基于Multisim模電新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

基于Multisim模電新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索基于Multisim模電新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

中圖分類(lèi)號(hào)：TN710.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-0079〔2022〕36-0184-02

模擬電子技術(shù)課程是研究各種半導(dǎo)體器件的性能、電路及其應(yīng)用的學(xué)科。課程的任務(wù)是使學(xué)生獲得電子技術(shù)的根本理論、根本知識(shí)和根本分析辦法。培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力和初步具備電子線路的設(shè)計(jì)、應(yīng)用能力。該課程是電氣信息類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的技術(shù)根底課程，是一門(mén)理論性與應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程。課程教學(xué)環(huán)節(jié)包括：理論課教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是使學(xué)生掌握常用電工儀器、儀表及設(shè)備的使用，學(xué)生通過(guò)將儀器測(cè)量的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與Multisim仿真結(jié)果比照，分析異同，加深理解、充實(shí)、提高理論知識(shí)。

Multisim仿真很好地解決模擬電子技術(shù)理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一困難問(wèn)題。學(xué)生可以方便地把剛才學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，真正的做到了變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。但由于Multisim是一款軟件模擬，不能真實(shí)地反饋硬件，有時(shí)仿真結(jié)果即便正確，可實(shí)際操作時(shí)卻會(huì)遇到問(wèn)題，且單純的依賴仿真軟件，無(wú)法提高學(xué)生對(duì)各種測(cè)量?jī)x器的操作技能。因此，Multisim只限作為硬件入門(mén)、工程前期選型和仿真分析，筆者倡議在模擬電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用虛擬電子實(shí)驗(yàn)仿真和傳統(tǒng)實(shí)際動(dòng)手操作相結(jié)合的教學(xué)方式，即要求學(xué)生先對(duì)要做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真練習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果，然后進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，最后將仿真的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)的電路數(shù)據(jù)進(jìn)行比擬，通過(guò)查找電子電路故障，分析數(shù)據(jù)誤差的原因，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和解決問(wèn)題的能力。在課程實(shí)訓(xùn)里，學(xué)生在制作實(shí)際電路的時(shí)候，也可先用這些軟件進(jìn)行仿真，通過(guò)不斷的調(diào)試電路的元器件的參數(shù)，得到理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再合理改良電路板的安裝與制作，防止了重復(fù)制作電路板和購(gòu)置元器件，將虛擬抽象的電路轉(zhuǎn)變成看得見(jiàn)摸得著的電路。一旦學(xué)生制作電路板的成功次數(shù)多了，將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)的興趣，提高他們的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

一、Multisim仿真軟件的介紹

Multisim有一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境，具有直觀的圖形界面，龐大的元器件庫(kù)，強(qiáng)大的仿真能力和分析功能，完善的虛擬儀器功能，從而成為各類(lèi)學(xué)校電工、電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首選工具軟件。

Multisim10.0是EWB的升級(jí)，是目前推出的一款高版本的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件。它具有下列一些特點(diǎn)：

〔1〕直觀的圖形界面創(chuàng)立電路。在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)，繪制電路圖時(shí)需要的元器件、電路仿真需要的測(cè)試儀器均可直接從屏幕上選取。

〔2〕軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實(shí)物相似，可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。

〔3〕軟件帶有豐盛的電路元件庫(kù)，提供多種強(qiáng)大的電路分析辦法。

〔4〕作為設(shè)計(jì)工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計(jì)和制板軟件交換數(shù)據(jù)。

二、Multisim仿真軟件在模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助應(yīng)用

針對(duì)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，結(jié)合Multisim仿真軟件的功能特點(diǎn)，在模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，把Multisim軟件仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行輔助，對(duì)改善實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)現(xiàn)狀起到積極的作用。

1.課案實(shí)例

以分析共射極單管放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)為例，表明Multisim仿真軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助作用。共射極單管放大器的實(shí)驗(yàn)電路模塊和仿真電路圖如圖1所示，Vi幅度為10mV，頻率為1kHz的正弦波信號(hào)，開(kāi)關(guān)K1、K2閉合，K3翻開(kāi)，RW可調(diào)電位器取值為5OKΩ。

〔1〕共射極單管放大器電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的仿真測(cè)量。

應(yīng)用Multisim10仿真軟件測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)。

設(shè)置信號(hào)源輸出為0V，翻開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，分別讀出萬(wàn)用表“XMMl〞，“XMM2〞和“XMM3〞的電壓值，如表1所示，仿真數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)?zāi)K的靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量

先用數(shù)字萬(wàn)用表判斷圖2中三極管Q1的是否正常，然后依據(jù)所給的電路圖接線。由于直流工作點(diǎn)的分析是在電路電感短路、電容開(kāi)路的前提下，因此只需將圖2電路對(duì)應(yīng)的直流通路接好即可，輸入信號(hào)可不做處理。實(shí)驗(yàn)?zāi)K實(shí)際的測(cè)量結(jié)果如表2所示。

將仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)結(jié)果比擬

共發(fā)射極放大電路屬于音頻放大電路，或者叫做低頻放大電路，這種電路的頻率特性是對(duì)于50Hz-20000Hz之間的頻率信號(hào)有正常的放大作用。在這個(gè)頻帶以外的頻率不能正常放大。低頻電路通常布線簡(jiǎn)單，電路穩(wěn)定，所以仿真的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)的電路數(shù)據(jù)僅存在較小的誤差，主要原因之一：由于萬(wàn)用表內(nèi)阻的存在，有時(shí)會(huì)使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差；原因二：硅管UBE的導(dǎo)通電壓為0.5V―0.7V，鍺管的導(dǎo)通壓降0.2-0.3V，不同的導(dǎo)通壓降的值也會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差。

〔2〕共射極單管放大器電路靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置對(duì)輸出波形的影響。

轉(zhuǎn)移特性曲線的仿真。建立如圖3〔1〕所示的仿真電路，將電流表I1的起始值設(shè)置為0A，終止值為1A，增加的電流值為0.5A；將電壓表V1的起始值設(shè)置為0V，終止值為12V，增加的電壓值為0.1V。IB和VCE的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3〔2〕所示。仿真后，結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)負(fù)載電阻為3kΩ時(shí)，輸出特性曲線作交流負(fù)載線，估算出Q點(diǎn)的位置。當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，Q點(diǎn)取的過(guò)高，容易產(chǎn)生飽和失真，反之，產(chǎn)生截止失真。調(diào)試實(shí)際電路模塊尋求最正確靜態(tài)工作點(diǎn)：第一步，初調(diào)靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)在斷開(kāi)輸出端，空載下進(jìn)行。首先，調(diào)節(jié)上偏電阻Rw使得VC=9V左右，然后由信號(hào)發(fā)生器在輸入端參加幅度為10mV，頻率為1kHz的正弦波信號(hào)，慢慢增加輸入信號(hào)的幅度，用示波器察看輸出波形VO，會(huì)出現(xiàn)單邊失真。單邊失真分兩種，即截止失真和飽和失真，如圖4〔1〕和圖4〔2〕所示，可調(diào)節(jié)Rw使之打消。截止失真時(shí)示波器的波形會(huì)出現(xiàn)底部削平的波形，原因通常都是，靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的太低，需要調(diào)節(jié)三極管基極增大下拉電阻的阻值，或降低上拉電阻的阻值；飽和失真時(shí)示波器的波形會(huì)出現(xiàn)頂部削平的波形，原因通常都是，靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的太高，需要調(diào)節(jié)三極管基極降低下拉電阻的阻值，或增大上拉電阻的阻值。第二步，再加大Vi，假設(shè)還出現(xiàn)比擬明顯的單邊失真，繼續(xù)調(diào)節(jié)Rw打消之。反復(fù)調(diào)節(jié)，直至加大Vi出現(xiàn)的輸出波形是雙向?qū)ΨQ失真，如圖4〔3〕所示。此時(shí)，減小Vi，使輸出得到最大不失真波形。第三步，關(guān)閉低頻輸入信號(hào)，測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)，即為最正確靜點(diǎn)。

〔1〕單邊失真〔截止失真〕

〔2〕單邊失真―飽和失真

〔3〕雙向?qū)ΨQ失真

圖4失真波形

分析仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果。仿真和實(shí)測(cè)均能很好反映靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)輸出波形的影響，即靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)高，那么輸出的波形飽和失真；靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)低，那么輸出的波形截止失真。最正確靜點(diǎn)確實(shí)定，仿真與實(shí)測(cè)值會(huì)存在一定的誤差，其原因主要是由于溫漂引起。

2.Multisim仿真技術(shù)應(yīng)用于模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

〔1〕在不增加實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)的前提下，可實(shí)現(xiàn)Multisim仿真技術(shù)與模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生先做仿真實(shí)驗(yàn)，察看“實(shí)驗(yàn)結(jié)果〞，然后帶領(lǐng)問(wèn)題做實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

〔2〕Multisim提供了兩種電路的分析辦法：一種是虛擬的儀器儀表測(cè)量，另一種是仿真電路的分析工具。仿真軟件的使用可以提前讓學(xué)生熟知實(shí)驗(yàn)需用的儀器儀表及測(cè)量的理論結(jié)果，從而提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

〔3〕在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生采用仿真技術(shù)可設(shè)計(jì)不同的計(jì)劃，使設(shè)計(jì)更靈活，從而提高學(xué)生的應(yīng)用設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

〔4〕按照“理論教學(xué)――軟件仿真――實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)〞的教學(xué)模式，可以改善學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的能力，通過(guò)虛擬的儀器儀表將實(shí)驗(yàn)的理論結(jié)果再現(xiàn)，使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)能有的放矢。

〔5〕Multisim拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，豐盛了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的辦法。

三、結(jié)束語(yǔ)

模擬電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Multisim仿真，可以使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的性更強(qiáng)，通過(guò)仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果比擬三環(huán)節(jié)，能有效地培養(yǎng)學(xué)生察看分析、方案組織和問(wèn)題解決的能力。Multisim仿