基于Multisim仿真的電工技術(shù)實驗教學(xué)的改革與實踐

李建軍 黎運宇

摘要：針對地方高校選修電工技術(shù)及實驗的相關(guān)專業(yè)學(xué)生的現(xiàn)狀，即基礎(chǔ)差，動手能力弱和缺乏創(chuàng)新意識，將Multisim仿真到電工實驗的教學(xué)中，在實驗前進行必要的原理性仿真，有助于學(xué)生對理論知識的理解和為實驗室實物操作提供必要的基礎(chǔ)。通過實驗前的仿真使學(xué)生養(yǎng)成設(shè)計初期必須進行仿真驗證的習(xí)慣，即進行前仿真的“工作習(xí)慣”。同時，教師在學(xué)生仿真過程中通過有意識的提問和提示，鼓勵學(xué)生在電路原理和設(shè)計思路方面進行改進，培養(yǎng)學(xué)生初步的創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：電工技術(shù)；仿真；Multisim；實驗總結(jié)

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）31-0079-03

電工技術(shù)實驗是高等學(xué)校部分電類與非電類專業(yè)都要學(xué)習(xí)的一門重要的基礎(chǔ)課程，相對于電子相關(guān)專業(yè)課程而言，其內(nèi)容包括了《電路分析》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《電力電子》、《電機拖動技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》等多門專業(yè)課程的知識。課程涉及內(nèi)容廣，具有很強的理論性和實踐性，只有注重理論與實踐的相互融合才能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。通過實驗設(shè)計與驗證可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的能力，同時也可以鍛煉學(xué)生的動手能力。學(xué)生通過設(shè)計方案、驗證實驗、修改設(shè)計等過程不僅可以加深對理論知識的理解而且還可以提高對后續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。

傳統(tǒng)的電工實驗課程的一般流程為：實驗器材準(zhǔn)備→理論原理講解→實驗原理說明→實驗電路設(shè)計→實驗結(jié)果預(yù)計→教師操作驗證→學(xué)生實驗。在這樣的模式下，教師幾乎完成了所有工作，整個實驗過程中學(xué)生基本不參與實驗的設(shè)計，其沒有獨立思考的過程，對于驗結(jié)果的差異也基本不考慮，因此這樣的電工實驗課程不利于學(xué)生思維的拓展和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

當(dāng)前，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件仿真已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子電路系統(tǒng)的設(shè)計，幾乎所有的電子電路系統(tǒng)在設(shè)計研發(fā)過程中都要經(jīng)歷初始階段的電子仿真過程，而仿真一般分為兩個過程，即前仿真（原理仿真）和后仿真（模擬電路為電磁仿真、數(shù)字電路為時序仿真）。只有在仿真通過的基礎(chǔ)上才能進行樣機系統(tǒng)的試制。根據(jù)高校教學(xué)學(xué)活動的特點與重點，這里主要針對前仿真任務(wù)階段。

模仿電子電路設(shè)計研發(fā)的過程可以將電工實驗的內(nèi)容作為一個個簡單的電子電路系統(tǒng)進行處理，在這種思想的基礎(chǔ)上電工實驗課程的模式就可以變?yōu)椋豪碚撛碇v解→實驗原理（方案）設(shè)計→實驗結(jié)果預(yù)計→仿真驗證→實驗器材準(zhǔn)備→學(xué)生實驗→教師點評。在這種加入仿真驗證的模式下教師只負(fù)責(zé)理論原理的講解、實驗方案的可行性和實驗后的點評，甚至學(xué)生可以根據(jù)實驗預(yù)計結(jié)果與仿真結(jié)果的差異獨自對實驗方案做出合理的修改，這時教師只負(fù)責(zé)理論原理的講解和實驗后的點評。這樣在充分利用EDA技術(shù)的基礎(chǔ)上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)獨立性和對知識的理解水平。

一、Multisim軟件的優(yōu)勢

雖然實驗過程中不可避免地會將實驗耗材和實驗設(shè)備損壞，比如：電阻、電容、晶體管、邏輯器件、示波器、信號源等，但如果學(xué)生能在實驗前認(rèn)真思考實驗原理和實驗過程則這種損壞的概率將大大降低。通過Multisim仿真便可以使學(xué)生在實驗前對實驗原理進行必要思考并且對實驗過程也會有初步的規(guī)劃。Multisim仿真軟件為電子電路仿真提供了豐富的元件數(shù)據(jù)庫，也提供了種類多樣且標(biāo)準(zhǔn)化的仿真儀器，包括萬用表、示波器、邏輯分析儀、失真度分析儀、波特圖測試儀等[1，2]。

二、Multisim軟件仿真教學(xué)

教學(xué)過程包括理論原理、軟件仿真、實驗驗證等環(huán)節(jié)[3]。其中理論原理是指課堂上講解的概念等原理性的內(nèi)容；軟件仿真是指在Multisim環(huán)境下依據(jù)實驗原理學(xué)生自行設(shè)計搭建的虛擬電路模型及其結(jié)果；實驗驗證是指根據(jù)仿真結(jié)果學(xué)生在實驗室中搭建實物電路及結(jié)果驗證和實驗后的教師點評。由于實驗方案和實驗電路由學(xué)生自行設(shè)計驗證，因此會出現(xiàn)各種各樣不同形式的電路設(shè)計方案，甚至可能會出現(xiàn)教師都沒有考慮到的方案。這種模式的好處在于檢驗學(xué)生理論的理解程度、鍛煉學(xué)生的動手能力、培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計電路的思維的養(yǎng)成、激發(fā)學(xué)生的想象力與創(chuàng)造力、提高教師業(yè)務(wù)水平。

三、基于Multisim的電工技術(shù)實驗的仿真

（一）基本放大電路實驗

1.學(xué)生在傳統(tǒng)實驗中的問題：（1）對靜態(tài)工作點作用的理解不夠深刻，普遍認(rèn)為靜態(tài)工作點必須大于0；（2）對放大電路的本質(zhì)沒有掌握，不考慮在能量守恒定理的前提下功率如何放大；（3）不清楚電壓放大與電流放大的適用場合。

2.實驗前問題：（1）有靜態(tài)工作點的電路效率如何？（2）為什么不是“能量放大”而是“功率放大”？

3.基本放大電路的Multisim電路仿真及結(jié)果。根據(jù)課本上的基本電路學(xué)生完成電路搭建，很多學(xué)生都改變了電路參數(shù)，并依據(jù)相關(guān)原理對電路進行理論計算和軟件仿真，甚至有少數(shù)學(xué)生會改變電路結(jié)來驗證自己的想法。

4.實驗結(jié)論。通過仿真驗證學(xué)生總結(jié)出：（1）靜態(tài)工作點即直流放大，其作用是消除PN節(jié)單向?qū)ê凸?jié)電壓效應(yīng)對交流信號產(chǎn)生的失真；（2）靜態(tài)工作點未必大于零（當(dāng)放大信號本身能克服PN節(jié)內(nèi)建電場），靜態(tài)工作點不為零時電路中產(chǎn)生無用功即能量效率較低；（3）功率放大電路必須有額外的能量輸入才能實現(xiàn)放大，本質(zhì)上為比例控制電路；（4）電壓是電路正常工作的必要條件，電路驅(qū)動需要考慮電流因素。

（二）RC振蕩電路的實驗

振蕩電路是一種不需要外接輸入信號就能將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出電路。按照輸出波形分為正弦振蕩和非正弦振蕩，而RC振蕩電路又是正弦振蕩電路中最基本的一種。

1.學(xué)生在傳統(tǒng)實驗中的問題。（1）實驗方案與實驗原理之間的關(guān)系認(rèn)識不清晰；（2）電路器件不熟悉，電路連線錯誤，部分學(xué)生根本不懂如何連接電路；（3）實驗過程中出現(xiàn)的問題過度依賴?yán)蠋?；?）對實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性無法判斷。

2.實驗前問題。（1）振蕩電路起振的條件是什么？（2）起振后振蕩波形是否理想？

3.RC振蕩電路的Multisim電路仿真及結(jié)果。根據(jù)課本上的基本電路學(xué)生完成電路搭建，很多學(xué)生都改變了電路參數(shù)，并且依據(jù)相關(guān)原理對電路進行理論計算和軟件仿真，甚至少數(shù)學(xué)生改變電路結(jié)構(gòu)，驗證自己的想法。圖1是學(xué)生改變電路參數(shù)后RC正弦振蕩電路原理圖；圖2是RC振蕩電路的起振過程。

4.實驗結(jié)論。通過仿真驗證學(xué)生總結(jié)出：（1）當(dāng)反饋電阻R4：R3>2時，起振迅速但波形失真不穩(wěn)定；（2）當(dāng)反饋電阻R4：R3≈2時，起振較慢，波形較好但非理想的正弦；當(dāng)反饋電阻R4：R3<2時，不能起振[4]。

圖3、圖4分別為結(jié)構(gòu)改變后的原理圖與波形圖。

通過電路結(jié)構(gòu)的改變學(xué)生總結(jié)出：（1）正反饋是電路起振并保持穩(wěn)定的必要條件；（2）只有正反饋存在的條件下電路能夠起振快幾乎看不到起振過程，且飽和輸出；（3）只有正反饋存在下的情況下振蕩頻率不穩(wěn)定。

（三）差動放大電路的Multisim電路仿真及結(jié)果

1.學(xué)生在傳統(tǒng)實驗中的問題。（1）差動放大電路輸出的條件理解不清；（2）差模輸入與共模輸入的意義理解不深；（3）共模驗證與差模驗證是分別驗證，不夠直觀。

2.實驗前問題。討論：能否在差動放大實現(xiàn)同時驗證差模輸入和共模輸入。

3.電路的Multisim電路仿真及結(jié)果。在老師給出提示考慮穩(wěn)壓管的情況下，學(xué)生設(shè)計出電路一，如圖5所示。通過示波器可以看到在輸入電壓小于2.5v是放大電路兩端輸入相同即只有共模輸入，當(dāng)電壓大于2.5v后，由于穩(wěn)壓電路的存在，放大電路兩端電壓出現(xiàn)差異即差模與共模同時存在。

從示波器看暫時滿足了對信源的要求，但此時兩路信號缺少公共的參考地，因此不能達到預(yù)想的效果。問題的關(guān)鍵就變?yōu)槿绾螌⑿盘柟驳兀ㄟ^查資料，有同學(xué)提出電路二，如圖6所示。

電路二是基于惠斯通電橋的原理，理論上是可以解決問題，但在實際電路中發(fā)現(xiàn)效果并不理想，通過分析發(fā)現(xiàn)原因出在電橋的平衡問題，于是又將電路修改為電路三（如圖7）。

4.實驗結(jié)論。通過實驗學(xué)生對于電橋電路、穩(wěn)壓電路和差模、共模的理解更加深刻，差模輸入、共模輸入的意義在于簡化電路分析的工作量，本質(zhì)上差模輸入、共模輸入均被放大[5]，由于電路中電壓是相對存在的，結(jié)合高中電勢的概念，學(xué)生對于電壓量的輸出有了新的認(rèn)識。同時通過輸出端的測量，理解差動放大電路單邊分析的理論依據(jù)。

四、總結(jié)

電工技術(shù)是一門電類和非電類專業(yè)都要學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，通過對利用Multisim軟件對電工實驗的改革嘗試，發(fā)現(xiàn)相對于沒有改革的學(xué)生來看有很大程度的提高，主要體現(xiàn)在三方面：一是從學(xué)生上課的積極性和課堂討論的參與程度上看，大多數(shù)的學(xué)生對實驗前的準(zhǔn)備工作都很充足，討論問題都積極發(fā)言，課堂氣氛活躍；二是從學(xué)生對老師的評教結(jié)果看，改革的班級學(xué)生對教師的評價普遍高于未改革的班級；三是教師也明顯地感到改革班的課程任務(wù)相對輕松。

參考文獻：

[1]黃培根，任清褒.Multisim10計算機虛擬仿真實驗室[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]梁雪松，張容.Multisim10仿真軟件在電子電路實驗教學(xué)中的運用[J].四川教育學(xué)院學(xué)報，2011，27（3）：116-118.

[3]張志立.基于Multisim技術(shù)的電路實驗[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，8（1）：15-18.

[4]公茂法，劉慶雪，劉寧.淺談Multisim在電路實驗教學(xué)中的作用[J].中國電力教育，2011，（7）：125-126.

[5]陳俊紅，胡俊祥，孫維連.電工技術(shù)課程教學(xué)改革與實踐[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（農(nóng)林教育版），2010，12（2）：259-262.