Multisim仿真軟件在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

李正東 李秀玲 涂科

摘? 要 模擬電子技術(shù)是高校電子、通信、計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)核心基礎(chǔ)課程，具有理論復(fù)雜、內(nèi)容抽象、理解困難等特點(diǎn)。描述Multisim虛擬仿真軟件在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的典型應(yīng)用，探討對(duì)理論課堂教學(xué)的影響。實(shí)踐表明，在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中運(yùn)用仿真軟件，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)抽象理論的領(lǐng)會(huì)，提高了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效率，為組織生動(dòng)高效的課堂教學(xué)并提高課堂教學(xué)質(zhì)量和效能提供了支持。

關(guān)鍵詞 Multisim;模擬電子技術(shù);仿真軟件;實(shí)驗(yàn)平臺(tái);555定時(shí)器;

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）12-0041-03

Application of Multisim Simulation Software in Teaching of Ana-log Electronic Technology//LI Zhengdong， LI Xiuling， TU KeAbstract Analog electronic technology is a core basic course of?electronic specialty in colleges and universities. It has the characte-ristics of complex theory， abstract content， and difficult to under-stand. This paper mainly discusses the typical application examples of Multisim virtual simulation software in the teaching of analog electronic technology. The practice shows that the application of simulation software in the teaching of analog electronic technology is helpful for students to understand the abstract theory， master the relevant knowledge deeply， organize vivid and efficient classroom teaching， and promote the quality and efficiency of classroom tea-ching.Key words Multisim; analog electronic technology; simulation soft-ware; experimental platform; 555 timer

1 前言

模擬電子技術(shù)是高校電子、通信、計(jì)算機(jī)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)核心基礎(chǔ)課程，學(xué)好本門(mén)課程可為學(xué)習(xí)后面專(zhuān)業(yè)知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中，教師在講解基礎(chǔ)知識(shí)、理論、方法的同時(shí)，更重要的是要讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析問(wèn)題的辦法和處置實(shí)際問(wèn)題的本領(lǐng)。由于本課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，故而在教學(xué)過(guò)程中必須利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些問(wèn)題，如部分實(shí)驗(yàn)需要的元器種類(lèi)繁多，不易實(shí)現(xiàn);有時(shí)因?qū)嶒?yàn)操作錯(cuò)誤，導(dǎo)致元器件損壞、人身傷害等。采用Multisim虛擬仿真軟件對(duì)電路完成輔助驗(yàn)證，既可以不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、儀器的影響，也可以避免元器件損壞及人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，提高了安全性。同時(shí)，通過(guò)運(yùn)用虛擬仿真儀器，教師可以指導(dǎo)學(xué)生實(shí)時(shí)觀(guān)察電子電路各位置的信號(hào)波形，加深對(duì)原理的理解，從而極大地提高課堂教學(xué)質(zhì)量[1-3]。

2 Multisim仿真軟件簡(jiǎn)介

Multisim是美國(guó)National Instruments公司研發(fā)的一款電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，用來(lái)對(duì)模擬、數(shù)字電路進(jìn)行仿真[4-5]。

Multisim軟件具有界面直觀(guān)、操作方便、元件調(diào)用便捷、元件標(biāo)注直觀(guān)、仿真真實(shí)感較強(qiáng)、與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)類(lèi)似度極高等優(yōu)點(diǎn)。軟件具有類(lèi)型齊全的元器件庫(kù)、種類(lèi)多樣的測(cè)試儀器（如萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、邏輯變換器、邏輯分析儀等）、完善的仿真分析手段、豐富的仿真能力等特點(diǎn)，是目前在電路分析中應(yīng)用較廣的仿真軟件。Multisim仿真軟件界面如圖1所示。

3 Multisim仿真軟件在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用范例：555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

555定時(shí)器是一種非常有用且精確的定時(shí)器，既能作為定時(shí)器使用，也能作為振蕩器使用。作為定時(shí)器，最常見(jiàn)的是單穩(wěn)態(tài)模式，555定時(shí)器能方便地產(chǎn)生單脈沖。當(dāng)在觸發(fā)端加上觸發(fā)電壓時(shí)，該芯片將輸出單個(gè)矩形波，波形的寬度由外部RC電路決定。作為振蕩器，最常見(jiàn)的是非穩(wěn)態(tài)模式，555定時(shí)器可以產(chǎn)生方波輸出，波形脈寬、頻率可通過(guò)兩個(gè)外部的RC充電、放電電路調(diào)整。555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2中的三個(gè)5 kΩ的電阻在電源電壓和地之間充當(dāng)一個(gè)三級(jí)分壓器。最底部的5 kΩ的電阻上端電壓為1/3Vcc，中間的5 kΩ電阻的上端電壓為2/3Vcc。比較器同相和反相輸入端的電壓大小決定了輸出高電平還是低電平。如果比較器同相輸入端的電壓比反相輸入端的電壓大，那么它的輸出邏輯電平為高;否則，輸出邏輯電平為低。比較器輸出結(jié)果送給RS觸發(fā)器作輸入，觸發(fā)器的輸出由RS輸入端的電壓狀態(tài)決定。

在單穩(wěn)態(tài)工作模式下，觸發(fā)器有兩個(gè)工作模式，一個(gè)是穩(wěn)態(tài)模式，一個(gè)是暫穩(wěn)態(tài)模式。當(dāng)給555定時(shí)器電路輸入外部脈沖時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就會(huì)由一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)變化為一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。因?yàn)殡娐分蠷C延時(shí)電路電容充、放電，從而引起555定時(shí)器兩個(gè)輸入腳（2腳、6腳）的輸入電壓發(fā)生變化，與電阻上電壓比較后會(huì)影響555定時(shí)器的輸出，最終導(dǎo)致暫穩(wěn)態(tài)保持一段時(shí)間后，又回到初始的穩(wěn)態(tài)。

用Multisim模擬仿真軟件搭建555定時(shí)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖3所示，電源電壓為5 V，輸入觸發(fā)電壓Vin為占空比95%、頻率0.02 kHz的方波信號(hào)代替。在單穩(wěn)態(tài)電路中，555定時(shí)器初始輸出為低電平，此時(shí)放電晶體管導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)在第2腳施加一個(gè)負(fù)的觸發(fā)脈沖時(shí)，比較器2的同相輸入端電壓與反相輸入端電壓進(jìn)行比較后得V->V+，所以比較器2輸出低電平，導(dǎo)致觸發(fā)器置位，輸出高電平。此時(shí)，放電晶體管截止，電源開(kāi)始給電容C1充電，充電電壓從0 V

向Vcc增大。當(dāng)電容充電電壓達(dá)到2/3Vcc時(shí)，比較器1的同相輸入端電壓與反相輸入端電壓進(jìn)行比較后得V->V+，比較器1輸出低電平，導(dǎo)致觸發(fā)器復(fù)位為低電平。此時(shí)，放電晶體管導(dǎo)通，電容C1上電壓迅速放電到0 V，輸出將保持低穩(wěn)態(tài)，直到施加另一個(gè)觸發(fā)脈沖為止。

用模擬的泰克示波器分別顯示2腳輸入方波控制信號(hào)、6腳處電容C1上的電壓信號(hào)、3腳輸出信號(hào)，三路信號(hào)的波形圖如圖4所示。單穩(wěn)態(tài)電路只有一種穩(wěn)態(tài)，輸出復(fù)位在

0 V，當(dāng)2腳輸入一個(gè)反相的觸發(fā)脈沖后，輸出將被置位高電平，其持續(xù)時(shí)間由R1C1網(wǎng)絡(luò)確定。高電平輸出脈沖的寬度為：

twidth=1.1R1C1

根據(jù)理論分析，當(dāng)修改外加電阻R1或電容C1的數(shù)值時(shí)，電容充電的時(shí)間會(huì)發(fā)生變化，因此在波形圖上也應(yīng)該有相應(yīng)的變化?，F(xiàn)在Multisim仿真軟件中將電容C的數(shù)值由

0.2 μf變?yōu)?.4 μf，經(jīng)軟件仿真后，所得仿真波形圖如圖5所示。由于此時(shí)電容充電時(shí)間常數(shù)增大一倍，因此，電容充電時(shí)間加長(zhǎng)，高電平輸出脈沖的寬度也產(chǎn)生相應(yīng)的延長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)仿真測(cè)到的數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果是一致的。

經(jīng)過(guò)對(duì)555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的仿真過(guò)程進(jìn)行剖析，信號(hào)的輸入波形與輸出波形的關(guān)系非常清晰明了。運(yùn)用Multisim仿真軟件仿真輔助理論教學(xué)，能夠使學(xué)生十分直觀(guān)地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而加深對(duì)理論知識(shí)的了解，極大地提高理論課程的課堂教學(xué)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

Multisim模擬仿真軟件界面明晰、操作容易，仿真效果形象生動(dòng)。在理論教學(xué)中應(yīng)用Multisim仿真軟件來(lái)輔助教學(xué)，能夠使學(xué)生將理論知識(shí)和模擬仿真過(guò)程緊密聯(lián)系起來(lái)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解程度，以解決純理論不便于理解、實(shí)驗(yàn)組織復(fù)雜的問(wèn)題。同時(shí)，模擬仿真軟件的使用不受教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，學(xué)生可以利用課余時(shí)間對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行仿真練習(xí)，這對(duì)開(kāi)展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、提高課程教學(xué)質(zhì)量等都具有積極的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張林，鄧天平，彭立.“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2018，40（2）：57-61.

[2]鐘兆根，孫雪麗，張亞周，等.NI ELVIS在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2019（14）：31-33.

[3]葉朝輝，華成英，閻捷，等.模擬電子技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34（1）：29-32.

[4]梁麗.Multisim仿真軟件在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2015（10）：35-37.

[5]佘艷，林晨.Multisim仿真在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].電子世界，2018（15）：185，187.