電子技術(shù)設(shè)計虛擬電子工作平臺。Multisim軟件中的虛擬儀器功能強(qiáng)大，它能模擬各種真實的儀器；能夠?qū)Ω鞣N類型的電路例如模擬電路、數(shù)字電路及模數(shù)混合電路進(jìn)行各種的功能仿真；具有極其友好的交互圖形界面；能夠在個人計算機(jī)上構(gòu)建一個能夠模擬真實實驗室的平臺環(huán)境，滿足各種需求的電路方案可行性的仿真驗證。

Multisim仿真軟件提供了豐富的電路元器件庫以及種類齊全的電子設(shè)備。[6]該款軟件集合了三種國際知名的電子測量儀器供應(yīng)商安捷倫公司的相關(guān)儀器，軟件集成的精度達(dá)到6位半安捷倫數(shù)字萬用表。其還集成了帶寬可達(dá)到100MHZ的高性能安捷倫示波器。這些虛擬儀器，在Multisim軟件中呈現(xiàn)出來的面板、調(diào)節(jié)旋鈕、人機(jī)界面等和真實的安捷倫公司的同類同型號的實際電子測量儀器完全一樣，操作方式也完全相同。模擬真實儀器效果十分逼真。[7][8]

二、基于Multisim仿真實驗研究方法

根據(jù)電類實驗的特點及需求，本文從三個方面闡述Multisim軟件在電類實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用。

（一）基礎(chǔ)驗證型實驗

按照“理論教學(xué)—計算機(jī)仿真—實驗環(huán)節(jié)”的教學(xué)方式，學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)講義給出的實驗任務(wù)和要求，先在Multisim軟件環(huán)境中對實驗電路進(jìn)行仿真及測試，然后再在實際的實驗平臺上搭建相同的實際電路進(jìn)行調(diào)試并觀察實驗的真實結(jié)果，最后將虛擬仿真實驗的結(jié)果與硬件實驗的結(jié)果進(jìn)行對比分析。該種實驗形式可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)這一難題。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論指示用計算機(jī)仿真再現(xiàn)出來，并且可以采用不同的電路分析方式對電路進(jìn)行多種測試，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，真正做到了變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，明顯提高了實驗效率。

（二）提高型實驗

指導(dǎo)教師在規(guī)定的典型實驗中可以設(shè)置一些隱含故障（如各種元器件引線的短路、開路和漏電等），要求學(xué)生根據(jù)電路原理和實驗現(xiàn)象來判斷故障所在并加以排除。這類實驗在原有的實驗平臺上很難實現(xiàn)，必須采用專門的儀器設(shè)備，現(xiàn)在采用Multisim軟件模擬就能很容易做到。它可幫助學(xué)生深入理解電路原理，并能有效地培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。同時，掌握應(yīng)用Multisim軟件對電子電路進(jìn)行故障分析診斷，將會給學(xué)生在分析診斷比較復(fù)雜的電路故障及資料不全的電氣故障時帶來極大的方便。隨著仿真技術(shù)應(yīng)用的逐步推廣，它將會很快成為對電子電路進(jìn)行故障分析診斷的一種重要手段和有效方法。

（三）創(chuàng)新性、設(shè)計型實驗

實驗前可由指導(dǎo)教師提出設(shè)計題目，也可以由學(xué)生根據(jù)自己的興趣自擬題目；實驗時學(xué)生自行設(shè)計原理圖并進(jìn)行仿真實驗，最后輸出各參數(shù)的分析報告。該方法最適合在開放性實驗室和學(xué)生的綜合課程設(shè)計中使用，它能有效地培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新性思維和電子線路的開發(fā)能力。Multisim軟件對學(xué)生欲進(jìn)行的設(shè)計內(nèi)容沒有任何限制，不需要進(jìn)行任何實驗設(shè)備和元器件的準(zhǔn)備工作，學(xué)生只要有靈感、有創(chuàng)新精神就可以自行設(shè)計各種電路，并能及時地通過實驗來驗證自己的設(shè)計是否正確、合理，是否能達(dá)到設(shè)計目的，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)他們的科技創(chuàng)新欲望，較好地培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高技能人才。

之前的開放式設(shè)計型實驗教學(xué)過程中，開放式設(shè)計型實驗的一般流程是：1.構(gòu)思一個創(chuàng)新性實驗，繪制相關(guān)的電路原理圖，采購所需元器件，在萬能板上搭建和焊接電路。2.調(diào)試電路，驗證電路的相關(guān)性能，在此過程中需要反復(fù)修改并調(diào)試電路，直至滿足全部性能指標(biāo)。

本文所提的創(chuàng)新性實驗教學(xué)過程，通過引入Multi？鄄sim仿真軟件，就能夠開發(fā)出滿足不同層次的創(chuàng)新性設(shè)計和綜合型實驗，滿足不同專業(yè)、不同層次學(xué)生的培養(yǎng)需求。[6]基于Multisim仿真軟件的創(chuàng)新性實驗教學(xué)方法如框圖1所示，學(xué)生根據(jù)相關(guān)的題目，自行思考、提出創(chuàng)新性實驗設(shè)計方案并先進(jìn)行實驗原理電路設(shè)計，在仿真軟件中搭建一個虛擬的電路仿真模型，不斷地設(shè)計、調(diào)試、修改逐步完善實驗原理圖的設(shè)計，直到達(dá)到相關(guān)設(shè)計需求。endprint

通過引入Multisim仿真軟件的新型創(chuàng)新性實驗的教學(xué)方法和設(shè)計過程我們能夠看到，仿真軟件在新型創(chuàng)新性實驗設(shè)計過程中展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。在創(chuàng)新性實驗設(shè)計過程中，學(xué)生在實驗過程中對設(shè)計的電路可以很快修改電路參數(shù)，及時更換電路元件，并且能夠及時看到仿真結(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。這比傳統(tǒng)方法大大提高了設(shè)計效率，還充分調(diào)動了學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。

仿真軟件提供了各種元器件，極大地方便了學(xué)生的創(chuàng)新性設(shè)計。因為在傳統(tǒng)的教學(xué)中，實驗室配備的器件種類是有限的，而學(xué)生的創(chuàng)新性實驗內(nèi)容是開放的，可能會造成學(xué)生找不到所需器件的問題。另外，軟件提供了各種豐富的儀器，例如波特圖儀，同時提供了強(qiáng)大的分析功能，比如噪聲分析、失真度分析，這些分析儀器可加深學(xué)生對電路的理解。

對于高電壓、大電流等有一定危險性的創(chuàng)新性實驗，通過仿真軟件設(shè)計實驗原理圖，理論驗證正確后，再構(gòu)建實際創(chuàng)新性實驗，能夠有效保障實驗過程中學(xué)生的生命安全，增加安全系數(shù)。

三、Multisim軟件在“電工與電子技術(shù)”創(chuàng)新性實驗中的應(yīng)用

多功能的函數(shù)信號發(fā)生器是電類實驗教學(xué)過程中經(jīng)常使用到的電子儀器。在創(chuàng)新性實驗開展過程中，我們以簡易的波形信號發(fā)生器為題，訓(xùn)練學(xué)生自己構(gòu)建一個簡易的信號發(fā)生器。信號發(fā)生器是一個相對比較復(fù)雜的純硬件電路設(shè)計，如果直接讓學(xué)生用實際電路搭建，學(xué)生往往會因為各種因素造成很多電路故障，不利于學(xué)生創(chuàng)造性的發(fā)揮。將Multisim軟件引入創(chuàng)新性實驗教學(xué)過程后，可以非常方便地構(gòu)建及調(diào)試驗證。

如下圖2所示，創(chuàng)建一個簡易的波形信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等三種波形。通過圖中的虛擬四通道的示波器觀測這三種波形，為了更好地區(qū)分這三種波形，虛擬示波器的三個輸入端分別以紅色、粉色、綠色的導(dǎo)線予以區(qū)分。

電路搭建正確后，按下啟動仿真按鈕，得到仿真曲線圖3，從圖3可以非常方便地看到整個仿真的效果。可以在圖2中修改相關(guān)的電路參數(shù)，觀察圖3中波形的變化情況，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。

四、結(jié)束語

本文針對高校電工與電子技術(shù)創(chuàng)新性實驗開展的實際需求，和傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法不能適用于創(chuàng)新性實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，通過使用Multisim軟件設(shè)計了創(chuàng)新性實驗教學(xué)流程。創(chuàng)新性實驗教學(xué)的開展，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維，同時降低了實驗室硬件資源的損壞率，使教學(xué)過程生動直觀，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 何鶯，黃元君.電工電子課程項目教學(xué)中實施過程性評價方法探討[J].大學(xué)教育，2014（18）：165-167.

[2] 劉旭明，杭阿芳.應(yīng)用型本科院?！峨姽る娮泳C合實踐》課程教學(xué)改革與實踐[J].大學(xué)教育，2012（12）：91-92.

[3] 李娟娟.Multisim在“模擬電子技術(shù)”項目教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2014（2）：46-48.

[4] 韓淑華，侯學(xué)元.霍林方激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力——高校電工電子課程體系的實踐與探索[J].大學(xué)教育，2013（20）：51-52.

[5] 付揚(yáng).Multisim仿真在電工電子實驗中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2011（4）：17-20.

[6] 杜宇上，徐小明.“層次化”電工電子實驗教學(xué)的改進(jìn)——以《LED數(shù)碼管驅(qū)動顯示》為例[J].大學(xué)教育，2016（4）：93-94.

[7] 謝斌盛.Multisim在電類實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2009（6）：213-215.

[8] 羅映祥.基于Multisim9的智能搶答器的設(shè)計與仿真[J].仿真技術(shù)，2010（2）：68-72.

[9] 石嘉順.基于Multisim環(huán)境下的電路設(shè)計與仿真[J].計算機(jī)仿真，2007（3）：52-55.

[10] 李文秀.Multisim在電工電子技術(shù)式樣教學(xué)中的應(yīng)用[J].青海大學(xué)學(xué)報，2010（6）：92-96.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]endprint