如何讓Multisim更貼近模電教學(xué)

王秀芹

（江蘇省姜堰中等專業(yè)學(xué)校，江蘇泰州，225500）

0 引言

模電是中職機電、汽修、數(shù)控等工科類專業(yè)必修課，其內(nèi)容抽象晦澀，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，對中職學(xué)生而言，可謂入門難，理解難，實踐難，不少學(xué)生在課程開始時就有了畏難情緒，學(xué)習(xí)難以為繼。

模電的主要內(nèi)容是學(xué)習(xí)各種半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和外特性，以及以三極管、穩(wěn)壓器、555電路等半導(dǎo)體器件為核心所構(gòu)成電路的原理、功能與應(yīng)用。隨著課程改革和教學(xué)要求的改變，留給學(xué)生學(xué)習(xí)模電的教學(xué)課時和實驗經(jīng)費越來越少，為了保證教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不少院校嘗試把電路仿真軟件引入教學(xué)中，把枯燥抽象的電學(xué)原理與物理現(xiàn)象用各種波形與數(shù)據(jù)加以佐證，讓學(xué)生在掌握電路的特點和功能的同時，還能學(xué)習(xí)各種高級儀表的使用方法，使得教學(xué)質(zhì)量得以保證，也極大地拓寬學(xué)生興趣和眼界。

1 MultiSim簡介

MultiSim是NI公司推出的基于Windows平臺的仿真軟件，秉承“把實驗室裝進PC中，軟件就是儀器”的理念，集電子電路原理分析，設(shè)計、虛擬仿真為一體的電子設(shè)計自動化環(huán)境，在系統(tǒng)建模和仿真，科學(xué)工程設(shè)計及應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等方面有著廣泛應(yīng)用。Multisim可幫助教學(xué)、科研和設(shè)計人員分析模擬、數(shù)字和電力電子，深受國內(nèi)外教師、科研人員和工程師的認(rèn)可。

2 輔助解題，拓寬題意

在教學(xué)中，學(xué)生在掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識后，解題與電路設(shè)計是學(xué)生理解和掌握電路的主要途徑，本文試圖從解題的角度幫助學(xué)生理解模電的特點以及該軟件在教學(xué)中的特點。

例題1、如圖1，VBE=0.7V，β=60，rbb=300Ω，計算該電路的靜態(tài)點，輸入、輸出電阻，電壓放大倍數(shù)。

圖1

分析，此題是模電里極為常見的題目，求解也不難，卻是學(xué)好模電的敲門磚。

現(xiàn)利用教材介紹的方法計算求解：

靜態(tài)點求解，為計算結(jié)果更精確，利用戴維南定理求解，如圖2所示 (詳細過程略)。

圖2

交流參數(shù)求解：如圖3所示(詳細解題過程略)。

圖3

為了把電工基礎(chǔ)與模電的知識更好地融合，本題的求解采用微變等效電路的方法，其優(yōu)點是把三極管器件的特性用學(xué)生熟悉的電阻和電流源來表達，由于微變等效后的電路比較完整，學(xué)生可以很好地分析、運用所學(xué)的電工知識。

到此，通常這道習(xí)題求解完畢。

基于讓Multisim貼近教學(xué)的初衷，用這個仿真軟件做這個題目。在軟件“計算”此題目時，需要設(shè)定β值和UBE值，由于這兩個值具有一定變化范圍，因此選用軟件自帶的虛擬三極管，并在編輯模型中修改β=60值（BF值），UBE不可修改，經(jīng)測量在0.7V左右。

圖4

對于靜態(tài)點檢測，可以有多種方法，學(xué)生在初中學(xué)物理時，就要求用儀表測量，在電子技術(shù)中，依然用儀表測量，在Multisim中，學(xué)生可以調(diào)用電流表、電壓表、萬用表檢測電路參數(shù)。檢測數(shù)據(jù)如下：

為拓寬學(xué)生的思路，也可以利用軟件自帶的直流工作點分析以及電流、電壓探針，可得到同樣數(shù)據(jù)。

對于交流參數(shù)的測量，首先利用示波器觀察放大信號是否失真，若輸出波形得到不失真地的放大，且為倒相，此時根據(jù)電壓放大倍數(shù)的定義，利用虛擬電壓表，測量電壓放大倍數(shù)：

輸入電阻的測量，利用定義測量，即：分別用虛擬電壓表，電流表，測量，并計算得到：

輸出電阻的測量：利用定義，將輸入端短路，測量輸出電壓與電流，

做到這里，題目的要求得到解決，對照理論計算和虛擬測量的數(shù)據(jù)，兩者比較接近，可見把仿真軟件引入教學(xué)中，具有驗證意義又具有工程指導(dǎo)意義—若仿真得不到正確數(shù)據(jù)，則實際電路就沒有必要搭建。

由于仿真平臺的強大和便捷性，教學(xué)中可以提出如下思路：

(1)但是可以利用這個軟件的電流探針功能，此工具按比例(10mV/mA)把電流轉(zhuǎn)化為電壓后，用示波器測量，觀察出輸出電壓與輸出電流的波形為同相，并計算出輸出電流為20.5μA。

(2)可以測量電流放大倍數(shù)，計算功率放大倍數(shù)，繪制功率曲線，為后繼教學(xué)內(nèi)容做鋪墊；

(3)在電路確定的條件，觀察輸入信號幅值為多少時，輸出信號出現(xiàn)失真，是什么失真？

(4)拓寬學(xué)生的知識面和學(xué)會使用高級儀表，在教師的指導(dǎo)下，可以利用波特圖儀測量電壓放大倍數(shù)，關(guān)鍵是學(xué)會儀器的調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)分析。

3 設(shè)計電路，理解電路

學(xué)習(xí)模電的一個目標(biāo)，就是設(shè)計指定參數(shù)的電路，可以說是例1的逆過程。

例題2，單級放大器的設(shè)計方法舉例：①Vcc=12V，Rs=100Ω；②Vi=10mV，AVL>20；③Ri> 2 kΩ，Ro<3kΩ，RL=2k ；④帶寬Δf = 200Hz ～ 3MHz ；⑤有較好的溫度穩(wěn)定性。

對于該電路，傳統(tǒng)設(shè)計需要大量的計算，搭建電路，最后調(diào)試，完成電路設(shè)計。因篇幅限制，傳統(tǒng)設(shè)計從略。

現(xiàn)借助Multisim軟件，設(shè)計該電路。

設(shè)計步驟：

(1)確定電路方案：要求有較好的溫度穩(wěn)定性，放大器的靜態(tài)工作點必須比較穩(wěn)定，為此采用具有電流串聯(lián)交、直流負反饋的共射極放大器。選擇晶體管，這里選2SC945 NPN小功率三極管，該管廣泛用于小信號放大電路中，可替換的管子種類較多，價格便宜。

(2)根據(jù)設(shè)計要求，利用軟件提供的“CE BJT amplifier wizard”工具初步組建放大電路，并忽略電路進入飽和狀態(tài)的提示，如圖5所示，生成電路如圖6所示。

圖5

圖6

(3)由于軟件自動生成的部分元件非標(biāo)，將電路元件標(biāo)準(zhǔn)化，為減少干擾去除交流信號源，將放大管改為2SC945。利用參數(shù)掃描，調(diào)節(jié)Rb1的值，使靜態(tài)點合適，此時，Rb1=80k，VCEQ=3.4V，ICQ=2.15mA。如圖7所示。

圖7

(4)添加信號源Vi=10mV，f=10kHz，電阻Re1=100Ω，使Re、Re1具有電流串聯(lián)直流負反饋，Re1具有電流串聯(lián)直流交流負反饋。利用參數(shù)掃描，調(diào)節(jié)Re1=13Ω，使Vom=533mV大于20×14.14=282.8mV。

(5)驗證參數(shù)：示波器觀看波形，沒有失真，Av=-577.9/13.7=-42，Ri=9.7mV/2.6μA=3.7kΩ，Ro≤3k，利用波特圖儀測得：GV=32dB，fL=116Hz，fH=5.38MHz。

綜合各測量參數(shù)，表明所設(shè)電路測量的參數(shù)符合設(shè)計要求，比較傳統(tǒng)方法，此法要簡捷多了，如有需要且條件許可，利用該公司開發(fā)的Ultiboard生成PCB電路，制作成電路板，供學(xué)生實際焊接，測試。

圖9

4 拓寬視野，增加分析手段

由于多種原因，中職模電的教學(xué)內(nèi)容做了不少刪減，難度也有所下降，這就給一些學(xué)有余力的學(xué)生，特別是參見相關(guān)比賽的同學(xué)，有吃不飽的感覺，例如定時器555電路是一個數(shù)?；旌现幸?guī)模集成電路，可以制作多種應(yīng)用電路，如此“通用”的器件在各種中職模電教材鮮有提及，為提升學(xué)生學(xué)習(xí)和分析電路的能力，可以利用它制作多諧振蕩器，在此電路的基礎(chǔ)上，串聯(lián)兩級多諧振蕩器制作模擬聲響電路如圖9所示，研究輸出波形和接收耳中的嘟嘟聲，若能深入研究，學(xué)生收益良多，極有成就感。

5 結(jié)語

針對中職人才培養(yǎng)目標(biāo)，在模電教學(xué)中，引入Multisim可將深奧，枯燥的模電知識變得生動形象，便于學(xué)生理解，既培養(yǎng)了學(xué)生的工程思維，又極大地降低學(xué)校的硬件投入。