Multisim在電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

張輝

（重慶移通學(xué)院，重慶合川，401520）

0 引言

目前，在疫情影響下我校電子信息類專業(yè)在“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)中存在如下問題：

(1)采用線上教學(xué)方式的班級(jí)學(xué)生無法在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手實(shí)際操作，課程無法深入教學(xué)。

(2)由于之前課程理論知識(shí)遺忘或不扎實(shí)，導(dǎo)致實(shí)際操作過程中大量芯片燒壞，操作不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致儀器儀表損壞且存在一定的潛在危險(xiǎn)。

(3)由于學(xué)校安排的實(shí)驗(yàn)課上，實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量有限，往往是分組完成實(shí)驗(yàn)操作，讓每個(gè)學(xué)生獨(dú)立操作不現(xiàn)實(shí)，學(xué)生無法切身體會(huì)實(shí)驗(yàn)過程，就會(huì)出現(xiàn)部分學(xué)生不動(dòng)手不思考的現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果低下，達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果。

針對(duì)以上問題，如果在線上或線下課程設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中引入電路仿真軟件，借助計(jì)算機(jī)的力量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程線上教學(xué)，學(xué)生不管在家還是在學(xué)校都能夠進(jìn)行課程的學(xué)習(xí)，這樣不僅解決了因疫情等原因?qū)е碌木€上教學(xué)難的問題，而且提高了電路設(shè)計(jì)與測(cè)試的效率，減少了相關(guān)器件的損耗，保證了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的安全性，有利于提升學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)性和全員動(dòng)手操作能力。

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。該軟件有豐富的元件庫和完善的虛擬儀器儀表，選擇器件窗口方便，元器件參數(shù)更改方便，對(duì)電路圖的修飾容易上手，仿真過程和讀取數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，適用于零基礎(chǔ)的學(xué)生學(xué)習(xí)和使用，更能夠從側(cè)面讓學(xué)生理解元器件的使用功能及使用方法。

本文以波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)為例，結(jié)合目前線上線下學(xué)生學(xué)習(xí)情況和老師教學(xué)的困境，以及Multisim仿真軟件強(qiáng)大的功能，下面將詳細(xì)闡述Multisim在“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”中的應(yīng)用。

1 Multisim在電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)包括電路設(shè)計(jì)、電路仿真與測(cè)試、硬件電路搭建與調(diào)試、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告等環(huán)節(jié)[2-3]。

3.選舉投票時(shí)設(shè)有獨(dú)立寫票和秘密投票間。這不僅是一種人文關(guān)懷，也是憲法和法律賦予公民的一項(xiàng)基本權(quán)利。在基層民主選舉中，由于物質(zhì)條件，更是由于觀念的滯后，在經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)很難做到這一點(diǎn)。因此，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，合理設(shè)置現(xiàn)代化、人性化的選舉場(chǎng)地，亦是我們?cè)诩?xì)節(jié)上需要不斷提升的。

(1)電路設(shè)計(jì)：課程開始會(huì)提供3-5個(gè)電子技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生可根據(jù)設(shè)計(jì)要求與實(shí)驗(yàn)室條件，首先通過查閱資料自行設(shè)計(jì)總體方案，然后對(duì)單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，選擇合適的器件，最后畫出整體電路原理圖。

(2)電路仿真與測(cè)試：利用Multisim仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行搭建并仿真，通過Multisim提供的虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試與調(diào)試，不斷修改電路元器件參數(shù)和線路，最終達(dá)到仿真零錯(cuò)誤且出現(xiàn)正確實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)著傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)的電路搭建和性能測(cè)試。由于不需要真實(shí)電路環(huán)境的介入，因此效率高，可線上線下同時(shí)進(jìn)行，結(jié)果快捷、準(zhǔn)確、安全。

(3)硬件電路搭建與調(diào)試：根據(jù)仿真測(cè)試電路圖，選擇合適元器件進(jìn)行實(shí)物安裝。此環(huán)節(jié)可鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力和理解能力。

(4)撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告：將前面幾個(gè)環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容以文字和圖表的形式展現(xiàn)出來，可作為學(xué)生課程期末成績(jī)。該環(huán)節(jié)鍛煉了學(xué)生知識(shí)轉(zhuǎn)化和寫作的能力。

2 基于Multisim的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

波形發(fā)生器是一種信號(hào)發(fā)生器，在一些硬件調(diào)試中常常用到。利用555數(shù)字芯片可設(shè)計(jì)多種波形發(fā)生器，如方波、三角波和正弦波的輸出。它的制作成本不高，電路簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)方式也多種多樣，結(jié)果可通過示波器顯示，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)室完成十分合適，所以設(shè)計(jì)波形發(fā)生器有重要的實(shí)際意義和課程價(jià)值。結(jié)合電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程可以實(shí)現(xiàn)多種形式的波形發(fā)生器，本文所要完成的電路設(shè)計(jì)在我校要求如下：

(1)借助電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱，用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)制作產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的波形發(fā)生器。

(2)要求輸出波形工作頻率范圍為100Hz~1kHz且連續(xù)可調(diào)。

(3)要求方波幅值±1V。

(4)要求三角波幅值±0.3V。

(5)要求正弦波幅值±0.1V。

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求可知，本設(shè)計(jì)主要由以下三部分組成：直流穩(wěn)壓電源部分，脈沖產(chǎn)生部分，波形產(chǎn)生部分。

2.2 電路設(shè)計(jì)及仿真

2.2.1 直流穩(wěn)壓電源部分設(shè)計(jì)與仿真

直流穩(wěn)壓電源[4]往往是我們電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的所需電源，所以我們必須掌握直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)過程。大致過程如下：首先是變壓，電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離，如果交流電源電壓過高，則第一步要利用變壓器將高壓交流電變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姡紤]到?jīng)]有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生自身安全，且實(shí)驗(yàn)室有低壓交流電源，所以本文仿真電路跳過第一步變壓過程；其次是整流，利用二極管的單向?qū)щ娦越M成整流電路，可將交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電壓，本文采用目前最常用的橋式整流電路，在交流輸入電壓分別在正半周和負(fù)半周內(nèi)，其中兩個(gè)二極管導(dǎo)通，兩個(gè)截止，使得整流電路的負(fù)載上都有方向不變的脈動(dòng)直流電壓和電流；然后是濾波，整流電路輸出的直流電中依然存在部分交流電，實(shí)驗(yàn)室通過示波器可觀察到波形為紋波，要獲得較理想的直流電壓，就需要用有儲(chǔ)能作用的電抗元件組成濾波電路來濾除波形中的脈動(dòng)成分，本文采用的是電容構(gòu)成的低通濾波器，利用電容充電放電特點(diǎn)，根據(jù)時(shí)間常數(shù)τ=RC，結(jié)合具體電路和示波器便可得到脈動(dòng)很小的輸出波形；最后是穩(wěn)壓，由于經(jīng)過濾波電路后的直流電壓不穩(wěn)定且大部分電子裝置都需要有穩(wěn)定的直流電流源供電，所以本文使用廣泛可調(diào)節(jié)三端正電壓穩(wěn)壓器LM317，把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本文設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源電路在Multisim中的仿真電路如圖1所示，13V交流電壓源供電，經(jīng)橋式整流電路D1整流后，可通過示波器按圖中所示連接測(cè)試輸出波形，如圖2中下面波形所示；含脈動(dòng)很大的直流電壓經(jīng)電容C1和C2與后面負(fù)載共同構(gòu)成的濾波電路，可再次通過虛擬儀表示波器測(cè)試輸出波形，如圖2中上面波形所示；最后通過LM317按圖1所示電路構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，調(diào)節(jié)可變電阻R3保證輸出電壓為5V，其中C3和C4起到再次濾波的作用。仿真結(jié)果顯示，13V交流電源最終變換為穩(wěn)定的直流5V電源，達(dá)到預(yù)期要求。

圖1 直流穩(wěn)壓電源仿真電路

圖2 整流和濾波后波形圖

2.2.2 脈沖產(chǎn)生與波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)與仿真

555時(shí)基電路的應(yīng)用十分廣泛，本文利用555定時(shí)器構(gòu)成間接反饋型多諧振蕩器，并與RC積分電路來分別實(shí)現(xiàn)方波、三角波和正弦波的輸出。利用Multisim實(shí)現(xiàn)仿真電路及結(jié)果測(cè)試，如圖3和圖4所示，圖3顯示該電路核心器件為555數(shù)字芯片，加上外圍電路構(gòu)成間接反饋型多諧振蕩器，可輸出近似方波，輸出端再由RC積分電路對(duì)方波變形，可輸出三角波和正弦波。其中多諧振蕩器經(jīng)R2、R3、滑動(dòng)變阻器R7和電容C2進(jìn)行充電，C2為定時(shí)電容；而放電時(shí)只經(jīng)R3和滑動(dòng)變阻器R7，選用電阻時(shí)要求R2和(R3+R7)均應(yīng)大于或等于1kΩ，且R2+(R3+R7)應(yīng)小于或等于3.3MΩ，確保電路穩(wěn)定性。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間不相等，T2= 0.69R0C2，其中R0=R3+R7， 振蕩周期T=T1+T2，振蕩頻率f=1/T。結(jié)合上述計(jì)算公式，可計(jì)算出振蕩器輸出頻率為100Hz左右，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R7可改變振蕩器的頻率，即方波的工作頻率連續(xù)可調(diào)。方波信號(hào)由四通道示波器XSC1通道A輸出顯示，如圖4中下面波形所示；R4和C4構(gòu)成積分電路，方波信號(hào)過后輸出三角波，由通道B輸出顯示，如圖4中間波形所示；三角波再經(jīng)R5和C6構(gòu)成的積分電路，輸出近似的正弦波，由通道D輸出顯示，如圖4中上面波形所示。上述仿真結(jié)果可以看出，此電路實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生了正常的脈沖信號(hào)和多種波形的產(chǎn)生，達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。

圖3 各種波形發(fā)生器的仿真電路

圖4 各種波形發(fā)生器的仿真結(jié)果

可以看出，實(shí)驗(yàn)室搭建電路線路復(fù)雜且器件容易出現(xiàn)選錯(cuò)、損壞等問題，仿真軟件Multisim設(shè)計(jì)、搭建電路自由，電路清晰，出現(xiàn)問題排查方便，應(yīng)用于電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課堂有重要意義。

3 結(jié)語

經(jīng)過在我校2018級(jí)和2019級(jí)電子類專業(yè)學(xué)生線上和線下教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)波形發(fā)生器過程中，將電路設(shè)計(jì)、搭建和調(diào)試以虛擬仿真軟件Multisim呈現(xiàn)出來，仿真作為學(xué)生自主性、創(chuàng)造性思維的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它打破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以在不同的時(shí)間、地點(diǎn)和領(lǐng)域自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，間接解決了因疫情在家上實(shí)驗(yàn)課的困難。也可以看出在電子技術(shù)課程教學(xué)中，適當(dāng)引入Multisim電路仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，將抽象的理論較為形象地顯示出來，不僅保證教學(xué)質(zhì)量，避免器材耗費(fèi)，還提高了教學(xué)效果和課堂知識(shí)獲取的效率，提升了學(xué)生的邏輯思維和操作能力。