Multisim在“模擬電子技術(shù)”項目式教學(xué)中的應(yīng)用

李娟娟，凌 云，張 飛

(蘇州大學(xué) 1.電子信息學(xué)院， 2.計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215006)

0 引言

美國國家儀器NI公司推出的最新版本Multisim 11是一款功能強大且具有創(chuàng)新內(nèi)涵的虛擬仿真軟件，可用來克服在傳統(tǒng)電子學(xué)教育上遇到的很多障礙和問題［1］。

本課題采用Multisim 11并結(jié)合它的最新特性:虛擬接口—On-Page Connector和 Global Connector等，為高職高專電子類專業(yè)“模擬電子技術(shù)”課程開發(fā)了相應(yīng)的虛擬仿真項目，可用于該課程的課堂教學(xué)、綜合實訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計以及頂崗實習(xí)學(xué)生再學(xué)習(xí)和答疑等方面，融“教，學(xué)，做 ”為一體，改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法和模式，以彌補電子類專業(yè)教學(xué)中實踐和課堂教學(xué)脫節(jié)等問題。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式和方法的革新

傳統(tǒng)教學(xué)中，電子產(chǎn)品設(shè)計采用如下的方法。

(1)構(gòu)思和繪制電路原理圖，采購元器件，在萬能板或?qū)嶒炁_上搭建和焊接電路;

(2)加直流電源后進行調(diào)試，使用萬用表測量電路靜態(tài)工作點是否正常，從信號源輸入測試信號，采用示波器觀察電路輸入和輸出波形等。

(3)經(jīng)反復(fù)試驗和調(diào)整，得到最后樣品。

采用虛擬仿真軟件Multisim 11教學(xué)后，電子產(chǎn)品設(shè)計方法進行了如下改革。

(1)構(gòu)思電路原理圖，用Multisim 11軟件繪制原理圖;

(2)利用軟件中的萬用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器和邏輯分析儀等虛擬儀器仿真該電路圖。若電路出錯，仿真軟件會提示錯誤，只要關(guān)閉仿真開關(guān)即可修改。反復(fù)調(diào)換元器件，改變信號強弱，直到電路達到設(shè)計要求為止;

(3)利用Multisim 11所提供的多種電路分析方法，對設(shè)計的電路進行最佳工作點分析、溫度影響分析和失真度分析等性能測試，直至所有條件滿足設(shè)計要求;

(4)根據(jù)仿真成功的電路設(shè)計圖繪制電路板，焊接調(diào)試，最后制成樣品;

如果構(gòu)思的電路原理并非正確可行，就不能冒然通電試驗。我們即使采用了一些限流和限壓等保護措施，在第一次通電時，很可能元件瞬間燒毀，重則貴重儀器報廢。

上述改革說明，我們采用Multisim 11設(shè)計電子產(chǎn)品，具有安全系數(shù)高、投入設(shè)備少、周期短和性能優(yōu)等優(yōu)勢。

2 以項目為載體的教學(xué)應(yīng)用

2.1 教學(xué)項目設(shè)計

為了更好地確定虛擬仿真項目，課題組成員深入蘇州高新工業(yè)區(qū)創(chuàng)業(yè)園和蘇州德奧電梯有限公司等單位進行調(diào)研，了解企業(yè)所需人才的知識結(jié)構(gòu)和能力素質(zhì)并與企業(yè)達成了校企合作協(xié)議。該協(xié)議內(nèi)容包括:訂單式培養(yǎng)、建立校內(nèi)外實訓(xùn)基地、學(xué)生頂崗實習(xí)和成立專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會等。

企業(yè)需要學(xué)生具備如下的專業(yè)能力:①電子裝配和制作能力;②利用模擬和數(shù)字電字技術(shù)基本理論分析、調(diào)試和維修簡單電路的能力;③使用計算機輔助設(shè)計軟件繪制電路圖和設(shè)計線路板并進行仿真等能力。

課題組研究和制定了Multisim 11在“模擬電子技術(shù)”教學(xué)中的虛擬仿真項目，并打破課程原有教學(xué)節(jié)拍，不再按照原有課程的章節(jié)一一講授，而是將各部分知識分解成一個個知識點。為了完成一個項目抽取每個部分的不同知識點加以組合，我們將項目安排由簡到繁，由易到難，將重要知識點在實施過程中加以強調(diào)，便于學(xué)生更好地理解。這種項目式教學(xué)安排如表1所示［2］。

表中五個教學(xué)項目都有明確的實施步驟。下面我們以“簡易正弦波發(fā)生器”這個項目為例，討論結(jié)合Multisim 11展開項目教學(xué)法。

表1 “模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)項目設(shè)計

2.2 項目實施步驟

(1)確定項目任務(wù)，編寫項目任務(wù)書。該項目由2個學(xué)習(xí)任務(wù)構(gòu)成:①振蕩電路的種類及識別，主要由教師講解;②簡易正弦波發(fā)生器的設(shè)計及制作，由學(xué)生在教師的指導(dǎo)下分小組完成;

(2)布置項目，分發(fā)項目任務(wù)書，講解項目要求，使各小組明確學(xué)習(xí)任務(wù)和要求;

(3)教師審核學(xué)生的活動計劃與方案后，完成“簡易正弦波發(fā)生器”的設(shè)計及制作。學(xué)生需要掌握的內(nèi)容包括:自激振蕩條件、起振條件、反饋回路RC選頻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和反相比例放大電路的設(shè)計。學(xué)生還需結(jié)合Multisim 11，掌握最新虛擬接口技術(shù)。

(4)項目小組活動實施時，學(xué)生通過查閱資料、上網(wǎng)搜索、教師輔導(dǎo)和解構(gòu)單元實體等形式，自主獲取課題的相關(guān)知識，資料，整理取舍后進行項目任務(wù)的設(shè)計和驗證。其設(shè)計電路如圖1所示。

上圖左上角的測量工具使用了Multisim 11中最常用也最重要的虛擬儀器:示波器XSC1。還使用其最新技術(shù)虛擬接口—On-page Connector(頁面上的接口)，Global Connector(全局接口)。圖中output是On-page Connector，其作用是把集成電路741引腳6輸出信號和示波器A通道相連。它們之間不需要實際連線，只需要設(shè)置On-page Connector及Connector Name(output)即可連接。虛擬接口的優(yōu)勢體現(xiàn)在:當電路較復(fù)雜或非常復(fù)雜時，使用Connector可以避免繁雜的連線，使得電路圖清晰，可讀性強，也可避免因連線過多而導(dǎo)致不必要的錯誤。但是它的使用限于當前的電路原理圖。

圖1 簡易正弦波發(fā)生器

圖中VCC、VEE和GND都是 Global Connector，它的作用和On-page Connector相同，唯一的區(qū)別是Global Connector可用于當前的電路原理圖、子電路原理圖和繼承電路模塊中。

圖2 示波器測試正弦波產(chǎn)生圖

圖2為虛擬示波器測試的output正弦波信號，指針T1和T2顯示一周期時間，由此可知仿真結(jié)果振蕩頻率為f'0=1/(T2 －T1)=159.156Hz。

可知，f0和f'0基本一致，說明該電路設(shè)計合理可行。

圖中的反相比例放大電路，由運放741、R3、R4、R5構(gòu)成。其增益為A=(R3+R4+R5)/R3=3.03。

可知有AF=3.03/3=1.01。因為AF略大于1就能滿足正弦波振蕩器起振條件。圖中的兩個二極管1N4148在電路起振后，能夠穩(wěn)定電壓振幅。

(5)項目答辯與師生評價。學(xué)生通過項目成果匯報，項目自我評估、組別互評、教師點評和師生共同總結(jié)等程序完成對各小組課題任務(wù)完成的評價。

(6)項目教學(xué)總結(jié)完成后把項目工作的結(jié)果歸檔。我們可以將設(shè)計的虛擬電路圖作為后續(xù)的“綜合實訓(xùn)”教學(xué)素材，讓學(xué)生在實訓(xùn)中根據(jù)虛擬電路圖設(shè)計電路板，搭建電路實物。我們也可以將其應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)實踐中去，使項目工作的結(jié)果盡可能具有實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

基于multisim 11開發(fā)的“模擬電子技術(shù)”課程的虛擬仿真項目給學(xué)生直觀，形象和逼真生動的效果。這種包括“設(shè)計、仿真、調(diào)試、優(yōu)化”的操作可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，增強學(xué)生的動手能力。并且，籍此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和創(chuàng)新意識，為學(xué)生再學(xué)習(xí)和提高實際問題的處理能力創(chuàng)造一條捷徑，也為頂崗實習(xí)學(xué)生及畢業(yè)生深入學(xué)習(xí)提供良好的平臺。

［1］Tracy Shields.教學(xué)思路實踐-使用 Multisim 10［M］.America:E-lectronic Workbench Corporation，2009.

［2］宋燕飛等.模擬電子技術(shù)項目驅(qū)動教程［M］.蘭州:蘭州大學(xué)出版社，2010.