Multisim在電類專業(yè)課程中的應(yīng)用研究

郭 華， 郭 霞，田 超

（西安交通大學城市學院電氣與信息工程系，陜西西安,710018）

0 引言

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，軟件仿真已成為教學中必不可少的手段。重視仿真軟件的應(yīng)用不僅可以使理論教學更加形象生動，也可以培養(yǎng)學生的探索、創(chuàng)新能力，彌補實驗設(shè)備的不足。

電類專業(yè)課程的仿真軟件多種多樣，如Multisim、Pspice、TINA、Protel、Protues、Matlab等等。各門課程在選擇仿真實驗時，通常根據(jù)課程特點選用軟件，不同軟件的學習至少占用4~6學時，再進行相應(yīng)的硬件實驗。因此在有限的軟硬件學時中，仿真軟件的學習時間大約要占去三分之一到四分之一，實驗效率比較低。若能夠找到一種簡單易學的軟件，涵蓋多門專業(yè)課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課，則可節(jié)省時間、事半功倍。待專業(yè)知識鞏固之后，再去拓展多種軟件。

作者根據(jù)總結(jié)教學經(jīng)驗進行教學改革，選擇適合的Multisim仿真軟件應(yīng)用于電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動控制原理、高頻電子線路、電力電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課中，取得良好效果。

1 Multisim在模擬電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用

Multisim是NI公司推出的原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。它提供數(shù)千種電路元器件；虛擬測試儀器儀表種類齊全，既有一般實驗用的通用儀器，還有一般實驗室少有或沒有的儀器，可以完成各種類型的電路設(shè)計與實驗；并具有較為詳細的電路分析功能。實驗中不消耗實際的元器件，實驗所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，實驗成本低，效率高；便于電子信息、通信工程、自動化、電氣控制類專業(yè)學生自學、開展綜合性的設(shè)計和實驗，有利于培養(yǎng)綜合分析能力、開發(fā)和創(chuàng)新的能力。

模擬電子技術(shù)課程中從分立元件到集成芯片的設(shè)計都可以在Multisim元件庫中找到較為合適的器件，根據(jù)繪制好的電路進行相應(yīng)的靜態(tài)和動態(tài)分析。圖2.1.1是一個典型的基極固定分壓的共射極電壓放大電路。圖中XFG1為信號源，XSC1為雙通道示波器。靜態(tài)工作點的位置會影響電路的動態(tài)性能指標，可給基極分壓電阻RB1串聯(lián)一個電位器R1，隨時調(diào)節(jié)電位器的大小，改變靜態(tài)工作點的位置。

Multisim中的“DC Operating Point”選項可顯示靜態(tài)工作點。分析電路的動態(tài)性能指標使用“AC analysis”選項，圖2.1.2為圖2.1.1所示電路的頻率特性。移動光標可以找到對應(yīng)相位180o的幅值，即理論計算時的中頻區(qū)電壓放大倍數(shù)，輸出電壓與輸入電壓的相位相差180o。若將此時的放大倍數(shù)下降3dB，則對應(yīng)頻率值即為區(qū)分低、中、高頻的上下限截止頻率。

2 Multisim在自動控制原理實驗中的應(yīng)用

自動控制原理的理論教學中利用典型環(huán)節(jié)的數(shù)學特性分析自動控制系統(tǒng)的物理意義。如果僅利用Matlab仿真，繪制根軌跡或波特圖，只能從數(shù)學角度分析，其物理意義不明。因此，可借鑒Multisim的電路分析功能，搭建電路模擬典型環(huán)節(jié)，再根據(jù)電路特性進行分析計算，有助于學生對理論知識的理解。

由集成運放、電阻、電容組成的兩個慣性環(huán)節(jié)，也可以看作一個振蕩環(huán)節(jié)。利用Multisim自帶的波特圖儀可看到電路的頻率特性曲線：點擊按鈕“Magnitude”顯示幅頻特性，點擊按鈕“Phase”顯示相頻特性，如圖2.2.1所示。振蕩環(huán)節(jié)的幅頻特性分為兩部分：低頻段與零分貝線重合，高頻段為斜率–40dB/dec的一條斜線；兩部分的交點對應(yīng)頻率為轉(zhuǎn)折頻率。相頻特性在0o~ –180o之間，轉(zhuǎn)折頻率處的相位為–90o。用戶可調(diào)節(jié)橫縱軸的顯示范圍，讓圖形更便于觀測。

3 Multisim在高頻電子線路中的應(yīng)用

因分布參數(shù)的影響，高頻電路實驗比模擬電路實驗和數(shù)字電路實驗復(fù)雜得多，分析和理解更加困難，可能會因為一個元件的放置位置或?qū)Ь€的布線等使測試結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差；因此，完成一個實驗的時間較長。利用Multisim可延長學生實驗時間，提高實驗室的利用率，彌補傳統(tǒng)實驗教學的不足。

例如，采用乘法器組成AM調(diào)幅電路。利用Multisim自帶的頻譜分析儀能夠觀察輸出頻譜，示波器觀察調(diào)幅波形，如圖

2.3.1 所示。由頻譜分析儀面板右下方可以看到， 指針當前所處頻率為20KHz，此時載波分量幅值最大。調(diào)幅波中有3個頻率分量：載波分量、上邊頻分量和下邊頻分量。運行仿真電路，改變調(diào)制信號的電壓，可以觀察調(diào)幅度對波形的影響。

圖2.1.1 基極固定分壓的共射極電壓放大電路

圖2.1.2 共射放大電路的頻率特性

圖2.2.1 振蕩環(huán)節(jié)的幅頻特性和相頻特性

圖2.3.1 AM調(diào)幅電路輸出頻譜和調(diào)制解調(diào)信號

4 結(jié)論

通過此項教學改革，節(jié)省了實驗學時；同時學生熟練應(yīng)用軟件，解決問題的效率隨之提高。教學改革之后，除模電實驗需要全面引入Multisim軟件，需6學時授課時間外，其他實驗均可根據(jù)具體課程與仿真軟件結(jié)合的特殊應(yīng)用講解2學時即可，節(jié)省出6學時左右。

實踐證明，Multisim中豐富的電路分析功能可適用于多門電類課程的仿真實驗。將Multisim 應(yīng)用于電類專業(yè)課程教學中，可以免受實驗教學內(nèi)容和儀器儀表的限制，豐富實驗內(nèi)容，拓展實驗教學的空間和時間。另外，仿真軟件的使用激發(fā)了學生的學習興趣， 提高學生的自學能力和創(chuàng)新意識。

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