Multisim仿真在電子實(shí)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用

饒珺

摘要：在電子實(shí)習(xí)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim有助于學(xué)生更透徹地理解理論知識(shí)。根據(jù)疊加定理仿真教學(xué)中的課堂反饋，提出在電壓電流的基礎(chǔ)上增加功率計(jì)算。依照疊加定理的仿真驗(yàn)證過程，進(jìn)而提出學(xué)生自主完成戴維南定理仿真驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)要求。學(xué)生需選取合適的元器件并完成電路設(shè)計(jì)，通過Multisim平臺(tái)搭建電路，將仿真結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行比對(duì)，使戴維南定理得以驗(yàn)證。經(jīng)過教學(xué)試講，引入Multisim取得了較理想的教學(xué)效果，由此證明Multisim仿真軟件在電子實(shí)習(xí)教學(xué)中的可行性。

關(guān)鍵詞：電子實(shí)習(xí); Multisim仿真;實(shí)踐教學(xué);疊加定理;戴維南定理

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）31-0182-03

Application of Multisim Simulation in Electronic Practice Teaching

RAO Jun

（Shanghai University National Training Experimental Teaching Center for Engineering Training， Shanghai 200444， China）

Abstract： Introduce computer simulation software Multisim into electronic practice can help subtends get a deeper understanding of theoretical knowledge. According to the feedback in Superposition theorem simulation course， power calculation is added besides voltage and current. Then according to Superposition theorem simulation， the students are asked to simulate Thevenin theorem independently. The students need to select appropriate components and design the circuit， and compare the measured results with the theoretical values in Multisim， so Tthevenin theorem is verified. After teaching trial， the introduction of Multisim simulation has achieved an ideal teaching effect. Therefore， Multisim introduction is viable in Electronic Practice Teaching.

Key words： electronic practice; Multisim simulation; educational practice; Superposition theorem; Thevenin theorem

1 引言

電子實(shí)習(xí)是電子類專業(yè)一門重要的實(shí)踐教學(xué)課程[1]，主要以學(xué)生動(dòng)手為主，培養(yǎng)學(xué)生掌握一定的電子操作、設(shè)計(jì)創(chuàng)新技能及工藝知識(shí)。電子實(shí)習(xí)是電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、印制電路板、焊接、安裝、調(diào)試、結(jié)果分析到最終成品驗(yàn)收的一個(gè)系統(tǒng)過程。內(nèi)容設(shè)置包括焊接工藝基礎(chǔ)訓(xùn)練;電子產(chǎn)品常用元器件介紹;電子儀器儀表的使用;調(diào)幅收音機(jī)的裝配、調(diào)試;印制電路板的設(shè)計(jì)等。通過電子實(shí)習(xí)，可使學(xué)生初步了解電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、制作、調(diào)試，鞏固所學(xué)理論知識(shí)，提升專業(yè)技能和實(shí)際工作能力[2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子與電工設(shè)計(jì)已經(jīng)步入了自動(dòng)化的時(shí)代，針對(duì)目前大學(xué)畢業(yè)生就業(yè)的新形勢(shì)，單純傳授知識(shí)的常規(guī)教學(xué)，難以滿足當(dāng)今企業(yè)的崗位要求。為適應(yīng)就業(yè)新需求，將計(jì)算機(jī)仿真軟件融入電子實(shí)習(xí)課程的學(xué)習(xí)中，可使學(xué)生更早接觸計(jì)算機(jī)仿真軟件，從而達(dá)到提升學(xué)生專業(yè)技能的目的[3] [4] [5]。

2 Multisim概述

2.1 Multisim軟件的特點(diǎn)

Multisim[6][7]是美國(guó)NI公司推出的電子電路仿真設(shè)計(jì)軟件，是Electronics Workbench （簡(jiǎn)稱 EWB） 的升級(jí)版本，具有界面直觀、操作方便等特點(diǎn)，能更好地適應(yīng)當(dāng)今電子電路的仿真與設(shè)計(jì)需求。除了EWB具備的數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、字信號(hào)發(fā)生器、示波器、掃頻儀等，Multisim還新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀，這些虛擬儀器與實(shí)物模型的外觀及操作方式都完全相同，為學(xué)生創(chuàng)造了使用儀器的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。此外，Multisim豐富的元器件庫(kù)包含了萬(wàn)余種元器件供調(diào)用。Multisim平臺(tái)不僅能實(shí)現(xiàn)模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微控制器和接口電路的仿真實(shí)驗(yàn)，還能通過其強(qiáng)大的分析功能深入了解和探討電路的時(shí)域響應(yīng)特性[8][9]。

Multisim計(jì)算機(jī)仿真軟件還具備功能強(qiáng)大的教學(xué)選項(xiàng)。教師可通過定制選用的儀器和分析，控制展示給學(xué)生的電路畫面，并進(jìn)行修改保存[6][10]。其電路限制功能則可以幫助學(xué)生快速找出連線錯(cuò)誤，從而提高實(shí)驗(yàn)效率，節(jié)約調(diào)試時(shí)間。

2.2 Multisim軟件應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)越性

Multisim仿真軟件界面簡(jiǎn)單，像一個(gè)實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)[11][12]，包含各種進(jìn)行仿真分析的操作命令，軟件中元件箱用于存放仿真元器件，儀表庫(kù)用于存放測(cè)試儀器儀表。通過屏幕抓取的方式可選用元器件、創(chuàng)建電路、連接測(cè)試儀器儀表。Multisim可以交互控制電路的測(cè)量及運(yùn)行過程，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果。其直觀的圖形界面、簡(jiǎn)單的操作步驟、強(qiáng)大的測(cè)試分析功能，將虛擬儀表技術(shù)的靈活性擴(kuò)展到了電子設(shè)計(jì)者的工作平臺(tái)上[6]。將Multisim仿真軟件應(yīng)用于教學(xué)，可替代電子實(shí)習(xí)中的各種傳統(tǒng)儀器儀表，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)上具有靈活多樣性，使電子線路的仿真更高效，當(dāng)改變電路連接或改變器件參數(shù)時(shí)，學(xué)生可以清楚地觀察到該變化對(duì)電路性能的影響。因此，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)融入電子實(shí)習(xí)課程中，能讓學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)新，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解及動(dòng)手實(shí)踐能力。

3 Multisim在電子實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

電子實(shí)習(xí)教學(xué)過程中，采用“理論基礎(chǔ)—仿真實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)模式，教師首先介紹相關(guān)概念、原理等知識(shí)，學(xué)生再根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，選擇合適的元器件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了課上課下學(xué)習(xí)的完美結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。下文先介紹了利用Multisim驗(yàn)證疊加定理[5]，然后提出同學(xué)自主設(shè)計(jì)電路對(duì)戴維南定理進(jìn)行仿真驗(yàn)證[13][14]。

3.1 疊加定理的仿真與分析

3.1.1 疊加定理

疊加定理[15]是電工技術(shù)中一個(gè)重要定理，內(nèi)容為：在任何含多個(gè)獨(dú)立電源的線性電路中，任一支路中的電流（或電壓）等于各個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)，在該支路中所產(chǎn)生的電流（或電壓）的代數(shù)和。疊加定理只能用來(lái)求電路中的電流或電壓，而不能用于計(jì)算功率。

3.1.2 利用Multisim驗(yàn)證疊加定理

學(xué)習(xí)疊加定理，不僅僅是記住它的內(nèi)容，更重要的要能夠靈活地應(yīng)用。在教學(xué)過程中，通過利用 Multisim仿真來(lái)驗(yàn)證此定理，可以創(chuàng)建更直觀的教學(xué)情境，讓學(xué)生更容易理解。

實(shí)驗(yàn)電路如圖1，U_S1=5V，I_S2=1A。利用疊加定理先計(jì)算圖1（a）電路中各支路電流和電壓U₁、U₂，過程如下：

圖1（b）為電壓源單獨(dú)作用時(shí)的電路，此時(shí)電流源作斷路處理，電流計(jì)算結(jié)果為：

圖1（c）為電流源單獨(dú)作用時(shí)的電路，此時(shí)電壓源作短路處理，有：

如圖2（a），在實(shí)驗(yàn)電路中并聯(lián)電壓表XMM1、XMM2分別測(cè)量電壓U₁、U₂;在電路中串聯(lián)電流表XMM3、XMM4分別測(cè)量電流I₃、I₄，讀數(shù)如圖2（b）所示。由此可知仿真結(jié)果與計(jì)算值相等，滿足疊加定理。

實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)

通過教學(xué)反饋，學(xué)生能充分理解疊加定理中電流、電壓相關(guān)闡述，但對(duì)定理所說“不能用于計(jì)算功率” [15]理解不夠深入。在實(shí)驗(yàn)中增加對(duì)功率的計(jì)算，以R3為例：

3.2 自主設(shè)計(jì)電路并驗(yàn)證戴維南定理

3.2.1 戴維南定理

任何一個(gè)線性含源二端網(wǎng)絡(luò)N，如圖4（a）所示，就其兩端鈕a、b來(lái)看，可等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻的串聯(lián)組合，即電壓源模型，如圖4（b）所示。其中，電壓源的電壓值uoc等于該含源二端網(wǎng)絡(luò)端口的開路電壓，如圖4（c）所示;串聯(lián)電阻Req等于該含源二端網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源為零值時(shí)，所得無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)N0的等效電阻，如圖4（d）所示[15]。

3.2.2 設(shè)計(jì)電路驗(yàn)證戴維南定理

學(xué)習(xí)戴維南定理后，同學(xué)自主設(shè)計(jì)電路，選擇適當(dāng)?shù)闹绷麟娫?、電阻、電壓表、電流表在Multisim中搭建電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。參照?qǐng)D5，實(shí)驗(yàn)步驟如下[16]：

1） 理解有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電路的含義，深入學(xué)習(xí)戴維南定理;

2） 按照實(shí)驗(yàn)要求，選取元器件并設(shè)計(jì)電路;

3） 在Multisim中正確連接電路，并根據(jù)設(shè)計(jì)電路對(duì)應(yīng)設(shè)置元器件參數(shù);

4） 通過仿真儀表測(cè)量有源二端網(wǎng)絡(luò)的電流、電壓和等效電阻;

5） 將仿真實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷仿真實(shí)驗(yàn)操作是否正確。

4 結(jié)論

Multisim計(jì)算機(jī)仿真將實(shí)驗(yàn)電路可視化，使原本乏味抽象的學(xué)習(xí)變得生動(dòng)形象，既能鍛煉和深化學(xué)生的基本理論知識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過教學(xué)試講，課堂反應(yīng)效果明顯，學(xué)生在電路設(shè)計(jì)過程中，不僅能充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)及創(chuàng)新思維能力，也能提升計(jì)算機(jī)操作和應(yīng)用能力;調(diào)試電路環(huán)節(jié)，同學(xué)展示了各自排除電路故障的技能，能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整電路，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｓ纱俗C明在電子實(shí)習(xí)課程中引入Multisim教學(xué)方案的可行性。

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