三維仿真在“電工電子學”教學中的應用

曹玉蘋，賀 利，劉潤華，任旭虎，張冬至

（中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東青島266580）

0 引言

Multisim是美國國家儀器有限公司NI（National Instruments）推出的在Windows下運行的仿真工具。Multisim用軟件模擬電工電子元器件、儀器和儀表，可用于原理圖設計和電路功能測試［1］。因為可以測量和演示電工電路、模擬電路和數(shù)字電路等，Multisim被廣泛應用于理論教學、實驗教學和項目式教學。教材［2］在附錄中介紹了Multisim的功能操作，列舉了典型電路的仿真及運行結果。教材［3］在大部分章設置了仿真測試小節(jié)，做到關鍵技術和關鍵知識點都用軟件仿真。在理論教學中，Multisim仿真能夠驗證原理和定理，展示典型電路的功能，從而使抽象理論變得具體生動，不僅活躍了課堂氣氛，而且解決了實驗課安排滯后的問題［4～5］。在實驗教學中，Multisim仿真有助于學生熟悉實驗過程，從而提高預習效果，減少器件損耗［6～8］。學生可以不受實驗室硬件條件限制搭建電路自由探索，從而解決實驗課時少、硬件配置有限的問題。Multisim仿真軟件不僅促使學生了解更多元器件知識，而且能夠激發(fā)自學積極性、培養(yǎng)探究能力。在項目式教學中，可以通過 Multisim仿真軟件設計、仿真、調(diào)試、優(yōu)化電子產(chǎn)品。不僅安全系數(shù)高，而且投入設備少、周期短［9～10］?；贛ultisim仿真軟件還可以模擬電路故障，開展故障診斷研究［11］。文獻［12］將仿真分析能力作為電類專業(yè)素質教育的重要內(nèi)容之一進行培養(yǎng)。

但是，現(xiàn)有Multisim電路仿真幾乎全部圍繞元器件的二維符號展開，有關三維電路仿真的教學研究文獻較少［13］。二維元器件符號不僅抽象而且在管腳分布上與實際器件存在明顯差異。由于學生只有在實驗或課程設計中才接觸到實際器件，因此對它們并不熟悉，器件容易造成接線錯誤，不僅浪費時間而且容易造成器件損毀。Multisim 10提供了三維元器件庫，元器件以實際器件照片的形式出現(xiàn)，形象逼真。為了充分利用三維仿真的特色和優(yōu)勢，本文結合“電工電子學”教學內(nèi)容，總結了三維仿真的具體應用環(huán)節(jié)和仿真主題，基于Multisim 10列舉了典型功能電路及仿真分析。

1 三維元器件和儀器

對于Multisim 10仿真軟件，三維元器件的位置為 Database：Master Database→ Group：Select all groups→Family：3D_VIRTUAL。在主菜單 View→Toolbar中選中3D Components，即可在操作界面顯示三維元器件工具欄。系統(tǒng)提供了23個元器件，數(shù)目雖然不多，但涵蓋了電阻、電容、電感、二極管、三極管、集成運算放大器、計數(shù)器等典型元器件。利用這些三維元器件可以設計典型功能電路，從而為理論教學和實踐教學提供逼真的仿真素材。

表1列出了Multisim 10仿真軟件中部分元器件的二維和三維符號。與二維符號相比，三維符號立體、彩色，躍然紙上。例如整流二極管，學生在三維符號仿真時即可以通過外形識別陰極和陽極。學生常常根據(jù)二維符號將電位器誤認為滑動變阻器，三維符號就可以避免混淆，它可以區(qū)分電位器管腳，掌握調(diào)節(jié)方法。對于雙極型三極管，學生可以根據(jù)三維符號掌握發(fā)射極、基極和集電極的區(qū)分方法，避免接線錯誤。對于集成運算放大器，可以看出二維符號和實際器件在管腳分布上存在明顯差別，利用三維符號進行仿真有助于繪制電路布線圖。對于計數(shù)器，不僅二維符號的管腳分布與實際不同，而且二維符號中沒有電源（VCC）和地（GND）兩個管腳。部分學生在實驗和實習時常常忘記接電源線和地線，利用三維符號進行仿真也能夠避免該類錯誤。

表1 部分器件的二維和三維符號對比

由于實驗操作時間有限，學生對函數(shù)信號發(fā)生器、示波器等儀器的操作非常不熟悉，常常影響實驗進度。Multisim 10提供了幾款三維儀器，在主菜單Simulate→Instruments的下拉菜單中可以看到安捷倫系列的Agilent Function Generator，Agilent Multimeter，Agilent Oscilloscope和泰克公司的 Tektronix Oscilloscope。圖1是Tektronix示波器界面，接線端子和各旋鈕、按鍵的位置清晰可見。學生可以在Multisim仿真環(huán)境下操作示波器，熟悉面板上各旋鈕、按鍵的功能和調(diào)節(jié)方式。

圖1 Multisim 10仿真軟件中的泰克示波器界面

2 三維仿真在教學中的應用

本節(jié)結合“電工電子學”課程教學內(nèi)容，總結了三維仿真在理論教學和實踐教學中的具體應用環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 三維仿真在理論教學和實踐教學中的具體應用環(huán)節(jié)

2．1 理論教學

1）元器件展示

在講授“電工電子學”基本元器件時，傳統(tǒng)授課常常只在幻燈片中展示元器件的圖片，而Multisim軟件的三維展示不僅有元器件圖片，還可以演示接線和調(diào)節(jié)方法。

2）課堂仿真演示

在課堂上進行Multisim三維研究仿真電路，可以讓學生觀察電壓、電流、功率以及功率因數(shù)等參數(shù)的值以及波形，引導學生分析總結。如二極管應用電路，引導學生分析二極管狀態(tài)，根據(jù)輸出信號的特點分析二極管的作用。如共基極放大電路，演示正常放大和失真，引導學生總結引起失真的原因。如集成運算放大器的線性應用，引導學生根據(jù)波形分析輸入輸出電壓之間的關系。抽象的電路符號容易使教學枯燥，而三維器件的立體形象使電路更生動逼真。動態(tài)變化的波形能夠吸引學生的課堂注意力，引導學生分析總結，能夠使學生變被動接受為主動認識。

3）仿真作業(yè)

為了節(jié)省課堂時間，尤其是翻轉課堂，可以針對教學內(nèi)容布置仿真作業(yè)。由教師確定Multisim仿真主題，如電源性質的研究、基爾霍夫定律、結點電壓分析、實際電源的等效變換、疊加定理、戴維寧定理、最大功率傳輸、正弦交流電路功率因數(shù)的提高、一階電路的全響應、二極管應用電路和三極管應用電路等。學生根據(jù)仿真主題自選電路，提交演示視頻。要求介紹仿真目的、電路組成、元器件的功能、操作步驟和仿真結果。仿真作業(yè)有助于學生驗證定律和定理，探索元器件的功能。對于沒有設置實驗的課程，仿真作業(yè)能夠減小實驗缺失造成的影響。

4）仿真大作業(yè)

在課程結束時，布置Multisim仿真大作業(yè)。大作業(yè)以解決實際問題為目的，電路具有一定規(guī)模。如利用熱電阻、集成運算放大器等設計溫度檢測和報警電路，利用計數(shù)器設計電子表等。大作業(yè)有助于學生梳理所學知識，了解電工電子學的實際應用，達到學以致用的目的。對于沒有設置實習的課程，仿真大作業(yè)能夠減小實習缺失造成的影響。

2．2 實踐教學

1）實驗預習

學生在仿真軟件中進行實驗操作，記錄參數(shù)、觀察波形。實驗預習有助于學生熟練復雜儀器的使用，提高動手能力。學生在三維仿真時即可接觸實際器件，認識外形和管腳，有助于減少操作失誤、減少器件損耗。

2）實習仿真

在實際焊接電路板之前，學生首先對各功能模塊先進行仿真，然后再整體聯(lián)調(diào)。學生在Multisim仿真環(huán)境下練習電路故障排除方法，增強調(diào)試電路的能力。提前發(fā)現(xiàn)電路焊接過程中易犯的錯誤，從而避免不必要的返工，在一定程度上減少器件損毀。

3 Multisim 10三維電路仿真實例

為了充分體現(xiàn)三維電路仿真的優(yōu)越性，本文結合“電工電子學”課程內(nèi)容，基于Multisim 10仿真軟件搭建了整流電路、暫態(tài)電路和計數(shù)器電路，并以此為例進行仿真和分析。

3．1 實例1：半波整流電路

整流是二極管的重要應用之一，也是直流負載必備的電源處理電路。圖3是在Multisim 10環(huán)境下分別搭建的二維和三維電路，可以看出二維仿真電路與書本上的電路模型基本一致，三維仿真電路更接近實際電路。電路中各元器件兩端的電壓波形如圖4所示。圖4（a）中上幅為電源電壓波形，下幅為負載電壓波形，由此可以引導學生觀察這些波形的變化規(guī)律。圖3（b）中XMM2的讀數(shù)為4．188 V，與理論值0．45Us＝0．45 ×10 ＝4．5 V 存在誤差，可以啟發(fā)學生思考誤差的來源并利用示波器進一步觀察二極管兩端電壓。圖4（b）中，上幅為電源電壓波形，其接線與圖3（b）中的XSC1A通道相同。下幅為二極管兩端電壓波形，其正極接二極管陽極，負極接二極管陰極。學生可以據(jù)此觀察二極管的正向特性，得出電壓誤差的來源是二極管的正向導通壓降。

圖3 半波整流電路的仿真電路

在電路分析中，學生經(jīng)?；煜矔r值、有效值和平均值。結合該電路仿真可以很好地介紹這些概念的差別。以電壓為例，示波器顯示瞬時值，可以看出電路中的電壓瞬時值是變化的。萬用表直流電壓檔測量平均值，從XMM3可以看出交流電壓的平均值近似為0。一般采用有效值衡量交流電壓的大小，從XMM1可以看出電壓有效值近似為10 V。整流之后的電壓是直流量，一般采用平均值衡量直流電壓的大小，所以用萬用表直流電壓檔進行測量。

3．2 實例2：RC暫態(tài)電路

電容是儲能元件，利用其充放電暫態(tài)特性可以設計定時電路。圖5（a）是根據(jù)電容的暫態(tài)特性設計的三維仿真電路，操作過程如下：單刀雙擲開關J1右側閉合，將電位器R2調(diào)至10%，點擊運行按鈕開始仿真。切換單刀雙擲開關J1，左側閉合，電源通過電阻R1給電容C充電。當電容電壓達到50 V時，充電完畢，切換單刀雙擲開關，右側閉合，電容通過發(fā)光二極管LED和電位器R2放電，燈點亮。過一段時間，燈自動熄滅。將電位器R2調(diào)至30%，重復上述操作過程。放電電路如圖5（b）所示，理論上，時間常數(shù)τ＝R2C與電阻R2成正比，R2越大，放電越慢。電容電壓uC和放電電流i的變化趨勢如圖6所示，通過對比圖6（a）和圖6（b）可以看出，隨著電位器比例的增大，放電變慢，與理論一致。發(fā)光二極管參數(shù)為Ion＝5 mA，Vf＝1．66 V。若在t＝0 時刻進行開關動作，根據(jù)三要素法可以得出電流

圖4 半波整流電路各通道波形

當i（t）≤5 mA時，燈熄滅。理論計算可以得出，當電位器分別為10%和30%時，燈亮時間分別為148 mS和280 mS。從圖6中可以讀出（電流探針的設置是1 V／mA），從開關動作到電流降至5 mA所用時間與理論計算一致。

圖5 RC暫態(tài)電路

圖6 RC暫態(tài)電路電容電壓的變化趨勢

3．3 實例3：六進制計數(shù)器電路

計數(shù)器對脈沖的個數(shù)進行計數(shù)，可以用于計數(shù)、定時和分頻?；谕绞M制加法計數(shù)器74LS160利用反饋復位法設計六進制計算器，其Multisim 10三維仿真電路如圖7所示。利用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為5 Hz、占空比為50%的脈沖信號，計數(shù)器輸出端接譯碼顯示器用于觀察。啟動仿真之后，譯碼顯示器循環(huán)顯示數(shù)字“0”～“5”，實現(xiàn)六進制計數(shù)。

搭建二維仿真電路僅能用于仿真，而搭建三維電路的過程也是繪制接線圖的過程。對于集成芯片，學生在實驗或焊接電路板時容易出現(xiàn)的錯誤有：不熟悉管腳分布導致管腳號弄錯，忘記接地線和電源線，管腳虛焊，短路等。利用三維元器件進行仿真，學生可以不受硬件條件限制提前認識和熟悉芯片的外形和管腳分布。在實踐中電路運行出現(xiàn)異常，學生往往求助于教師或其他學生。由于受到實踐時間、觀測儀表等設備的限制，大部分學生沒有掌握故障排除方法。為了鍛煉和增強排查電路異常的能力，教師可以設置排除故障環(huán)節(jié)。即在Multisim 10仿真環(huán)境下模擬電路故障，由學生通過觀察和分析排除故障。

圖7 六進制計數(shù)器的三維仿真電路

4 結語

本文結合“電工電子學”課程內(nèi)容總結了三維仿真的具體應用環(huán)節(jié)，列舉了典型功能電路及仿真分析。與二維仿真電路相比，三維仿真電路更具體形象，有利于調(diào)動學生的學習興趣。特別是三維仿真器件有助于學生認識實際器件的外形和管腳，減少接線錯誤造成的器件損耗；三維仿真儀表有助于學生熟悉復雜儀表的操作，縮短實際操作時間。對于沒有設置實驗和實習的課程，三維仿真能夠減小實驗和實習缺失造成的影響。