計算機仿真在模擬電子技術課程教學實驗中的應用

1、    計算機仿真在模擬電子技術課程教學實驗中的應用    曹兆樓摘 要： 模擬電子技術教學中增強學生的感性認識，將抽象概念具體化能夠有效提高學生的學習興趣。計算機仿真以直觀地形式展現(xiàn)了模擬電路的特點，便于研究不同參數(shù)對電路的影響，結合多媒體教學教學能夠顯著加深學生對電路分析問題和解決問題的能力。本文介紹了multisim仿真軟件的功能特點，以實際案例說明了如何在教學中應用multisim軟件，從而達到啟發(fā)學生思考的效果。關鍵詞： 計算機仿真；模擬電子技術；教學實驗tn111 引言模擬電子技術課程是光電類學生必修的專業(yè)基礎課程。由于課程同時具有很強的理論

2、性和實踐性，學生不但需要掌握基本的理論知識還要學會基本電子器件的識別應用、常用電子儀表的使用以及具備分析問題和解決問題的能力。課程內容非常豐富，包含了元器件特點、基本放大電路、集成芯片及反饋電路分析設計等。此課程是后續(xù)電類專業(yè)課程的基礎課程，也是學生后續(xù)在電學方向發(fā)展提高的關鍵。但傳統(tǒng)的課堂教學側重于理論體系的系統(tǒng)及完整，只能提供給學生抽象的概念，導致學生只能照著例題去解答習題，忽視了課程的工程實踐性，使得學生無法建構自身對于模擬電路感性的認識和理解。雖然模擬電子技術課程一般均配有實驗課時，但出于安全和成本考慮，實驗內容大多為驗證性實驗，學生照著步驟說明開展實驗，限制了學生探索性的發(fā)展。計算機

3、仿真技術的迅速發(fā)展為課堂教學提供了新的途徑。通過計算機仿真，無需硬件成本即可達到實驗學習的效果，且學生可自行在軟件中搭建電路、改變參數(shù)來探索電路特性，發(fā)揮其主觀能動性。multisim為美國national instruments公司開發(fā)的電路仿真軟件，操作方便，電路形式形象直觀，用戶可自行設計電路，分析結果1，2，包含了原理圖分析和pcb分析兩模塊，教學中主要側重于原理性驗證，因此主要使用原理圖分析模塊，對于有求知欲的學生，可鼓勵其自學pcb分析模塊。在課程中我們基于multisim軟件開展了一系列教學實驗，幫助學生加深了對電路的理解。本文以共射放大電路的特性分析為例進行說明2 multis

4、im仿真基于multisim仿真的前提是合理建模電路，multisim軟件本身提供了一系列的電子器件，由于共射放大電路中均為常用器件，因此我們使用multisim自帶器件，電路圖如圖1所示，主要包含電壓源、信號源、晶體管、電容電阻及測量設備如萬用表、示波器及頻譜分析儀等，選定器件后按照共射放大電路原理連接好對應器件即可，其中頻譜分析儀及示波器的均是"+"級接需測量的信號，"-"極接地。圖1 共射放大電路建模靜態(tài)工作點的合理設置是放大電路正常工作的前提，按照圖中參數(shù)的設置，將交流電壓源幅值設置為0 v，使用虛擬萬用表進行測量：uce = 6.35 v， i

5、bq = 8.23 a， icq = 1.61 ma。 uce的范圍決定了電路輸入信號的動態(tài)范圍，本電路中uce接近vcc/2 = 6v，盡可能拓寬了輸入信號范圍。學生可通過改變元器件參數(shù)可調整靜態(tài)工作點，加深了解。我們進一步分析了電路的動態(tài)特性。電路的放大倍數(shù)在選定晶體管型號后主要有負載電阻r3決定，可使用雙蹤示波器或頻譜分析儀進行分析。將示波器通道的正負極接到需要測量的信號節(jié)點上，雙擊示波器調整時間軸及通道a、b的比例可觀察波形。當輸入信號幅值較小時，輸出信號較好的保持了正弦波的形狀，但由于共射放大電路的特點，兩者之間存在反相的關系。隨著輸入信號幅值的增大，受到靜態(tài)工作點的限制，輸出信號可

6、能出現(xiàn)失真，本電路中首先出現(xiàn)了截止失真，即輸出信號的最大值達到了vcc，無法繼續(xù)增大。當r3 = 3 k時，中頻放大倍數(shù)為39 db。設置r3分別為1 k及5 k時，中頻放大倍數(shù)分別為33 db及41 db，顯然r3增加時電路放大倍數(shù)增加。為了分析靜態(tài)工作點對失真特性的影響，我們將r2設置為10 k，此時uce = 0.65 v。顯然此時隨著輸入信號的增加，輸出信號將首先達到0 v，意味著此時晶體管的集電極與發(fā)射極近似短路，電路達到飽和狀態(tài)，發(fā)生了飽和失真。放大電路的頻率特性由多種因素決定，包含了輸入輸出耦合電容，旁路電容及晶體管的結電容，分析頻率影響時可改變輸入信號源的頻率，通過觀察示波器中

7、波形幅值計算電路的放大倍數(shù)實現(xiàn)，但較為繁瑣，使用頻譜分析儀可直接獲得波特圖。一般電路下截止頻率由輸入輸出耦合及旁路電容決定，上截止頻率由晶體管結電容決定。觀察波特圖，通過移動光標可知本電路中下截止頻率約為10 khz，上截止頻率約為3 mhz。為了進一步了解電容對電路頻率特性的影響，我們首先將c3設置為2 f，c1及c2設置為1 f，此時電路的下截止頻率約為4.9 khz，上截止頻率約為3 mhz。然后將c1及c2設置為2 f，c3設置為1 f，此時電路的下截止頻率約為10 khz，上截止頻率約為3 mhz。可見下截止頻率主要決定了旁路電容，而與輸入輸出電容的關系不大。上截止頻率則不受到外部電容的影響，主要決定于晶體管本身的結電容。模擬結果有效體現(xiàn)了書本知識，能夠幫助學生更加直觀的理解模擬電路的結構特點，具有較好的教學效果。3 總結本文以實際案例說明了如何在講解共射放大電路時使用multisim軟件進行輔助。在軟件中我們可以實際改變元件值觀察其對電路的影響，幫助學生較為直觀地理解放大倍數(shù)、失真及頻率特性的特點，學生也可自行改變電路，發(fā)揮其主觀能動性，而不是被動的學習。經(jīng)過兩個班級的實踐，取得了較好的效果。參考文獻1 李文秀