multisim11在电子技术教学中的应用

电子技术课程是电子信息类专业的主干课程。我院的电子技术课程有电工电子技术、电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、通信电子线路等，这些课程的实践性强，理念抽象，内容庞杂，教学难度大。基于工作过程的教学改革实现了“教学做”一体化，让学生在做中学、学中做。而把multisim11仿真软件运用在这种一体化的教学之中，能够使课堂教学变得直观生动，省时省事，提高教学效果；软件的应用成为学生自主学习的动力，加强了学生应用电子技术的能力，激发了学生的创新潜能。

一、multisim11仿真软件的主要特点

multisim11仿真软件是一款界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用的优秀EDA软件，它的主要特点有：（1）集成化的设计环境。利用计算机模拟真实的电子实验室工作平台，平台上电子元器件、实验仪器设备可以任意调用，直接在平台上完成电路构建、检调分析任务。（2）拥有丰富的元器件和齐备的虚拟仪器。元器件库存储了一万多种类型的元器件，无源器件、有源器件，分立元件、集成元件，还可自建元器件库增加新的元器件，很多元件采用实际模型，增强了仿真的真实性。虚拟仪器有电源，几种类型的信号发生器，数字万用表，多种类型的示波器，多种类型的分析仪，多种检测探针，逻辑转换仪等等，有的仪器的面板与实际的仪器一模一样。（3）分析功能强大。multisim11为电路的仿真分析提供了十几种分析方法，足以满足学生对电路仿真分析与设计的需求。（4）多种仿真功能。该软件不局限于电路的虚拟仿真，还有其他的应用和仿真功能，如LabVIEW虚拟仪器，单片机仿真，电路板设计等等。

二、应用特殊仪器，提高电路整体分析教学效果

multisim11的虚拟仪器仪表工具除包揽了一般电子实验室常用的测量仪器之外，还拥有一般电子实验室中不太可能配置的仪器，例如：跨国公司安捷伦的高档测量仪器，美国“泰克”公司的高性能4通道数字存储示波器，字信号发生器等等。将这些特殊先进的仪器，运用在电路结构和原理的教学之中，能够使显示明朗化，观察整体化，测试综合化，有利于提高教学的质量和效果。例如：用4通道示波器分析整流滤波电路如图1所示，电路组成是：市电经变压器降压，经桥式整流π型滤波后将直流电压加在负载上。在实验室也只能用双通。

图1 整流滤波电路仿真电路图

图2 整流滤波电路的仿真输出波形

通道示波器分别观察四个部分的波形，再根据波形推算测量值。而用4通道示波器，从输入到输出同时观察市用交流电幅度较大的正弦波，降压后幅度较小的正弦波，整流后的m型脉动直流波形和经π型滤波后平滑的直流电波形（如图2所示），使学生能在屏幕上直观地看到各个功能电路对电压（或电流）波形的转换情况，整个电路对波形的变换情况一目了然，对比鲜明，电路特性易于掌握。用鼠标移动测量探针，能够直接显示电路的电压和电流的读数，快捷精准，提高教学效率。

三、模块化仿真教学设计，突出重点，分化难点

有些功能电路的原理性电路较简单，而实际电路的设置和调节却较复杂。采用模块化的仿真作为引导，使学生明确电路的功能特性，把握重点和关键。再对照原理电路对各部分进行设置和调节，以实现电路的功能，分散和化解难点。现用模拟乘法器调幅为例，说明该方法在教学中的运用。

multisim11的元器件库中模拟乘法器没有列画出全部引脚，只列画有输入、输出等概念性的引脚，利用这一点对电路结构进行模块化仿真，把握调幅电路的结构的关键点。先用安捷伦信号发生器和安捷伦示波器进行连接，开启仿真按钮，打开两个仪器并对其调节，使之能在示波器上显示调幅波的波形。动态的调幅波形鲜明地显示了调幅信号的特性。接着用模拟乘法器来组建仿真电路。按产生普通调幅波的原理图做成的仿真电路图如图3所示。载波信号uL接入X输入端，调制信号us与直流电压UQ串联后接入Y输入端。开启仿真按钮，在示波器上就能看到输出端的普通调幅AM信号。卢厚元：multisim11在电子技术教学中的应用十堰职业技术学院学报 2013年第3期 第26卷第3期

图3 普通调幅仿真电路

而在实际中按此原理电路所接的调幅电路却较复杂。例如用集成电路实现的调幅电路如图4所示。该电路所用的是相乘器LM1496，按原理图进行普通调幅电路的设计和连接。

图4 用模拟相乘器制作的振幅调制电路

首先利用12V和负8V电源为集成电路提供偏置，8、10脚为载波输入，其直流电位U8≈U10≈6V，1、4脚作为调制信号输入U1≈U4≈0V，而设置直流电压UQ是靠调节1、4两脚之间的电位器的滑片使1、4两脚之间存在电位差来获得的。产生AM信号的具体步骤：第一步：从信号发生器产生465KHZ600～800mV的正弦波作为载波信号，经电容加入8、10脚，将1KHZ的正弦波信号经电容输入1、4脚作为调制信号，在输出端6、12脚接示波器观察输出的调幅信号；第二步：开启电源，在乘法器上加入恰当的偏置，暂时将调幅信号的幅度调到0，调节电位器W1使示波器上有载波的输出，此时相当于在乘法器的Y输入端加入了直流电压源UQ，经此调节情况下的载波属于未被调制的状态，输出应是等幅的正弦波；第三步：调节调制信号的幅度，使其从0（此时的调幅度ma=0）逐渐增大，在输出端就会观察到调幅信号的波形，而且调制信号幅度越大调幅度就越大，经历调幅度ma=1之后进入过调状态ma>1；第四步：在学生动手调节的基础上，介绍调幅的实质、实现调幅的方法，介绍调幅信号的特点以及在实际调制过程中的要求，例如要求调幅度ma≤1以防止过调造成的失真。这样的模块化的仿真电路教学设计，突出了功能电路的框架和知识的重点，抓住了信号变换的关键点。而实际应用中的载波及调制信号输入端口的电位设置、直流电源UQ的产生方式、调幅度及其调节技巧等这些难点内容，在模块化的仿真电路的引领下，被逐一分解了。

四、仿真与实际应用对比教学，加强对知识的理解与探索

multisim11电路仿真实验室的元器件和仪器性能优良，工作环境无干扰、无噪声，仿真结果是理想的。而实际的电路在工作时却要受到各种因素的影响和制约，如元器件性能的优劣和参数的离散性、工作条件和环境的稳定性、线路的分布参数等因素都会影响着电路的工作状态，其结果与仿真的结果将存在着差异。在教学中有意利用二者之间的差异进行对比，有助于传授新知识，提高课堂质量。例如：用仿真构建由集成运放构成的反向比例运算电路，在输入信号（用直流信号效果明显些）不大时，输出与输入遵从反向比例运算的规律，当输入信号幅度较大时输出为饱和值，其大小为提供给集成运放的工作电压（如±12V）。而在对实际电路的教学中出现了这样的情况：组建的反向比例运算电路与仿真电路相同，集成运放的工作电压±12V已提供，输入的信号幅度无论多大，输出信号的幅度总是11V。借助仿真与实际电路结果的差异分析，引出集成运放的开环应用与闭环应用这一新的学习内容。首先找出实际电路连接中存在的问题，再讲授饱和输出电压与仿真电路中的不一致所涉及到的功放电路的知识。第一步分析实际电路的结构错误，介绍集成运放开环与闭环应用的相关知识。现象表明电路处于开环状态，所以输入信号幅度即使小到趋近于0，输出都是饱和值，问题出自反馈通道，经查是反馈通道有一根连线断开了，若不用万用表去检查而凭眼睛观察是不能发现的。此错误的出现使电路变成了反向电压比较器，可讲授集成运放开环应用的特性，强调反向比例运算电路应接成负反馈，使集成运放工作在闭环状态。第二步：电路故障排除后，再讨论实际电路的饱和输出与理想输出（仿真输出）的1V之差，由此引出集成运放的电路组成，通常其内部输出级为功放电路，其管压降不可忽略，令其管压降为零是一种理念状态。利用仿真电路与实际电路运行结果之间存在的差异，有目的地引人新概念、学习新知识，训练学生发现问题和处理电路故障的方法能力。

五、运用仿真训练，提升知识技能

将multisim11运用于教学的目的就在于辅助完成课程基本知识的学习任务，培养学生应用和设计电路的方法能力。为此在教学时要把仿真的“做”和“教”与“学”有机地结合起来，把仿真作为学习任务的一部分要求学生完成。训练的层次可分为基础性仿真和设计性仿真训练。训练分为三个阶段，第一阶段：开始接触软件，在老师的指导下，选一些简单的结果可以感受到的电路进行仿真。培养应用仿真软件的兴趣。multisim11仿真软件所建立的就是计算机虚拟仿真实验室，元器件能随心所欲地调出来使用，3D元件与实物一模一样，显示元件能使电路功能“看得到，听得见”，选择这样的电路让学生去仿真，使做的效果立竿见影，能够有效地激发学生应用软件的兴趣。第二阶段进行基本的原理性电路的仿真训练，旨在掌握基本功能电路的结构和原理，了解电路的作用和性能指标。根据老师事先提供的电路及参数制作仿真电路，引导学生进行仿真分析。这一阶段的学习训练是至关重要的，它为接下来的实际电路的制作与分析打基础。目前电子技术的教学不能过度依赖于集成度较高的实训设备，例如成套的实验台、实验箱，其电路元件通常被集成到模块内“不露面”，只留一些检测或调试点；有的虽然能看到元器件，但其极性和引脚已经作了标注，无需让学生动脑去识别，如三极管的三个电极标注字母E、B、C，在这样的实验设备上去完成学习任务只能起到事倍功半的效果。组建仿真电路就能避免上述现象的产生。在教学中让学生完成仿真工作后，实际的电路也是做出来的，在掌握电路的结构原理的同时还能学习电子元器件的检测以及电子装配工艺，包括电子焊接技能，电磁兼容知识等等。整个教学循序渐进，从仿真电路的绘制，仿真分析到硬件电路的实际装配和调试检测，完成一系列完备的训练，极大地提高学生对电路技术的应用能力。第三阶段是进行设计性的仿真训练。进行电路设计性仿真，目标是使学生熟练掌握基本电路的功能结构，学习电路设计的基本方法，能设计出基本的应用电路满足实际需求，培养探索性学习习惯。具体的做法是：（1）电路的某一功能可以用不同形式的电路实现，培养学生对基本电路的运用能力。（2）对电路元件参数的设计。要实现电路的功能，仅电路结构正确还不行，电路元件的参数设置还要恰当。引导学生进行电路的计算，完成元器件的选配且在仿真中验证，把对知识的被动接受变成对具体应用需求下的探索性学习，极大地提高了学习的主动性和学习效率。（3）电路性能的优化，提高成本意识。例如：利用组合逻辑电路实现某一电路功能，要求学生使用的电路种类和集成电路的数量尽可能地少。（4）结合实际条件设计电路。基于工作过程的教学，我们采用了先仿真再制作的方法，仿真电路构建时可以先进行理想化的设计，即只考虑元器件的核心参数（如三极管的管型、电阻的阻值）而不考虑其他因素（如三极管的功率，该电阻的阻值在实际中的有无），以实现电路的功能。接下来根据实训室条件和真实元件的实际情况对所设计的电路进行修改，使设计出的电路能够进行硬件电路的制作。我们实现了实训室与电子创新中心的资源共享，学生可以选用它们所有的元器件（当然会尽量丰富元器件的种类）。设计电路还要考虑真实元器件的实际情况，例如电阻元件，在multisim11的元件库中电阻值大小变化梯度很小，几乎是连续的，而实际电阻元件的生产，厂家是按一定的规格进行，例如常见的E24系列，只有24个等级数值，也就是说要考虑设计用到的元件在市场上能否买到。事实上在经历了一定量的训练后，上述两步可并作一步。设计性电路仿真的训练，能使学生熟悉电路分析过程和应用方法，培养联系实际解决问题的能力，激发学生去探索，达到学以致用。

六、结语

基于multisim11电路仿真实验，省时省事，还能弥补实训室资源的不足，为教学提供了方便，提高了课堂质量和效率。教学上我们运用电路仿真侧重在电路的构建与电路性能分析上，电路仿真一般安排在硬件电路制作之前，以提高实际制作的成功率。不过，虚拟仿真只能作为教与学的一个手段，它并不能代替真实电路的制作与分析。因此要把电路仿真恰当地应用在教学环节之中，使电子技术的教学提高到更高水平。

[参考文献]

[1]黄培根，任清褒.multisim10计算机虚拟仿真实验室[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]胡宴如.模拟电子技术[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3]胡宴如.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]杨志忠.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社，2008.