Multisim 10在測控電路實踐教學中的應用研究

□覃斌毅，李 蕓

（1.玉林師范學院 電子與通信工程學院，廣西 玉林 537000；2.玉林師范學院 化學與材料學院，廣西 玉林 537000）

Multisim 10在測控電路實踐教學中的應用研究

□覃斌毅1，李 蕓2

（1.玉林師范學院 電子與通信工程學院，廣西 玉林 537000；2.玉林師范學院 化學與材料學院，廣西 玉林 537000）

《測控電路》是測控技術與儀器專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，而實踐教學則是《測控電路》課程教學中的一個關鍵環(huán)節(jié). 本文通過三個實例展示了如何在實踐教學中引入multisim 10軟件，multisim 10軟件的引入可以很好的解決傳統(tǒng)實踐教學中對設計性實驗支持少和后期維護經(jīng)費的問題. 同時，還使學生將實踐和理論相結(jié)合，有效地激發(fā)學生學習的積極性和主動.

Multisim 10；測控電路；仿真；教學

1 引言

《測控電路》是測控技術與儀器專業(yè)的一門重要的專業(yè)課.該課程的主要內(nèi)容是如何使用電子技術對日常生產(chǎn)生活中的參量進行測量和控制.通過本課程的學習，學生可以運用電子技術知識解決日常生活中測量與控制提出的任務.

實踐教學是《測控電路》課程教學中的一個關鍵環(huán)節(jié)，通過實踐教學，用具體的實驗現(xiàn)象，加深學生對書本理論知識的理解，引發(fā)學生的學習興趣.傳統(tǒng)實踐教學的方法是，使用實驗箱進行實踐教學.教學所用的實驗箱由一些設備公司設計制作，并附帶有大量指導學生實驗的資料，教師可以根據(jù)所提供的資料指導學生實驗，大大減少教師準備實驗的工作量.但是，實驗箱的電路大多都是固定的，無法改變電路的結(jié)構，實驗內(nèi)容單一，對于學生設計性實驗的支持有限；并且在實驗過程中往往因為元器件參數(shù)、接觸等問題得不到理想的實驗效果，甚至由于學生的錯誤操作，造成器件的損壞，實驗箱的后期維護也需要一筆成本開銷.Multisim軟件只需要一臺計算機就可以進行電路設計仿真，無需額外的硬件，節(jié)省了對硬件維護的費用.所以，在實踐教學中引入Multisim 10軟件，可以很好的解決傳統(tǒng)實踐教學中對設計性實驗支持少和后期維護經(jīng)費的問題.

2 Mutisim10概述

Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出一個款專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件.Multisim將計算機仿真與虛擬儀器技術相結(jié)合，解決了理論與實際脫節(jié)的問題，學生可把新學的理論知識使用Multisim進行仿真驗證.同時，學生還能應用虛擬儀器技術設計屬于自己的儀表.

本文所用的實例是在Multisim 10版本上設計的.Multisim 10具有豐富的元件庫，同時還提供了種類齊全的虛擬測試儀表.它不但包含了一般實驗用的通用儀表，如萬用表、函數(shù)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還包含了有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、失真儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡分析儀等.此外，Multisim 10還具有詳細的電路分析功能，完全可以滿足本課程的實驗要求.

3 Multisim10在測控電路實踐教學中的應用實例

信號的放大、調(diào)制、分離是《測控電路》課程中要掌握的重點內(nèi)容，為了加深學生對這三方面知識的理解，在實踐課程中會安排有相應的實驗.本文通過信號放大、調(diào)制、分離的三個實例，說明如何在《測控電路》這門課程實踐教學中引入Multisim10軟件.

3.1 同相比例放大電路

信號放大電路是《測控電路》的一個重點內(nèi)容，一般傳感器的輸出信號比較微弱，信號放大電路是將傳感器輸出的信號進行放大，使其滿足后期各種轉(zhuǎn)換處理.同相比較放大電路是一種基本的信號放大電路，它具有高的輸入阻抗，常用于前置放大級，也用于阻抗變換或隔離電路中.掌握同相放大電路的分析和設計方法，對學習反相放大電路、差動放大電路具有一定的指導作用.

在Multisim軟件中繪制同相比例放大電路，如圖1所示.輸入電壓ui通過R3輸入到運算放大器的同相端，輸出電壓uo通過反饋電阻R1反饋到運放的反相端，反相端接入平衡電阻R2=R1//R3到地.由于運放工作在線性區(qū)，有根據(jù)虛短的特點u+=u-和虛斷i+=i-=0，可得所以同相比例放大電路的電壓放大倍數(shù)為當R1=9KΩ，R2=1 KΩ，R3=1 KΩ，時，電壓放大倍數(shù)為10.在圖1中，輸入電壓為200mV，從萬用表中讀出輸出電壓為2V，與計算結(jié)果相吻合.在實驗中，還可將反饋電阻R1用滑動變阻器代替，通過改變變阻器的阻值，觀察輸出信號的變化情況.

通過仿真實驗，學生可以直觀的觀察到在輸入電壓恒定的情況下，輸出電壓隨R1、R2電阻值的變化而變化，加深對同相比例放大器電壓放大倍數(shù)計算方法的理解.

圖1 同向比例放大電路

3.2 雙邊帶調(diào)幅電路

在精密測量中，進入測量電路的除了傳感器輸出的測量信號外，還會有各種噪聲.為了便于區(qū)分信號和噪聲，往往會對信號進行調(diào)制，所以如何對信號進行調(diào)制也是《測控電路》研究的一個重點問題.

調(diào)幅是測量中最常見的調(diào)制方式，其特點是調(diào)制方法和解調(diào)電路比較簡單.調(diào)幅就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的幅值. 調(diào)幅信號的一般表達式為us=(Um+mx)coswct，假設調(diào)制信號x=XmcosΩt，那么調(diào)幅信號可表示為它包含有三個不同頻率的信號：角頻率為ωc的載波信號Umcosωct和角頻率分別為ωc±Ω的上下邊頻信號.若令載波信號中不含調(diào)制信號，即Um=0則只保留兩個雙邊頻信號，這種信號稱為雙邊帶調(diào)制信號.從雙邊帶調(diào)制信號的表達式，可以看出雙邊帶調(diào)制信號可以由兩個信號相乘獲得.在Mutisim軟件中繪制雙邊帶調(diào)制信號的調(diào)制電路，如圖2所示.調(diào)制信號的頻率為100Hz，載波信號的頻率為1KHz，分別輸入模擬乘法器的X和Y輸入端，從虛擬示波器可以看到兩路波形如圖3所示，其中第一路信號為乘法器輸出的雙邊帶調(diào)制信號，第二路信號為乘法器Y輸入端的信號.修改調(diào)制信號的頻率，當調(diào)制信號與載波信號相近時，會產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象.將調(diào)制信號的頻率改為500Hz，從虛擬示波器中可看到混疊現(xiàn)象如圖4所示.

通過雙邊帶信號調(diào)制的仿真實驗，便于學生理解雙邊帶調(diào)制信號產(chǎn)生的原理，并懂得當調(diào)制信號和載波信號的頻率相近時，會發(fā)生頻譜混疊.

圖2 雙邊帶調(diào)制電路

圖3 雙邊帶調(diào)制信號

圖4 頻譜混疊現(xiàn)象

3.3 有源濾波器設計

信號分離電路是《測控電路》課程中的一個重點內(nèi)容，信號分離的實現(xiàn)思想是使用濾波器，所以濾波器的設計方法是學生必須掌握的重點.濾波器的種類繁多，其中有源濾波器以其良好的頻率選擇特性得到廣泛的應用.

對于有源濾波器的設計，學生可以首先通過參數(shù)計算，然后將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為電路，最終在Multisim10中仿真，通過仿真結(jié)果對最初的設計進行驗證.這為學生理解掌握有源濾波器的設計提供了一種很好的方法.

比如，要設計一個通帶增益Kp=-2，轉(zhuǎn)折頻率fc=650Hz的無限增益多路反饋型二階巴特沃斯低通濾波器.

設計步驟：(1)選取C1的值，查表1得出C1=0.01uF；（2）計算電阻換標系數(shù)K，K=100/（fc*C1）=15.38；（3）查表2得歸一化電阻值，r1=2.565kΩ，r2=3.292kΩ，r3=5.130kΩ.（4）求實際電阻值，用電阻換標系數(shù)和歸一化電阻值相乘，可得實際電阻值，R1=39.46 kΩ，R2=50.65 kΩ，R3=78.92 kΩ.（5）選取C2的值，C2=1500pF.（5）確定電阻標稱值，電阻選用標稱值R1=39kΩ，R2=51kΩ，R3=82 kΩ.

電路的參數(shù)計算完后，在Multisim10中繪制出電路，電路如圖4所示.使用Multisim10自帶的波特圖儀可以查看所設計的濾波器的頻響特性曲線.濾波器的幅頻響特性曲線如圖5所示，由曲線可得知，信號功率衰減到3dB是的頻率fc1=656.693Hz，與設計要求基本吻合.

通過濾波器的設計仿真實驗，學生可自行設計所需的濾波器，并對設計的電路進行驗證，加深對濾波器設計的理解.

表1 二階有源濾波器設計電容選擇表

表2 二階無限增益多路反饋巴特沃斯低通濾波器設計表

圖5 二階巴特沃斯低通濾波器

圖6 幅頻響應

4 結(jié)束語

在測控電路實踐教學中引入Multisim 10進行仿真，可以很好的解決傳統(tǒng)實驗箱實驗內(nèi)容單一的問題，并節(jié)省了硬件維護的費用.同時，Multisim 10提高了學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，學生通過仿真軟件對電路中各個元器件參數(shù)的改變，更清楚地了解了電路性能的改變情況，使得實踐和理論有機結(jié)合，還有效地激發(fā)學生學習的積極性和主動. ■

[1]李瑞賢. 基于Multisim軟件的電子測量技術課程的教學改革[J]. 中國科教創(chuàng)新導刊，2012，（25）：197-198.

[2]謝迎娟，鄧立華，陳俊風. 仿真技術在“電路”課程教學中的設計及應用[J].中國電力教育，2014，（8）：73-75，79.

[3]林濤. 電子工作臺EWB在電子測量技術課程教學中的應用[J]. 湖南工業(yè)職業(yè)技術學院學報，2009，9，（6）：128-129.

[4]吳衛(wèi)華，朱小芹. NI Multisim 12.0 在電學物理實驗中的應用[J]. 實驗技術與管理，2013，30，（11）：120-121，125.

[5]張國雄. 測控電路（第三版）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

【責任編輯 謝明俊】

Application of Multisim 10 in the Practice Teaching of “Measurement and Control Circuit”

QIN Bin-yi1，LI Yu2
（1. School of Electronic & Communication Engineering, Yulin Normal University, Yulin, Guangxi 537000; 2. School of Chemistry & Materials, Yulin Normal University, Yulin, Guangxi 537000）

“Measurement and Control Circuit” is an important professional course in the specialty of Measurement and Control Technology and Instrument, and the practice teaching is a key link in the teaching of“Measurement and Control Circuit”. In this paper, shows how to introduce multism 10 into practical teaching by using three examples. Introduction of Multisim 10 software in the practical teaching can well solve the problems of inadequate support and maintenance funding in traditional practice teaching. At the same time, it can help the students combine the practice and theory, and effectively stimulate students’ learning enthusiasm and initiative.

Multisim 10; “Measurement and Control Circuit”; simmulation; teaching

G642.0

A

1004-4671（2015）02-0035-05

2015-01-05

覃斌毅（1985～），男，廣西玉林人，玉林師范學院電子與通信工程學院助教，碩士研究生。研究方向：自動測試總線與系統(tǒng)、分布式測控技術。