基于Multisim的高职“模拟电路”虚拟实验教学实例研究

刘 丹

“模拟电路”是电子信息类专业重要的专业基础课程，也是一门实践性很强的课程。“模拟电路”中的一些概念和理论知识，对于刚刚接触电路的初学者来说，比较抽象，难以理解，而近年来计算机仿真技术的快速发展，大量EDA软件的出现，使虚拟实验被大量引入到课堂教学中，从而为“模拟电路”的教学提供了一种新的方式。

虚拟实验借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，突破传统实验教学的局限，极大地提高了教学效果。[1]本文以“模拟电路”课程中“单管共射极放大电路的虚拟实验教学”为实例，简述模拟电路教学中虚拟实验的应用问题。

一、实验目的

通过虚拟实验教学，使学生掌握单管共射级放大电路静态工作点Q的测量和调整方法，分析静态工作点对放大电路性能的影响，掌握放大电路性能指标Au，Ri，Ro的计算和测量方法。

二、实验原理

图1所示为电阻分压式静态工作点稳定的共射级放大电路，其中，RB1=R2+RP。当在放大电路输入端加上输入信号Ui后，在输出端可以得到与Ui相位相反的，被放大的输出信号Uo，从而实现了电压信号的放大。

静态工作点的设置是为了给放大电路提供一个合适的直流工作环境，以保证输出的信号不失真，使电路具有较高的电压放大倍数。改变电路的参数 VCC、RB、RC，引起静态工作点的变化，在这个虚拟实验中，通过调节上偏置电阻RP，得到一个合适的静态工作点。如图1所示，RP将引起RC增大，也就是静态工作点偏高，这样容易产生饱和失真；当RP增加时，IC会减小，静态工作点下移，接近截止区，容易产生截止失真。可见，调节RP可以获得一个合适的静态工作点。

在放大电路工作时不出现输出信号失真，静态工作点应该尽可能选在交流负载线的中点位置。

因此，在设置静态工作点时，先加大Ui,再调节RP。如果加大Ui时先出现饱和失真，说明静态工作点设置偏高，如图2所示，将RP调大，使静态工作点下移。如果增大Ui时，先出现截止失真，如图3所示，说明静态工作点偏低，可调小RP。当Ui增大时，出现双向失真，此时，静态工作点就在交流负载线的中点附近，这时不用调节RP，慢慢调小Ui，当输出的电压不出现失真时，即得到最大不失真输出电压。

三、实验内容与步骤

（一）静态工作点及β的测试

图1 电阻分压式静态工作点稳定的共射级放大电路

图3 饱和失真

如图4所示，启动仿真实验，调节RP使IC=1.5mA，这时可以测量出静态工作点的各个直流分量，基极电压UBEQ，基极电流IBQ,UCEQ,ICQ,β值根据测量的基极电流和集电极电流计算得出。将电路实际测得的静态工作点参数记录下来，与通过计设工作在放大区，如果按照此方法求出UCEQ太小，接近零或者负值时（有可能是RB或者RC太小），说明集电结没有正常的反向偏置，晶体管接近饱和区或者已经位于饱和区内，这时β将慢慢减小或者根本无法放大，iC=βiB公式不成立，测量的结果是:ICQ≈VCC/RC,UCEQ≈0。

（二）电压放大倍数与输入电阻的测定

如图5所示，交流源电压放大倍数的测量方法如下。

1.双击示波器图标，按下述进行调整:X轴扫描均为 500μS/Div，A通道Y轴幅度均为10mV/Div，B通道选择 AC模式，Y轴幅度为200mV/Div。打开电源开关，可观察输入、输出信号波形的对比。算获得的理论值相比较，可以发现，电路的静态工作点参数基本一致。这种方法求静态工作点是假

图2 截止失真

图4 静态工作点及β值测量电路

2.关掉电源，拖动示波器屏幕两端的读数标尺分别放至两曲线的波峰和波谷点，从屏幕下方的读数窗口中分别读出输出、输入信号电压的峰峰值。计算它们的比值，即为交流电压放大倍数。

3.双击电压表图标，在打开的对话框中选择Mode为AC，再按确定按钮。打开电源开关，读出输出、输入电压，计算出交流电压放大倍数。将示波器A通道输入端改接在R6、C1之间（节点11），重复上述测量过程，所得电压比值即为交流电压放大倍数。

输入电阻为放大电路的重要参数，在该电路中，从节点11向电路内部看进去的总等效电阻即为其输入电阻。其测量方法是:在输入端接一已知阻值的电阻R6（等效为电源内阻RS），交流电压表接在节点11与地之间，接通电源开关后，读取电压表的测试数据，则根据公式Ri=（Ω）即可求出输入电阻。需加以注意的是，这是虚拟实验测量方法，与电路分析方法是有区别的。[2]

（三）输出电阻的测量

输出电阻也是放大电路的重要参数，其虚拟实验测量方法是:在输出端接交流数字电压表或示波器，打开电源开关，测量输出电压VO；断开电源，断开输出负载RL，再打开电源，测量空载输出电压 VO’；然后，根据公式 RO=()×RL(Ω)，求出输出电阻，如图6所示。

图5 电压放大倍数与输入电阻的测定

根据表1分别计算和记录静态工作点及β值的实测值与理论值，分析理论值与实测值的差别，二者结果应该基本相符。结论:影响静态工作

（四）实验数据的记录和分析

图6 输出电阻的测定

点位置的主要因素有VCC、RC和RB。在这三个因素中，一般Vcc确定后不会变化；RC对静态工作点的影响相对要小一些，RB是这三个因素中最主要的影响因素，一般可以认为IBQ与RB成反比。饱和失真时，应该增大RB,使IBQ减小，将静态工作点降低；截止失真时，应该减小RB，使IBQ增大，提高静态工作点。调节RB就可以调节静态工作点Q，使它位于放大区负载线的中间。

表1 静态工作点及β实测值与理论值对照

电压放大倍数AU可以采用两种方法测量:电压表测量和示波器测量。分别测量有载时（RL=2KΩ，有载）电压放大倍数AU和空载时（RL=∞，空载）电压放大倍数AU’。同时，根据理论公式计算出AU和AU’，二者进行比较，结果应该基本相符，如表2所示。

在“模拟电路”课堂教学过程中,学生从原来的线性电路移植到非线性电路需要一个理解的过程，非线性电路的定性分析、定量计算是教学中的难点，绝大多数学生认为非线性电路很抽象，很难深刻理解电路原理和实际功能。[3]采用虚拟实验教学，将计算机仿真技术运用到电路的分析中，教师在讲解电路原理的同时，使用仿真软件模拟电路的运行过程和输出曲线，通过实时改变电路元件的参数输出，同步得出仿真曲线。通过对比，可以使学生更直观地了解电路中各元件的作用，以及由于电路参数值的调整，各元件对电路性能参数的影响，促进了学生对电路原理的认识，帮助他们进一步掌握了元器件在电路中的作用功能，从而提高了课堂教学质量。

表2 电压放大倍数实测值与理论值对照

[1]马良花，刘晓亮.模拟电子电路课程教学方法刍议[J].浙江交通职业技术学院学报，2009(1):45-47.

[2]唐民丽，吴恒玉.Multisim2001在模拟电子技术多媒体课堂教学中的应用[J].装备制造技术，2006（4）:158-159.

[3]李朝海，吴援明.“模拟电路”教学效果的调查分析及其对策研究[J].理工高教研究，2009(1):126-128.