NI Multisim 10在电工电子技术教学中的应用

罗廷芳，南 江，李 伟

（西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224）

电工电子技术是非电类工科专业的一门专业基础课，具有很强的应用性和实践性，随着现代社会对工科人才的需求，这门课程的重要性毋庸置疑。电工电子技术的课程内容是由《电路》、《模拟电子技术》和 《数字电子技术》3门课程综合而成，涉及内容多，综合面广。学生通过这门课程的学习，应基本掌握电路分析、电子技术及电气控制的基本理论和基本技能。

结合电子电路仿真软件实现仿真实验教学已作为一种新的教学手段得到了广泛的应用。利用Multisim仿真软件搭建虚拟实验平台，使学生可随时随地学习各种仿真实验，元器件的参数修改方便，使学生在学习的同时扩大自己的知识面，巩固和加深对相关知识的理解。因此，采用Multisim或其它仿真软件进行虚拟实验教学已成为各高校实验教学的重要组成部分，也是解决实验室资源短缺和远程教育难等问题的重要途径[1]。将虚拟实验室运用到电工与电子技术实验教学中，将会给实验教学带来新的活力。

1 Multisim 10在电工电子技术教学中应用的必要性

1.1 NI Multisim 10简介

NI Multisim 10是美国国家仪器公司（NI，National Instruments）最新推出的Multisim版本，是该公司电子线路仿真软件EWB（Electronics Workbench，虚拟电子工作台）的升级版。其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库。具有较为详细的电路分析功能，可完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域分析和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法。它可以设计、测试和演示各种电子电路；可实现计算机仿真设计与虚拟实验。

1.2 必要性分析

传统的电工电子技术实验教学方法都是采用实物实验，即采用具体的仪表和设备来进行实验，这种实验方法在帮助学生理解和掌握基本理论知识和基本技能方面发挥了不可替代的作用，同时通过实验也可以进一步培养学生分析问题和解决问题的能力。但是，首先，随着科学技术的快速发展，按目前我校电工电子技术实验室的条件，要给学生开设一些设计型和综合型扩展实验还存在一定的困难[1-2]；其次，电工与电子技术实验室的设备均属于消耗品，每做完一批实验，总有一些器件设备损坏，特别是电流表等易损坏，使实验室的硬件条件在一定程度上满足不了教学的要求，这样无疑对培养学生的综合能力带来了很大的影响，很难满足现代工业社会对高层次专业技术人才的需求。

而对于实验教学，一般包含4部分：操作性实验、验证性实验、设计性实验、综合性实验[3]。其中操作性实验和验证性实验是最基础的两部分，是属于必修型实验内容，需要所有同学都掌握，主要内容是使学生学会基本的操作仪表，做一些简单的测量，并通过实验验证，加深对所学知识的理解与掌握。设计性实验和综合性实验则对学生的能力有一定的要求。首先设计类实验是考察学生对所学知识的掌握程度，同时也培养学生分析、解决问题的能力；其次综合性实验是对学生综合能力的考察与锻炼，最后两种实验内容是选做型，需要根据学生的能力与学习要求作灵活调整。

这4种实验类型对于实验教学来讲都是非常重要的，但由于实验学时、实验硬件条件等的限制，使得某些基础验证型实验无法开展，更不用说设计型实验和综合型实验，这就需要结合Multisim仿真软件构建电工电子技术虚拟实验平台，结合有限的教学资源，创造良好的教学环境。

利用NI Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可同步进行，可以边设计边实验；修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪表齐全，可以完在成各种类型的电路设计实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用[4]。

2 NI Multisim 10在电工电子技术教学中的应用实例

2.1 模拟电路中的仿真分析应用

如图1所示，是一个一阶有源低通滤波器，是由一级RC低通滤波电路加一个电压跟随器构成，单击波特图仪XBP1，还可以看到该有源低通滤波电路的幅频和相频特性曲线，如图2所示。

2.2 数字电路中的仿真分析应用

图1 一阶有源低通滤波电路仿真原理图Fig.1 Schematic diagram of first-order active low-pass filter circuit

图2 一阶有源低通滤波电路仿真波形图Fig.2 Simulation waveforms of first-order active low-pass filter circuit

如图3所示，利用2片二进制加法计算数器74LS160采用同步级联方式实现88进制加法计数器，可利用DCD_HEX数码管直接观察到对应的10进制字数，按图连接方式，左边的数码管显示的是低位，右边的数码管显示的是高位，非常直观的显示出计数结果，验证设计结果的正确性。同时，仍可用示波器或逻辑分析仪观察其输出波形，采用4通道示波器分别观察低4位和高4位的输出波形，如图4所示。

2.3 NI Multisim 10在课程设计中的应用

利用Multisim设计一个彩灯花样变换电路，如图5所示，利用一片555构成基准时钟电路，一片二进制同步加计数器74LS161构成计时电路，一片双D触发器74LS74实现移位寄存器功能，一片74LS153实现数据选择功能，一片8位移位寄存器，图中为了演示出设计的效果，分别用X1～X8代替实际电路灯，作电路仿真演示。

图6所示为该彩灯变换的花样，从（a）到（e），其花样分别为8个彩灯全亮、全灭、一亮一灭、二亮二灭、四亮四灭顺序变换。

3 结 论

图3 用74LS160构成88进制加计数电路Fig.3 88 decimal plus counting circuit used 74LS160 chip

图4 88进制加计数电路输出波形图Fig.4 Simulation waveforms of 88 decimal plus counting circuit

图5 彩灯变换电路仿真原理图Fig.5 Simulation schematic diagram of lights transform circuit

图6 彩灯变换效果图Fig.6 Diagram of lights change effect

NI Multisim 10仿真软件简单易学，便于开展电子电路仿真分析，并且弥补了传统教学实验对实验地点、设备、时间等的限制，可根据学生的需要自主学习、设计、分析电路，有利于调动学生的积极性。利用NI Multisim 10搭建电工电子技术教学的虚拟实验平台，能进一步完善现有的实验教学体系，不仅可以节约在实验教学方面的投入，更重要的是提供一种全新的教学方式，提高本系列课程的教学质量，促进其教学内容和教学方法的进一步深化，大幅提高学生的实践和创新能力的培养空间。

[1]吴根忠，李剑清.基于Multisim的电工学虚拟实验教学[J].实验室科学，2011，14（3）：19-21.

WU Gen-zhong，LI Jian-qing.Electrotechnics virtual experimental teaching based on Multisim[J].Laboratory Science，2011，14（3）：19-21.

[2]吴晓荣.MultiSIM在电子技术实验教学中应用的研究[J].天津师范大学学报：自然科学版，2001，21（2）：41-44.

WU Xiao-rong.Research of the multisim applied in the electrical technology practice teching[J].Journal of Tianjin Normal University：Natural Science Edition，2001，21（2）：41-44.

[3]耿大勇，李亮之.面向21世纪电工学实验教学改革的探索与实践[J].实验室科学，2008（5）：24-26.

GENG Da-yong，LI Liang-zhi.Research and practice of the electrical engineering experimental teaching reform for the 21st Century[J].Laboratory Science， 2008（5）：24-26.

[4]黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M].北京：电子工业出版社，2008.

[5]王留芳，董德礼，周拓宇，等.多模式、多层次电子电工实践教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索，2011，30（3）：94-96.

WANG Liu-fang，DONG De-li，ZHOU Tuo-yu，et al.Exploration and practice of the Multi-Mode Multi-level electronic and electrical practice teaching model[J].Research and Exploration in Laboratory， 2011，30（3）：94-96.

[6]秦曾煌.电工学[M].7版.北京：高等教育出版社，2010.