从仿真软件到虚拟电工电子实验室

江苏联合职业技术学院无锡机电分院 邸静妍

1.引言

在现代教育中，实验教学占有非常重要的地位，它是对学生进行创新素质教育的一个重要手段，也是对学生动手能力培养的必要途径。

现在，随着国家对职业教育的重视，学校对各类技术的培训也逐渐增多。职业类学校对实验课的教学，在实验形式、内容上的要求越来越高，而同时在实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后的情况下，一定程度上影响了学校实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。虚拟实验作为传统实验的一个必要的有益补充，既能节约大量的教育经费，也可以圆满地完成实验教学任务。

所以我们设想来利用“虚拟仪器”、“虚拟器件”在计算机上进行电子电路设计和实验的新方法。

2.MULTISIM的发展与优势

随着科技的发展，计算机在电子电路设计中发挥着越来越大的作用。20世纪80年代，出现了一批优秀的电子设计自动化软件，如EWB，PSPICE等，并把它作为电子类专业课程教学和实验的一种辅助手段。随后ITT公司对EWB进行了较大的改动，从MULTISIM V6到MULTISIM2001，最后到现在最新的MULTISIM7，甚至MULTISIM10，软件的功能得到了前所未有的扩展。

MULTISIM属于PCB的前端设计软件，主要完成电路的输入、电路的仿真和设计。它有以下几个优点：

(1)提供的元件相当的广泛，有数千个器件模型，还可以自己添加新的元件。

(2)可以提供全面的分析工具，利用这些工具，我们可以完成对电路的各种分析，全面了解电路性能。

(3)可以与ALTIBOARD软件连用，通过ALTIBOARD软件中的3D视图功能，逼真的显示出各种元器件的实际形状，获得更好的虚拟实验的效果（如图2-1-1）。

(4)拥有的仿真Agilent仪器有三种：Agilent信号发生器、Agilent万用表、Agilent示波器。这三种仪器与真实仪器的面板，按钮、旋钮操作方式完全相同，使用起来更加真实。图为Agilent示波器的型号是54622D，图标和面板如图2-1-2所示。

综上所述，MULTISIM具有很好的条件进行虚拟电工电子实验，并对电工及电子电路进行全面的仿真分析和设计。

表1

图2 -1-1 ALTBOARD软件的3D视图功能

图3 -2-1 基尔霍夫定律验证实验原理图

3.MultiSim在电工电子实验教学中的应用举例

3.1 电工实验应用实例-基尔霍夫定律的验证

3.1.1 要求

构造一个如图3-2-1所示的电路，以验证基尔霍夫定律的正确性。

3.1.2 电路原理

在学习电工基础时，最先要学习的就是基尔霍夫定律。基尔霍夫定律的内容是：在任意时刻，对于任意节点来说，流入或流出该节点的电流之和为零，电路中任意一个回路的电压降之和为零。

3.1.3 MULTISIM的操作过程

(1)建立一个测试电路，激活电路进行测试，将测试得到的电压和电流的结果填入表中。

(2)改变各元件参数，电压源和电流源彩电参数分别是US=5V，IS=2A，再激活电路进行测试，将测到的电压值，电流值填入表1中。

3.1.4 实验数据及结论

图2 -1-2 仿真器件-Agilent示波器

图3 -3-1串联型稳压电路

图3 -3-2 串联型稳压电路的输入、输出波形

将表中的U1，U2，US相加，结果均为零，电流值I1，I2，I3，IS相加，结果均为零。由表中结果可证明基尔霍夫定律的正确性。

3.2 电子实验应用实例-串联型稳压电路

3.2.1 要求

(1)建立串联型稳压电路.

(2)分析串联型稳压电路的性能

3.2.2 电路原理

在稳压电源电路里，应用的最多、最广泛的就是串联型稳压电源。

串联型稳压电源主要由基准电压产生电路、取样电路、放大电路和调整环节组成。在实际电路中，为了保证调整管的安全，还必须设有保护电路。在如图所示的电路中，稳压管构成的电路作为基准电压产生电路；R1、R2和RW构成取样电路；集成运算放大器作为比较放大电路；晶体管为调整管。

电路工作时，经过从输出电压取样—与基准电压比较-误差放大-调整管进行调整，完成稳压的过程。由于调整管和负载电阻串联，故称电路为串联型稳压电路。

3.2.3 MULTISIM操作步骤

(1)建立如图3-3-1的串联型稳压电源电路。220v的交流电经变压、整流、滤波进入稳压环节。电路中，运放采用741，稳压管采用IN4372A，示波器通道A设为10v/DIV，通道B的输入设为5v/DIV，选择DC方式。

(2)打开仿真开关，调节电位器的阻值，将输出电压调至5v，利用万用表来测量输出电压和电流，并用示波器来观察串联型稳压电路的输入输出波形。

(3)计算该电路的输出电压的最大值和最小值，并与理论值进行对比。

3.2.4 实验结论

(1)电路的输入输出波形如3-3-2所示。该电路可以实现稳压的作用。

(2)已知基准电压为3v，用公式计算得到的输出电压最大值和最小值为4.5v和9v。利用调节电位器可以获得的输出电压的最大值和最小值分别为4.53v和9.03v。两个数值基本相同。

4.存在的问题

(1)本文的题目中提到了虚拟实验室，但论述的内容只是罗列了几个典型的实验，简述了MULTISIM软件在电工电子实验方面的应用。但是如果真的构建一个虚拟的实验室，仅仅靠软件本身是无法实现的，应配合数据库的建设和网络来进行完善。通过网络不但可以进行在线教学，还可以对实验进行整体批改和实验报告的生成。

(2)虚拟的设备和元件并不能完全地代替实物教学，应该是作为一种辅助的实验设施。应该让学生会实际操作实物，而对于损耗大、破坏性强的实验尽量采用虚拟设备。

5.结论

从以上列举的仿真试验中可以看出，用MultiSim进行电工电子虚拟实验非常方便，现象直观，结果精确。我们认为在职业类学校教学经费不足的情况下，通过仿真实验可以大大缓解实验仪器设备不足等问题，提升实验教学对学生创新能力和实践能力培养的力度，同时降低实验教学对客观物质条件的依赖都有积极的促进作用。

[1]熊伟,梁青.MULTISIM电路设计及仿真应用[M].清华大学出版社,2005,7.

[2]郑步生.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用[M].北京:电子工业出版社,2002．

[3]康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].北京:高等教育出版社.

[4]路而红.虚拟电子实验室—MUTISIM 7&ULTIBOARD 7[M].北京:人民邮电出版社.