工程認(rèn)證下融合Multisim的含運(yùn)算放大器電路教學(xué)實(shí)踐研究

姚 寧

(許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

“電路”課程是高校電氣信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，通過電路課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握電路的基本概念、基本理論及分析計(jì)算電路的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，提高學(xué)生基礎(chǔ)理論與工程問題結(jié)合的抽象邏輯思維能力，具備電子信息工程技術(shù)人員的基本專業(yè)素養(yǎng)，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和加強(qiáng)基本技能訓(xùn)練等方面起著重要作用[1].含運(yùn)算放大器電路分析在電路課程體系中可獨(dú)自成林，但其又與后續(xù)課程——模擬電子技術(shù)聯(lián)系緊密，實(shí)踐性強(qiáng).鑒于本知識(shí)點(diǎn)的特殊性，在課堂教學(xué)過程中將本知識(shí)點(diǎn)細(xì)化，引入現(xiàn)代化工具，提升學(xué)生的應(yīng)用能力[2].

1 教學(xué)現(xiàn)狀

許昌學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)是國家級(jí)重點(diǎn)專業(yè)，該專業(yè)于2018年順利通過了工程教育專業(yè)認(rèn)證，這是許昌學(xué)院工程教育專業(yè)認(rèn)證歷史上的突破.在工程教育認(rèn)證的背景下，結(jié)合OBE(Outcomes-based Education)教育理念[3]，針對(duì)2020級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)電路課程教學(xué)，重新規(guī)劃課程教學(xué)過程，整合資源，梳理細(xì)化課程目標(biāo)與課程教學(xué)體系，完成應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).2020級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)電路課程教學(xué)目標(biāo)與主要支撐畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，課程教學(xué)目標(biāo)與電路教學(xué)體系關(guān)系如圖1所示.

表1 教學(xué)目標(biāo)與主要支撐畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過長(zhǎng)期一線教學(xué)中各種教學(xué)方法和教學(xué)效果的比對(duì)，完成教學(xué)目標(biāo)2最具有代表性的手段是借助電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA(Electronic Design Automation)仿真平臺(tái)完成電路的設(shè)計(jì)仿真[4].此方法的優(yōu)勢(shì)在于借助EDA平臺(tái)可使教學(xué)過程更加清晰，條理性更強(qiáng)，方便學(xué)生理解掌握，同時(shí)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升自主學(xué)習(xí)能力，將被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)[5]，體現(xiàn)“學(xué)生中心”的教學(xué)理念.鑒于上述分析，在教學(xué)過程中引入Multisim 14.0加入課堂教學(xué)[6].

圖1 課程目標(biāo)與教學(xué)體系關(guān)系

2 Multisim簡(jiǎn)介

Multisim是加拿大IIT(Interactive Image Technoligics)公司推出的仿真軟件Electronics Workbench(EWB)升級(jí)版，IIT公司將EWB6.0以后專用于電路仿真與設(shè)計(jì)模塊更名為Multisim，意為“萬能仿真”[7].Multisim具有強(qiáng)大的仿真功能，它幾乎能100%的還原實(shí)際電路的仿真結(jié)果，而且Multisim具有豐富的元器件庫，如晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片等等，對(duì)于器件庫中不存在的元器件，還可以借助外部模塊導(dǎo)入.同時(shí)Multisim仿真軟件還具有種類眾多的虛擬測(cè)試器儀，如示波器(雙通道、4通道)、萬用表、函數(shù)發(fā)生器、功率表、伏安特性分析儀、頻率計(jì)、波特儀、邏輯分析儀[8]等等.各種功能較為直觀，方便操作，易學(xué)易用.學(xué)生可以對(duì)各種電路進(jìn)行完整且合理的設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，有效的設(shè)置仿真參數(shù)和測(cè)試分析.操作過程中，沒有實(shí)際元器件的消耗，減少成本，有利于理論聯(lián)系實(shí)際，并能提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和終身學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成.將Multisim 14.0應(yīng)用于電路的教學(xué)過程中，可以免于時(shí)間和空間的限制，輔助理論教學(xué)，直接將理論應(yīng)用于實(shí)踐分析，提升教學(xué)效果，達(dá)到應(yīng)用型教學(xué)的要求.

3 教學(xué)實(shí)踐研究

以反相比例運(yùn)算放大電路的教學(xué)過程為例.反相比例運(yùn)算放大電路的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，輸入信號(hào)ui作用于運(yùn)放的反相輸入端和地之間，同相輸入端直接接地，Rf跨接在反相輸入端和輸出端之間，構(gòu)成閉環(huán)[9].

3.1 理論分析

圖2 反相比例運(yùn)算放大電路

基于“理想運(yùn)放”的分析方法，由“虛短”可知u-=u+=0，由“虛斷”可知i-=0，在反相輸入端結(jié)點(diǎn)處，列寫其KCL方程，可得ui/R1=-uo/Rf，整理得uo=-Rf/R1ui，負(fù)號(hào)說明輸出電壓uo與輸入電壓ui之間呈反相關(guān)系，該電路實(shí)現(xiàn)的是反相比例運(yùn)算，且改變R1和Rf的值可以實(shí)現(xiàn)不同的比例關(guān)系[10].

運(yùn)算放大器構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，運(yùn)算放大電路的放大倍數(shù)不再受運(yùn)算放大器本身放大倍數(shù)的控制，而是取決于構(gòu)成閉環(huán)的電路結(jié)構(gòu)，運(yùn)算放大器在實(shí)現(xiàn)放大作用時(shí)必須工作在閉環(huán)狀態(tài).

3.2 仿真驗(yàn)證

運(yùn)算放大器有一個(gè)線性工作區(qū)和兩個(gè)非線性工作區(qū).

3.2.1 驗(yàn)證線性關(guān)系

當(dāng)R1=100 Ω和Rf=1 kΩ時(shí)，uo=-10ui.Multisim仿真電路及示波器顯示結(jié)果如圖3所示.輸入電壓ui=sin(2π×103t)V，由圖形關(guān)系可知，輸入達(dá)到最小值時(shí)輸出達(dá)到最大值，輸入達(dá)到大值時(shí)輸出達(dá)到最小值，輸入輸出之間相位相反.由測(cè)試數(shù)據(jù)，ui=-933.554 mV時(shí)uo=9.925 V得，uo/ui=-9.925/0.934≈-10.63，放大倍數(shù)與理論值幾乎一致，在誤差允許的范圍之內(nèi).

當(dāng)R1=100 Ω和Rf=1 MΩ時(shí)，uo=-104ui.Multisim仿真電路及示波器顯示結(jié)果如圖4所示.由測(cè)試數(shù)據(jù)，ui=980.156 mV時(shí)uo=-9.811 kV得，uo/ui=-(9.811/0.980)×103≈-1.001×104，由測(cè)試結(jié)果可知，放大倍數(shù)越大，誤差越大，所以在實(shí)現(xiàn)大比例系數(shù)的放大時(shí)，要加強(qiáng)電路的設(shè)計(jì)精度(后續(xù)模擬電子技術(shù)課程中會(huì)加以討論).

圖3 uo=-10ui仿真電路及仿真結(jié)果

圖4 uo=-104ui仿真電路及仿真結(jié)果

結(jié)論：電路在此種連接方式下，運(yùn)算放大器一直工作于線性區(qū)，并可以實(shí)現(xiàn)任意比例關(guān)系.

3.2.2 驗(yàn)證非線性區(qū)的形成

在實(shí)現(xiàn)uo=-10ui關(guān)系的放大電路中，輸入電壓ui=sin(2π×103t)V，加入兩路直流電源VCC、VEE(控制運(yùn)算放大器的最大、最小輸出電壓)，通過輸出波形驗(yàn)證直流電源在運(yùn)算放大電路構(gòu)成時(shí)的作用.

若兩路直流電源為對(duì)稱的±15 V時(shí)，Multisim仿真電路及仿真結(jié)果如圖5所示，此時(shí)最大輸出電壓uo=±9.94 V≈±10 V≤15 V，在誤差允許的范圍之內(nèi)，輸入輸出之間仍然是成比例的正弦波，運(yùn)放仍然工作在線性區(qū).

圖5 直流電源為對(duì)稱的±15 V時(shí)電路圖及仿真結(jié)果

若兩路直流電源為對(duì)稱的±5 V時(shí)，Multisim仿真電路及仿真結(jié)果如圖6所示，此時(shí)最大輸出電壓uo=±5.008 V≈±5 V，輸出波形上下半峰被切掉，輸出電壓波形仍然對(duì)稱，輸入電壓ui≥0.5 V時(shí)，運(yùn)放工作在非線性區(qū).

圖6 直流電源為對(duì)稱的±5 V時(shí)電路圖及仿真結(jié)果

若兩路直流電源不對(duì)稱時(shí)，VCC=15 V，VEE=-5 V，Multisim仿真電路及仿真結(jié)果如圖7所示，由圖中直觀可知輸出電壓波形不再對(duì)稱，此時(shí)輸出電壓uomax=9.942 V≈±10 V，uomin=-4.959 V≈-5 V.輸出電壓正半周期仍然是正弦波形，但負(fù)半周期波峰被切掉，運(yùn)放有部分時(shí)間工作在非線性區(qū).

圖7 直流電源不對(duì)成時(shí)電路圖及仿真結(jié)果

結(jié)論：運(yùn)算放大電路的最大輸出電壓受外加直流電源的控制.

3.2.3 驗(yàn)證負(fù)載對(duì)放大電路的影響

如圖8(a)運(yùn)算放大器本身的輸出電阻RO=10 Ω，負(fù)載RL=1 kΩ時(shí)，仿真電路及仿真結(jié)果如圖8(b)、8(c)所示.輸出電壓與輸入電壓之間仍是反相比例關(guān)系，由圖中數(shù)據(jù)可得uo/ui=-9.838/0.983≈-10.008，輸出電壓uo不受負(fù)載的影響.

結(jié)論：運(yùn)放的輸出電阻小，所以其輸出電壓幾乎不受負(fù)載的影響，帶負(fù)載能力強(qiáng).

圖8 負(fù)載對(duì)輸出電壓的影響電路圖及仿真結(jié)果

4 結(jié)語

教學(xué)過程與Multisim仿真研究融合一起，降低了理論教學(xué)的難度，原理直觀明了，能加深學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解應(yīng)用，教學(xué)效果較好.由此，在后續(xù)的教學(xué)過程中，與實(shí)踐聯(lián)系緊密的知識(shí)點(diǎn)，均可試著嘗試將仿真輔助理論分析，排解理論與實(shí)踐脫節(jié)的難題.在運(yùn)算放大電路的講解過程中引入Multisim仿真，前期將運(yùn)算放大器器件特性和應(yīng)用特點(diǎn)了解清楚，方便后續(xù)課程模擬電子技術(shù)課程中對(duì)運(yùn)放放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)(差分放大電路、偏置電路、互補(bǔ)輸出級(jí)等)[10]的深入學(xué)習(xí).