Multisim 軟件在電子測量技術課程中的應用

何寧業(yè)，寧仁霞，孫 劍，劉 琦

（黃山學院 信息工程學院，安徽 黃山 245041）

1 引言

人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)處處離不開測量技術，隨著計算機、電子等行業(yè)的飛速發(fā)展，電子測量成為測量的主要手段[1]。電子測量技術課程作為高校電子信息類的專業(yè)課，是一門理論性和實踐性都很強的專業(yè)基礎課程。

黃山學院信息工程學院電子測量技術課程由32課時理論課程和12課時的實驗課程組成，課時有限但囊括的內(nèi)容卻很廣泛。該理論課程包括誤差與分析、信號發(fā)生器、時頻測量、電壓測量等多方面知識點，涉及多種測量測試儀器儀表的原理，其中不乏一些復雜的公式、原理圖，學生學習起來有一定難度，容易打退堂鼓。

實驗課程要求學生利用有限的幾次實驗，熟練掌握信號發(fā)生器、示波器、電壓表等各種常見電子測量儀器的操作使用。大多數(shù)實驗課程仍然是以驗證性實驗為主，注重對各種儀器的基本操作訓練，缺乏典型的工程實例設計，對學生創(chuàng)新及實踐能力的培養(yǎng)差強人意。

傳統(tǒng)的理論授課以填鴨式向?qū)W生灌輸電子測量技術課程中的理論知識，課程內(nèi)容比較枯燥難理解，學生提不起學習的勁頭，往往得過且過，一知半解。所以教師必須與時俱進，應用電子測量領域最前沿知識，實時更新教學內(nèi)容，探索先進的教學方法，以激發(fā)課堂活力，獲得更好的教學效果。

2 Multisim簡介

當前利用計算機進行電子仿真設計已成為時代潮流[2]，隨之涌現(xiàn)出諸如Multisim、Protel、Proteus、Hspice、HFSS等一批實用仿真工具。如何有效利用仿真工具輔助高校課程教學，提高教學質(zhì)量，已成為高校教師探討的新課題[3]。

Multisim 軟件是美國NI 公司推出的一個完整的設計工具系統(tǒng)，可同時完成原理電路設計和電路功能測試。它利用軟件構建虛擬電子與電工元器件以及各種常用的電子儀器儀表，并將他們有機地融為一體。Multisim 軟件內(nèi)含數(shù)千種電路元器件，還配有齊全的虛擬測試儀器，包括一般實驗室用的通用儀器，甚至有實驗室少有的波特圖儀、邏輯分析儀等[4]。

利用Multisim軟件進行仿真不需要真實電路環(huán)境的介入，因此從一定程度上節(jié)約了電路設計成本，提高了工作效率。該軟件易學易用，便于電類專業(yè)學生學習和進行綜合性設計實驗。同時也可將Multisim 軟件植入電子測量技術理論課堂，利用該軟件自帶的虛擬儀器功能，進行仿真演示。

3 Multisim軟件在信號發(fā)生器教學中的應用

本文以信號發(fā)生器的相關教學內(nèi)容為例，闡述如何充分利用Multisim軟件進行電子測量技術課程的輔助教學。

3.1 基本函數(shù)信號發(fā)生器

函數(shù)信號發(fā)生器作為信號發(fā)生器的一種，能自動產(chǎn)生正弦波、方波、三角波及鋸齒波、階梯波等特定的電壓波形?；竞瘮?shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生方波、三角波、正弦波3種電壓波形，實際設計電路時可采用分立元件或運放級聯(lián)構成，也有由專用集成電路直接得到。本次課程中生成該信號的函數(shù)信號發(fā)生器電路是基于555 定時器芯片搭建而成，可借助Multisim 軟件演示常見的方波、三角波、正弦波3 種波形的生成過程，電路原理圖如圖1 所示。仿真時可利用Multisim自帶的虛擬示波器從電路中各波形測試中成功測得，并顯示方波、三角波、正弦波3 種波形圖像。

圖1 基于555芯片的函數(shù)信號發(fā)生器原理圖

學生通過觀看整個函數(shù)信號發(fā)生器電路的仿真演示過程，一方面對Multisim 軟件中的虛擬儀器可實時觀測所得波形頗感興趣，另一方面對函數(shù)發(fā)生器生成各基本波形的生成原理了然于胸。

保證學生做到心中有數(shù)后，再到實驗室動手搭建實際電路，部分學生可能會遇到電路搭建順利但部分波形調(diào)試不出的問題，比如有方波，但沒有三角波和正弦波。這時就需要回顧理論課上仿真過程，依次檢測3種波形測試點附近的電路元件，對電路問題進行排查，最終實現(xiàn)電路功能。Multisim 軟件在此作為橋梁，有效地協(xié)助教師將理論和實驗課連接起來。

3.2 任意波形信號發(fā)生器

在完成上述教學內(nèi)容后，可趁熱引出下一主題任意波形信號發(fā)生器。教師在課堂上積極引導學生思考如何實現(xiàn)“任意波形”的想法，并給予一定的提示。比如之前講過的利用數(shù)字頻率合成法生成方波等特殊波形的原理，其核心步驟是將反應信號特征的編碼（方波是一連串的0 和1）提前存入計算機的只讀存儲器中。由此很容易推想，如果把反應任意波形特征的編碼按規(guī)律存入存儲器中，待需要時按一定規(guī)則讀取即可生成該波形，這過程有點類似于描點作圖的思想。

為了讓學生更直觀地了解任意波形信號發(fā)生器生成波形的原理，同樣可以利用Multisim 軟件仿真實現(xiàn)，任意波形信號發(fā)生器仿真電路圖如圖2所示。

圖2 任意波形信號發(fā)生器仿真電路圖

該任意波形信號發(fā)生器電路中利用字信號發(fā)生器XWG1 代替計算機，實現(xiàn)存儲和控制編碼輸出的功能。字信號發(fā)生器的編碼設置如圖3所示。編碼采用十六進制內(nèi)循環(huán)的方式進行疊加輸出，信號輸出頻率設置為1KHz。設定好的數(shù)字編碼按照規(guī)律，通過總線Bus1 輸出送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，由DAC 將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號，最后利用軟件自帶的虛擬示波器觀測到信號輸出波形如圖4所示，本次設計實現(xiàn)了鋸齒波信號的生成。

圖3 字信號發(fā)生器的編碼設置

圖4 任意波形信號發(fā)生器電路輸出波形

按照任意波形發(fā)生器的原理，可通過修改編碼，改變DAC 的輸入信號D0-D7，從而實現(xiàn)輸出電壓的改變，生成不同的模擬波形。因此可以給學生預留課后仿真作業(yè)，鼓勵他們靈活運用Multisim 對任意波形信號發(fā)生器進行仿真模擬，積極思考并合理設置字信號發(fā)生器XWG1 編碼，以實現(xiàn)方波、三角波、正弦波及其他復雜波形。由于該仿真實驗可重復，易操作，極大地激發(fā)了學生學習的積極性和主動性，達到了良好的學習效果。

3.3 TFG6020DDS函數(shù)信號發(fā)生器

通過有效利用Multisim軟件對信號發(fā)生器進行仿真演示，學生對基本函數(shù)信號發(fā)生器和任意波形信號發(fā)生器的組成原理有了更直觀更深入的理解，緊接著為其介紹電子測量技術實驗中所采用的TFG6020DDS 函數(shù)信號發(fā)生器。教師著重講解該函數(shù)信號發(fā)生器所具備的基本功能及其使用方法，并在實驗課上針對如何用好此儀器進行教學演示。同時為了觀測波形自然少不了示波器，可指導學生依據(jù)實驗講義完成示波器相關內(nèi)容的自學，并按要求完成實驗，實現(xiàn)各種基本波形的生成與顯示，促使學生熟練掌握函數(shù)信號發(fā)生器和示波器的使用。

4 結語

利用Multisim軟件仿真演示教學充實了原本枯燥無味的電子測量技術理論課堂，使其變得生動有趣，極大地激發(fā)了學生對電子測量課程的學習興趣，Multisim 軟件不僅可以作為課堂教學輔助手段，也可協(xié)助學生自主完成該課程的課前預習、課后鞏固環(huán)節(jié)，有助于鍛煉學生創(chuàng)新實踐能力。