Multisim仿真在電工電子實驗中的應(yīng)用

王 磊

（南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院，江蘇 南京 210023）

電工電子技術(shù)實驗是一項具有風(fēng)險性的實驗，為了有效降低實驗的風(fēng)險，保證實驗人員的安全，人們開始引入仿真技術(shù)進行模擬電工電子技術(shù)實驗。隨著社會的發(fā)展和科技的進步，計算機技術(shù)也在不斷地發(fā)展，仿真技術(shù)日益嫻熟，但同時人們對電工電子實驗教學(xué)質(zhì)量的要求越來越高。在這種背景下，Multisim仿真軟件成為了電子工程設(shè)計的必備工具，通過利用Multisim仿真軟件來進行電工電子技術(shù)實驗，不但可以有效的彌補實驗儀器元件短缺、規(guī)格不符合要求等問題，同時還能利用軟件里提供的各種不同的分析方法，更加有效地掌握教學(xué)內(nèi)容，加深對概念和原理的理解，除此之外，應(yīng)用Multisim仿真軟件來進行電工電子技術(shù)實驗還有助于熟練掌握電工電子儀器的測量方法，進一步加深綜合能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提高。在各大高等院校中，電工電子實驗是電子學(xué)科中非常重要的內(nèi)容，電工電子實驗的開展目的是進一步深化學(xué)生課堂理論知識，提高學(xué)生動手能力與實踐能力。通過科學(xué)、全面的實驗來提高學(xué)生的綜合素質(zhì)水平，從而實現(xiàn)國家培養(yǎng)復(fù)合型人才的根本目標(biāo)。隨著素質(zhì)教育進一步的深入推廣，電工電子實驗在電子教學(xué)中發(fā)揮愈發(fā)重要的作用?，F(xiàn)如今加強對電工電子實驗教學(xué)的研究已成為了時代發(fā)展的必然選擇。

1 Multisim仿真軟件

Multisim軟件是美國國家儀器（NI）有限公司在加拿大最初的軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上對Multisim軟件的操作系統(tǒng)進行改造操作系統(tǒng)而形成的實用性非常強的仿真工具[1]。它包含了電路硬件描述語言輸入以及電路原理圖的圖形輸入，具有非常強大的仿真分析能力，在實驗中充分發(fā)揮Multisim仿真軟件的功能，完全可以勝任實驗?zāi)M電路板的設(shè)計工作，且在應(yīng)用方面具有多種優(yōu)勢[2]，例如，可以為電工電子實驗非常好地解決仿真分析過程中會出現(xiàn)的問題。Multisim仿真軟件除了超強的仿真能力以及分析能力還擁有強大的語言轉(zhuǎn)換功能。雖然Multisim仿真軟件只有224個字符，但是它可以根據(jù)不同國家區(qū)域的語言需求提供不同的語言轉(zhuǎn)換。例如，可以把英語轉(zhuǎn)換為中文、日文和法語等，各個國家和區(qū)域的語言。這些語言轉(zhuǎn)換功能可以很好地為我國電工電子技術(shù)實驗提供便利。Multisim仿真軟件是一個具備有強大功能的軟件，運用領(lǐng)域也極為廣泛，但Multisim仿真軟件的使用平臺有局限性，只能通過Windows進行操作，不過它擁有本身軟件自帶的選項，不需要與Windows平臺選項共用。Multisim仿真軟件在Windows平臺的界面操作上，與常規(guī)的EDA軟件相似，可大致劃分為菜單欄和工具欄等。Multisim仿真軟件在電工電子技術(shù)實驗過程中的操作步驟與一般的仿真技術(shù)大致相同。電工電子技術(shù)實驗最重要的步驟在于電路圖，電路圖是進行實驗結(jié)果確認的關(guān)鍵點，因此在實驗過程中，首先是對電路圖進行確認，然后從Multisim仿真軟件的元件庫中調(diào)試出實驗需要的元器件，把Multisim仿真軟件調(diào)試出來的元器件與實驗電路圖進行連接，建立出實驗所需要的模擬電路仿真[3]，最后根據(jù)電工電子技術(shù)的實驗需求針對性地對Multisim仿真軟件里的各個分析功能做進一步的調(diào)試，從而順利達到實驗所需要的電路測試狀態(tài)。根據(jù)Multisim仿真軟件的軟件組成研究來看，Multisim仿真軟件包含了各種分析功能，可以為各種不同的應(yīng)用需求提供豐富的仿真分析計算。

2 Multisim仿真軟件在實驗過程中的優(yōu)勢分析

2.1 Multisim仿真軟件顯示的圖形界面具有直觀性

該仿真軟件上手操作非常方便，其創(chuàng)建的電路界面圖形具有可視化的功能，Multisim仿真軟件可以根據(jù)電路圖的需求進行針對性繪制，還可以利用拖曳的方式來選取電路仿真時所需要的測試儀器以及元器件，同時還可以在計算機屏幕上輸出實驗結(jié)果。

2.2 豐富的元器件

Multisim仿真軟件擁有主流元器件超過17 000多種，可以提供各種各樣的元器件。對各種不同的元器件參數(shù)進行編輯和修改，同時還能夠利用模擬生成器以及代碼模式和創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建新的元器件。

2.3 仿真功能強大

Multisim仿真軟件有著超強的仿真模式，可以通過利用SPICE3F5軟件或Xspice軟件的內(nèi)核來作為自己啟動的引擎，然后充分結(jié)合Electronic workbench軟件中附帶的增強設(shè)計功能進一步優(yōu)化數(shù)字和混合模式仿真性，從而達到實驗的需求，其中包括VHDL仿真、RF仿真、SPICE仿真以及電路向?qū)У裙δ堋?/p>

2.4 測試儀器的豐富性

在PCB設(shè)計中，Multisim可以提供22種虛擬儀器用來對電路動作進行測量，如頻譜儀、示波器、萬用表、失真度儀以及函數(shù)發(fā)生器和邏輯分析儀等，這些儀器的設(shè)置以及使用與真實的一樣[4]。除了Multisim提供的默認儀器還可以創(chuàng)建LabⅥEw的自定義儀器，讓圖形環(huán)境可以更靈活地進行測試、測量以及控制應(yīng)用程序的儀器。

3 Multisim仿真軟件在實驗過程中的具體應(yīng)用分析

3.1 Multisim仿真軟件在實驗中的具體應(yīng)用方法

利用Multisim仿真軟件進行模擬實驗是為了能夠在一定的安全環(huán)境且成本低的情況下更好地鍛煉學(xué)生的動手操作能力和電工電子的操作思維能力。讓他們學(xué)會自己提出設(shè)計方案并完成設(shè)計，在正式進入電工電子技術(shù)的模擬實驗時，學(xué)生首先必須先制作出一個科學(xué)合理的實驗設(shè)計方案，同時要確認方案設(shè)計的目標(biāo)，不斷地修改完善原理圖，以便于能夠及時進行仿真調(diào)試和參數(shù)的修改，從而更高效地完成實驗需要的電力模型建設(shè)。在實驗需要的基本步驟工作完成之后，根據(jù)實驗步驟對實驗的技術(shù)指標(biāo)進行檢驗，檢驗的標(biāo)準(zhǔn)是需要滿足實驗的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，當(dāng)符合檢驗標(biāo)準(zhǔn)后，再進行實驗。綜上所述，仿真模擬實驗的整個程序需要在Multisim仿真軟件的輔助下完成虛擬電路模型以及專業(yè)軟件構(gòu)建，然后通過實驗的需求，制定合理的計劃并對其內(nèi)容進行設(shè)計和調(diào)整，不斷完善實驗內(nèi)容設(shè)計的全過程。所以，在這樣的方式下，我們可以利用Multisim仿真的特點對有反饋和無反饋進行分析。

3.2 Multisim仿真軟件在實驗中有反饋和無反饋的分析

通過利用Multisim仿真軟件進行模擬電路實驗過程，加入電壓串聯(lián)負反饋后，經(jīng)過實驗的數(shù)據(jù)分析可以得知當(dāng)CD Operating Point為U（4）、U（5）、U（7）、U（8）、U（9）、U（11）時的靜態(tài)工作點。其中，當(dāng)CD Operating Point為U（4）時，其對應(yīng)的U/V為1.3164；為U（5）時，對應(yīng)的是3.5463；為U（7）時，對應(yīng)的是7.2367；為U（8）時，對應(yīng)的是3.4693；為U（9）時，對應(yīng)的是5.42679；為U（11）時，對應(yīng)的是0.5289。根據(jù)以上的工作點數(shù)據(jù)來看，可知此時的Multisim仿真電路實驗中的電路正處于一個放大的形態(tài)。通過示波器的功能分析其輸出和輸入的波形情況，發(fā)現(xiàn)波形大致是一樣的，放大電路電壓的放大倍數(shù)是9.5。由此可以對電路的頻率做一個針對性的分析，根據(jù)中頻段的電壓數(shù)據(jù)來看，放大倍數(shù)為18.99 db。

3.2.1 實驗過程中有反饋的分析

具體的實驗活動內(nèi)容是以流水燈來進行的，在正式進入流水燈模擬實驗之前，事前準(zhǔn)備好的內(nèi)容有顯示電路以及顯示器，四位二進制計數(shù)器、二級光顯示器以及譯碼器等實驗設(shè)備[5]。同時，還要合理規(guī)劃好自動振蕩的實驗計劃。正式進入流水燈實驗之后，電路的應(yīng)用是必不可少的，電路的功能在實驗中有著很重要的影響，其中電路的功能包含了定時器、示波器等。定時器對電路的正常運行起著很關(guān)鍵的作用，通過定時器的計數(shù)方式可以幫助實驗進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)試，更好地協(xié)助流水燈實驗中指示燈連接狀態(tài)的檢測，提高流水燈實驗中判斷技術(shù)的準(zhǔn)確性；而示波器可以為整個實驗過程中的波形走勢變化情況提供監(jiān)督的作用；對于地址控制設(shè)備進行準(zhǔn)確連接，不僅可以最大限度讓控制設(shè)備處于一個很長時間段都可以使用的狀態(tài)，還可以使電路與顯示負電極之間的連接順利進行。在流水燈實驗過程中，要嚴(yán)格遵守實驗步驟，對流水燈的電路情況進行多次仿真調(diào)試和參數(shù)修整，在其調(diào)試和修整的過程中要不斷的觀察其電路的點亮狀態(tài)。通過在實驗中對流水燈點亮的狀態(tài)觀察來看，由此可以得出流水燈是按照排序的順序依次被點亮的，且燈亮未曾出現(xiàn)電力不足導(dǎo)致閃爍的情況發(fā)生。經(jīng)過對流水燈的電路問題檢測后，下一步就是對LED燈進行電路實驗，根據(jù)LED燈電路實驗得出的結(jié)果，再與流水燈電路實驗結(jié)果進行對比，從而得出不同指示燈的亮度情況。在進行兩種不同指示燈的電路實驗時，示波器和振蕩變形情況的記錄都要正常進行。然后通過比較這些不同指示燈的實驗結(jié)果，對其設(shè)計結(jié)果進行判斷，更好地為后期的實驗設(shè)計方案提供可靠的數(shù)據(jù)。在實驗過程中，除了要對有反饋的結(jié)果進行分析之外還需要對實驗過程中出現(xiàn)的負反饋結(jié)果進行有效分析，但無論是展開哪一種分析，都要嚴(yán)格按照實驗的要求來進行，才能得到Multisim仿真軟件在實驗中的真實運用情況。通過對Multisim仿真軟件功能的進一步了解之后還可以擴大Multisim仿真的應(yīng)用范圍。

3.2.2 實驗過程中無反饋的分析

在進行電工電路的實驗中，針對性地對電壓串聯(lián)負反饋的電路情況進行具體試驗，并對RW1和RW2不斷調(diào)試，使其靜態(tài)工作點能夠得到深度優(yōu)化。此外在靜態(tài)工作點的基礎(chǔ)上進行動態(tài)分析。在正式進入動態(tài)分析之前，需根據(jù)實驗的具體實施步驟按要求完成，將Multisim仿真軟件以及示波器依次打開，示波器有兩種調(diào)節(jié)方式，分別為豎向調(diào)節(jié)和水平調(diào)節(jié)，一般情況下的實驗都會一起打開這兩個調(diào)節(jié)方式，以便于為實驗的情況進行動態(tài)分析。在實驗中通過示波器輸入和輸入的波形走勢分析，得知示波器的兩個波形都是一樣的，綜上可知電壓串聯(lián)負反饋的電壓倍數(shù)為123倍。

4 結(jié)束語

綜上所述可知，利用Multisim仿真軟件進行電工電子技術(shù)的模擬實驗，除了充分發(fā)揮其強大的功能優(yōu)勢，還可以更好地提高電工電子技術(shù)實驗過程中仿真效果的真實性。同時，采用Multisim仿真軟件進行實驗還能在一定程度上減少資源的浪費，從而有效降低實驗成本，促進資源的合理利用，大大降低電工電子技術(shù)實驗的風(fēng)險性，提高實驗的效率，且通過強大的仿真功能促使理論和實踐完美結(jié)合，使學(xué)生能夠在理論知識的強化同時提升他們的動手能力，從而更好地促進學(xué)生綜合素質(zhì)能力的提高。仿真模擬實驗不僅可以有效地加強知識的掌握能力和對基礎(chǔ)理論知識的理解，還能鍛煉操作者的實踐動手能力。充分運用Multisim仿真軟件進行模擬實驗并發(fā)揮其作用，對實驗的質(zhì)量以及技術(shù)提高有著重要的促進作用。