教學做一體化的模電課堂——基于Multisim軟件的運用

王 凱

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學院，河南 鄭州 450000)

0 引言

1 目前的教學情況

模擬電子技術理論性、實踐性很強的專業(yè)基礎課，內容繁雜、抽象難懂，要求學生對各個元器件的參數(shù)以及不同元器件的組合會呈現(xiàn)什么樣的特性有充分了解。這門課程往往在大一開設，很多學生對這些元器件初次接觸，在并沒有很好了解的情況下，面對大量的公式推導和乏味的理論分析逐漸對該課程失去了學習興趣。目前的教學模式，先進行理論學習，期末再進行典型實驗的驗證。這中間時間間隔太長，導致實驗不能及時幫助學生理解、驗證理論，到做實驗時理論已經忘的差不多了。甚至出現(xiàn)上課聽不懂，實驗不會做的惡性循環(huán)。應充分發(fā)揮該課程實踐性強的優(yōu)勢來解決這一問題，引入新的教學模式，激發(fā)學生的學習積極性和創(chuàng)造性。

2 教學與Multisim結合的必要性

美國的模塊化教學以及創(chuàng)新實驗室的使用充分鍛煉了學生的動手能力，讓學生在實踐中發(fā)現(xiàn)規(guī)律掌握知識。而我們的傳統(tǒng)理論式教學無法讓學生體會到該課程的真正魅力以及在實際中的應用。隨著電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展，EDA軟件的出現(xiàn)，電子設計已經由傳統(tǒng)的“手工設計”階段發(fā)展到“計算機輔助設計”階段。Multisim界面簡潔，操作簡單，元件庫豐富，適合模電教學的使用，將Multisim引入《模擬電子技術基礎》的課程教學，讓學生在課堂學習的同時看到各個器件的特性、電流通過各個器件的各種變化及其仿真結果。增強了學生對新事物的感性認識，激發(fā)了學習興趣。從實驗教學的角度看，在電子技術高速發(fā)展的今天，各種新型器件，芯片不斷更新?lián)Q代。由于實驗室受客觀條件的限制，不僅不能及時的提供最新的元器件，而且存在儀器和元件的損壞問題，教學效果不理想。利用Multisim軟件進行模擬電子技術的輔助教學，可以很好的解決這些問題。

3 Multisim軟件介紹

NI Multisim是一款著名的電子設計自動化軟件，與NI Ultiboard同屬美國國家儀器公司的電路設計軟件套件。Multisim在學術界以及產業(yè)界被廣泛地應用于電路教學、電路圖設計以及SPICE模擬。適用于板級的模擬、數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

Multisim的主要功能與特點：

1）直觀、方便的人機界面。電路的創(chuàng)建、器件的選用和虛擬測試儀器均可方便的選取，而且虛擬測試儀器齊全，外管與實物相似，操作如同真實設備一樣。

2）擁有龐大的元件庫，、更新及時。增強了仿真電路的實用性，同時可以由用戶自己新建或擴充已有的元件庫，所需參數(shù)可從廠家的產品使用手冊中查到。

3）強大的電路分析能力。能夠完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域和頻域分析等電路的分析方法，從而幫助設計人員分析電路的性能。

土壤是種子生根發(fā)芽的重要基礎條件，但依據(jù)多樣化的傳播形式，隨機掉落至地面之上。很多種子在適合的環(huán)境中生產，植被逐漸的狀態(tài)，但也有很多種子掉落至比較惡劣的環(huán)境之中，在土壤中逐漸消亡，在此，仍有一部分種子會處于休眠狀態(tài)中，被稱之為土壤種子庫。很多動物以種子為食，在環(huán)境要素與生物要素影響下，部分種子萌芽，部分種子消亡，很多休眠中的種子成為了植被恢復更替的內在動力。質量比較小的種子具有持久種子庫的優(yōu)勢。因此，植被在種子階段時，種子庫為植被的恢復與更新創(chuàng)造了良好的條件，長期保存著種子的活力，并在適宜的環(huán)境中發(fā)揮其生態(tài)意義。

4）適用范圍廣?？梢酝瓿呻姽る娐?、模擬電路、數(shù)字電路及射頻電路等?？蓪Ψ抡骐娐犯鱾€元器件設置不同故障，觀察不同故障下的電路工作狀況。仿真的同時，軟件可以存儲測試的所有數(shù)據(jù)、測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形。

4 Multisim在《模擬電子技術基礎》課程教學中的應用方案

在教學中，安排部分學時為上機課，Multisim作為理論聯(lián)系實踐的橋梁，一方面可以加深對理論知識的理解，另一方面為動手實踐做好鋪墊，讓教、學、練有機的結合起來。

1）針對“教”

教學中可以將理論教學與仿真環(huán)節(jié)同時進行，邊將邊用軟件構建電路。Multisim的元件庫中提供了數(shù)千種實際元件和仿真元件供選用，繪制電路圖非常方便，元件參數(shù)可根據(jù)需要更改。繪制完成后進行仿真，使抽象的概念形象化。對所講電路進行即時分析，各個元件的工作過程生動形象的展示在屏幕上，具有極好的演示效果，提高模擬電路課程的趣味性和直觀性。使學生始終保持極高的學習興趣。

如：利用Multisim觀察半導體二極管的單向導電性

在Multisim中構建二極管電路，如圖1（a）所示，圖中VD是虛擬二極管，輸入端加上最大值Uim=4，頻率為1kHz的正弦波電壓，接入一臺虛擬示波器XSC1，這是一臺雙蹤示波器，有A、B兩個通道，A端接二極管電路的輸入端，B端接電路的輸出端，如圖1（a）所示。

圖1 二極管仿真電路

電路仿真以后，可向學生展示示波器，觀察到輸入、輸出波形，如圖1（b）所示。為便于區(qū)別，用較淺顏色色顯示輸入波形，用較深顏色顯示輸出波形。由圖可見，輸入信號是一個雙向的正弦波電壓，而經過二極管以后，在輸出端得到一個單方向的脈動電壓，學生可以直觀的了解二極管具有單向導電性。

2）針對“學”

要求學生學會模擬電子技術方面的基本知識、基本理論，對各自放大電路有一定的認識，可以分析各種放大電路的特點。同時要求掌握Multisim的簡單使用方法。

3）針對“做”

在學生掌握一定的模電知識和對Multisim比較熟悉后，教師布置一些基礎電路圖，讓學生完成仿真，使學生在完成仿真過程中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，掌握知識點。

如：單管共射放大電路Multisim仿真

指導學生在Multisim中構建單管共射放大電路如圖2（a）所示，電路中三極管的

（1）測量靜態(tài)工作點

讓學生在仿真電路中接入三個虛擬數(shù)字萬用表，分別設置為直流電流表或直流電壓表，以便測量IBQ、ICQ和UCEQ，如圖2（b）所示。

電路仿真后，可測得 IBQ=40.19μA，ICQ=2.007mA，UCEQ=5.979V。

（2）學生觀察輸入輸出波形

圖2（a）中的單管共射放大電路仿真后，學生可從虛擬示波器觀察uI到uO和的波形如圖2（c）所示。突入顏色較淺的是uI的波形，顏色較深的是uO的波形。由圖可見，uO的波形沒有明顯的非線性失真，而且uO與uI的波形相位相反。

將圖2（a）中的虛擬數(shù)字萬用表分別設置為交流電壓表或交流電流表。 由虛擬儀表測得，當 Ui=9.998mA時，Uo=783.331mV，Ii=10.481μA，則

為了測量輸出電阻Ro，可將圖2（a）電路中的負載電阻RL開路，此時從虛擬儀表測得，則

讓學生將以上仿真結果與課堂上所講的估算結果進行比較，發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律。

圖2 單管共射放大電路

5 總結

要在有限的學時內達到較好的學習效果就必須根據(jù)時代的發(fā)展不斷的更新教學方法和教學手段。Multisim是一款郵箱的電路設計與仿真分析軟件，在教學中利用Multisim將模擬電路安排到計算機機房進行授課。讓學生邊學邊練，不僅可以使學生更好的掌握理論知識，還可以進一步培養(yǎng)學生的應用能力、綜合分析能力、排出故障能力和開發(fā)設計能力，更重要的是讓學生掌握知識的同時掌握了一款實用的軟件。將對學生今后的學習乃至工作都有巨大的幫助，學校培養(yǎng)出符合社會需求的高素質人才。

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