Multisim軟件在船電類課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

張衛(wèi) 劉玥 徐建霖 陶東波

摘要：傳統(tǒng)的高校船電類課程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以驗(yàn)證為主，不利于學(xué)員創(chuàng)新能力的提高，針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文提出將Multisim仿真軟件融入到課堂實(shí)踐教學(xué)中，并結(jié)合教學(xué)中的一些經(jīng)典案例，給出Multisim仿真軟件在船電類課程綜合實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，有效改善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提升了學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提供了一個(gè)有效手段。

關(guān)鍵詞：Multisim仿真；實(shí)踐教學(xué)

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已十分成熟，逐漸成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中一種有效的方法，Multisim等電子仿真軟件已成為電類課程設(shè)計(jì)的必備工具。船電類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是人才培養(yǎng)中的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，如何將先進(jìn)的仿真技術(shù)運(yùn)用到高校船電類課程實(shí)踐教學(xué)中去，使之為教學(xué)服務(wù)，提高教學(xué)質(zhì)量，是目前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的一個(gè)重要課題[1]。

在電力電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，新器件和新電路不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)課程的需求，一定程度上影響了船電類實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果[2]。并且，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)條件和課時(shí)的限制，學(xué)員只能通過(guò)老師的講解和演示被動(dòng)地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的步驟按步就搬地進(jìn)行連線、測(cè)試，無(wú)法根據(jù)自己的興趣和需求進(jìn)行創(chuàng)新，稍有不慎還容易導(dǎo)致設(shè)備的損壞，不利于學(xué)員專業(yè)能力的拓展與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[3]。

因此，我們需要對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。Multisim軟件恰好能滿足這一要求，它是一種電路仿真軟件，其中包含了豐富的元器件庫(kù)，既有一般實(shí)驗(yàn)室用的通用儀器，如萬(wàn)用表、直流電源等，還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒(méi)有的儀器，如波特圖儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。Multisim還具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電力電子電路[4]。將該軟件引入船電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的儀器陳舊、設(shè)備落后、元件損耗等問(wèn)題，還大大激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，有助于培養(yǎng)出基礎(chǔ)扎實(shí)、富有創(chuàng)新意識(shí)的人才[5]。

本文以船電類課程綜合實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為例，利用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)課程中實(shí)際電路測(cè)試結(jié)果相比較，將仿真技術(shù)融入到船電類課程的整個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中。

1 Multisim軟件在船電類實(shí)踐課程中的典型應(yīng)用

1.1 PWM波形產(chǎn)生電路

本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是根據(jù)給定的電路原理圖，來(lái)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)象分析。目的是考核學(xué)員對(duì)于PWM調(diào)制技術(shù)的理解，要求能掌握其基本調(diào)制方式。在理解給定原理圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器在示波器上得出所要求的波形。

PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效獲取所需要的波形。本文通過(guò)一個(gè)直流信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，用一個(gè)等腰三角波作為載波，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。PWM波形產(chǎn)生電路原理圖如圖1所示。

PWM波的產(chǎn)生電路仿真圖如圖2。LM111是一種電壓比較器，輸入直流調(diào)制信號(hào)和三角波，兩者進(jìn)行比較最終輸出一個(gè)方波，也就是所要得到的PWM波形，其產(chǎn)生的波形如圖3所示。

輸出的PWM波，可通過(guò)調(diào)節(jié)電阻器GDRJ、R4、R6來(lái)調(diào)節(jié)輸出波形的占空比，從而得到所需要的波形。在Multisim軟件中可很方便的對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并觀察調(diào)節(jié)后的波形變化。該電路通過(guò)直流電壓信號(hào)對(duì)三角波信號(hào)的調(diào)制，形成PWM信號(hào)。通過(guò)仿真可使學(xué)員更直觀的理解PWM控制實(shí)際上就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。

1.2 MOSFET/IGBT/SCR應(yīng)用電路

本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是熟悉MOSFET/IGBT/SCR應(yīng)用電路，重點(diǎn)熟悉其中的MOSFET/IGBT/SCR的工作特性，了解555定時(shí)器應(yīng)用電路的基本組成，并對(duì)所要求的功能進(jìn)行調(diào)試測(cè)量。電路有兩部分組成：控制電路和負(fù)載電路。控制電路原理圖如圖4所示。

控制電路由整流電路，穩(wěn)壓輸出12V電路和555定時(shí)器電路組成。555定時(shí)器工作模式有單穩(wěn)態(tài)，雙穩(wěn)態(tài)和無(wú)穩(wěn)態(tài)模式。此次采用的是無(wú)穩(wěn)態(tài)模式，無(wú)穩(wěn)態(tài)工作模式下555定時(shí)器可輸出連續(xù)的特定頻率的方波。電阻R11和可調(diào)電位器W11接在VCC與放電引腳（引腳7）之間，另一可調(diào)電位器W12接在引腳7與觸發(fā)引腳2之間，引腳2與閾值引腳6短接。工作時(shí)電容C12通過(guò)電阻R11、W11、W12充電至2/3VCC，之后電容重新充電，輸出電壓再次翻轉(zhuǎn)形成方波，輸出波形的頻率和占空比可通過(guò)W11、W12調(diào)節(jié)。其仿真原理圖如圖5所示，產(chǎn)生的波形圖如圖6所示。

2實(shí)際硬件電路調(diào)試

2.1 PWM波形產(chǎn)生電路調(diào)試

此電路實(shí)際調(diào)試主要是測(cè)試U1OUT輸出波形和PWM輸出波形，實(shí)際示波器測(cè)量波形如圖7和圖8所示。可看出圖10中的輸出波形與仿真波形一致。

2.2 MOSFET/IGBT/SCR應(yīng)用電路調(diào)試

此電路實(shí)際調(diào)試主要是測(cè)試555定時(shí)器的輸出波形，實(shí)際示波器測(cè)量波形如圖9所示，經(jīng)對(duì)比可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

3 小結(jié)

將Multisim仿真軟件用于船電類課程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)了電源電路、PWM波形產(chǎn)生電路、555定時(shí)器電路等多種應(yīng)用電路的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)理論分析和實(shí)際硬件調(diào)試，可以發(fā)現(xiàn)利用Multisim軟件得到的仿真結(jié)果與實(shí)際電路測(cè)試結(jié)果是一致的。Multisim仿真軟件為學(xué)員提供了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)平臺(tái)，使學(xué)員擺脫了實(shí)驗(yàn)環(huán)境和學(xué)時(shí)的限制，在課后也能進(jìn)行研究和學(xué)習(xí)。為學(xué)員深入地理解和分析電路提供了幫助，有利于提高學(xué)員實(shí)驗(yàn)的自主性，培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，有利于提高課程教學(xué)質(zhì)量。統(tǒng)計(jì)表明，將Multisim仿真軟件應(yīng)用于傳統(tǒng)船電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，教學(xué)質(zhì)量與效率得到顯著提高，設(shè)備損壞率明顯降低，學(xué)員的實(shí)驗(yàn)興趣與創(chuàng)新意識(shí)亦得到增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷躍，譚永紅，用Multisim10提升電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009（4）：24-27.

[2]王安娜，申燕，劉澤軍，等.電路仿真設(shè)計(jì)軟件Multisim在電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（12）：64-68.

[3]孫俊卿，羅云林，黃建宇，等.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009（6）：121-122.

[4]李國(guó)麗，應(yīng)艷杰，盛華，等.電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008（10）：60-61.

[5]白菊蓉，張寶軍.Multisim應(yīng)用于電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，11（1）：123-125.

作者簡(jiǎn)介：

張衛(wèi)（1980-），男，湖南芷江人，講師，碩士，主要研究方向：聲納裝備維修保障.