基于Multisim的电工及工业电子学课程仿真实验设计

王尔申，李 轩，王相海，庞 涛

(沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136)

“电工及工业电子学”课程是高等院校工科非电类专业重要的技术基础课,具有信息量大、理论性和实践性强的特点[1-2]。该课程在沈阳航空航天大学很多院系的专业课程体系中发挥着承前启后的作用，对人才的培养举足轻重。该课程又分为电工技术和电子技术两部分内容，分别安排在大二下学期和大三上学期，并配有独立的实验教学环节。电工及工业电子学课程在1994年被评为沈阳航空航天大学一类课，又于1998年和2001年两次通过校一类课的复评，并于2002年被评为辽宁省省级精品课，2013年获批辽宁省省级资源共享课建设课程。

随着电工及工业电子学课程教学内容的不断扩充，该课程实验教学内容也需要同步更新。开设仿真实验，既可以扩展实验内容，让学生有机会独立开展更多的探索性、研究性实验，又可以缓解实验内容与学时之间的矛盾，还有利于学生掌握现代仿真软件工具、培养学生的实践能力和创新能力[3]。

1 Multisim仿真在实验教学中的应用优势

Multisim仿真软件为电子电路仿真提供了丰富的元件数据库，也提供了种类多样且标准化的仿真仪器，包括万用表、示波器、逻辑分析仪、失真度分析仪、波特图测试仪等[4]。引入Multisim软件，可以帮助学生将学到的理论知识用计算机仿真再现,更快、更好地掌握教学内容,加深对概念、原理的理解[5-6]。另外，Multisim可以对电路设置故障，以观察故障情况下电路的各种状态，进而培养学生的综合能力和创新能力,提高实验教学质量[7-9]。

Multisim仿真实验具备以下优点：

(1) 可解决实验内容膨胀和学时减少的矛盾;

(2) 可弥补实物实验的不足，实物实验不易实现、不易观察的内容可用仿真实验弥补;

(3) 扩展了实验的深度和广度，为硬件电路的实现提供了正确的理论依据和设计方案，使课程实验朝着“方案设计—软件仿真—电路设计与制作—系统调试”这一工程实践的流程发展;

(4) Multisim仿真实验打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点自主进行实验，增强分析问题和解决问题的能力;

(5) 可以让学生掌握一种电类仿真软件，为电路设计提供新的分析方法，为学生课后扩展实验范围提供技术基础，并有利于学生开展探索性、研究性实验。

为此，研究Multisim在电工及工业电子学实验教学中的应用，通过设计的不同仿真实验案例，提高教学效果和学生的实践能力。

2 基于Multisim的电工及工业电子学仿真实验设计

分别以电工及工业电子学课程中典型电路为设计实例，利用Multisim设计仿真实验教学案例，通过仿真实验提高学生对理论知识的理解能力以及学习积极性，使学生真正做到变被动学习为主动学习。

2.1 基尔霍夫电流和电压定律的仿真验证

基尔霍夫定律是电路理论中最基本的定律之一，也是最重要的定律之一，它阐明了电路整体结构的规律，应用极为广泛,对该定律掌握的好坏直接影响后续电路知识的学习。该部分内容的仿真实验以验证为主，利用Multisim仿真基尔霍夫定律，绘制具体电路，验证理论教学中的结论。在Multisim环境中设计的验证基尔霍夫电流定律的电路如图1所示。

图1 验证基尔霍夫电流定律的电路图

由图1可知:I1+I2=I3，I3+I4=I2，从仿真实验的角度验证了基尔霍夫电流定律，帮助学生理解电路结点电流代数和等于零，以及电流的正负问题。

学生在学习基尔霍夫电压定律时，对回路方向和电位降以及电位升之间的关系问题容易理解错误。为此，通过Multisim仿真实验可以直观地观察到测试结果(见图2)。

图2 验证基尔霍夫电压定律的电路图

由图2可知：V1=12 V，V2=-4.407 V，V3=-3.186 V，V6=-4.407 V。从而，可以得到：V1+V2+V3+V6=0，仿真验证了基尔霍夫电压定律。

2.2 晶体三极管放大电路仿真分析

晶体三极管放大电路的静态工作点分析和动态性能分析是电子学课程中一个重点内容，尤其是小信号放大电路动态性能分析，在实际中应用十分广泛。结合Multisim对共发射极分压式偏置电路进行仿真，使学生能够直观地理解信号放大的原理，以及静态工作点设置与信号失真的关系。在Multisim环境中设计的晶体三极管放大电路如图3所示。

为了使三极管能够完成正常的信号放大，需要设置合理的静态工作点。调节R7=136 kΩ，使Vb=2.42 V，Vc=7.41 V，Ve=1.79 V。此时，在输入端输入一个正弦信号，输出端将输出一个放大的信号(见图4(a))。图中，示波器上半部分显示的为输入信号波形，下半部分显示的波形为输出波形。调节R7=13.6 kΩ，输出端信号将出现饱和失真(见图4(b))；调节R7=340 kΩ,则由于静态工作点过低，输出端信号将出现截止失真(见图4(c))。

图3 晶体三极管放大电路

图4 晶体三极管放大电路测试结果

2.3 运算放大器的电路仿真验证

运算放大器在实际的电路设计中应用十分广泛。运算放大器可以用来设计信号调理电路，完成比例、积分、微分、滤波以及信号发生器等功能[10]。掌握了运算放大器的使用，可以方便地设计各种控制电路。本文以LM324为例设计仿真实验。

2.3.1 反向比例放大器仿真分析

图5 反相比例放大器

为了验证电路的性能，输入频率为500 Hz、峰值为99.72 mV的正弦信号，输出信号峰峰值为1.98 V，输入和输出相位差为π，信号幅度之比约为10。值得注意的是，运算放大器的开环增益有上万倍，但由于引入了深度负反馈，放大器的增益只与外接的元件参数有关。

2.3.2 有源滤波电路仿真分析

滤波器就是一种选频电路，它能够从含有各种频率成分的信号中选出有用的信号。利用运算放大器可以设计各种滤波器，这里仅对有源低通滤波器进行验证，通过Multisim仿真一种Sallen-Key电路结构的滤波器的原理(见图6(a))。

为了验证该滤波器性能，设计截止频率fc=10 kHz，取R1=R2=10 kΩ，C1=2 μF，C2=1 μF，其波特图如图6(b)所示。

图6 低通滤波器电路仿真

由图6(b)可知，在增益达到-2.728 dB时，fc=10.879 kHz。在0～10 kHz范围内的频率对应增益约为0 dB，并且增益稳定，符合理论设计要求。

2.3.3 运算放大器构成信号发生器仿真分析

运算放大器工作在开环或者是正反馈情况下，可以构成信号发生器。该电路采用维恩电桥振荡电路，通过引入正反馈产生一个正弦信号，电路如图7所示。运放反相端接反相差动放大电路，同相端接维恩电桥，电路振荡时产生频率为f=1/(2πRC)的正弦信号。

图7 运算放大器构成信号发生器电路

当R1= 4.7 kΩ，R2= 10 kΩ，R3=R4= 16 kΩ，C1=C2=10 μF时，仿真结果表明振荡频率近似为1 kHz，和理论值相同。

2.4 555定时器电路仿真分析

555时基电路是一种模拟/数字混合集成电路，在外部配上适当阻容元件，可以方便地构成脉冲产生、整形和变换电路，如多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器、自动控制电路、频率变换电路等。

图8是用555时基电路构成的矩形波发生器，其高、低电平脉冲宽度分别为tp1=0.7(R1+R2)C2=0.595 s，tp2=0.7R2C2=0.413 s，占空比是D=tp1/(tp1+tp2)，周期T=tp1+tp2=1.008 s，频率f=1/T。仿真结果如图9所示，仿真结果与理论计算值相吻合。

图8 555信号发生器仿真验证电路

图9 555信号发生器仿真电路测试波形

555定时器电路除了产生常见的正弦波、矩形波外，还可以产生三角波、锯齿波等。矩形波是其他信号的基础，例如，若矩形波信号加在积分运算电路的输入端，则输出可得三角波；改变积分电路正向积分和反向积分时间常数，使某一方向的积分常数趋于零，则可获得锯齿波。

3 结束语

基于Multisim软件的电工及工业电子学仿真实验可以作为实物实验的补充。Multisim仿真实验突破了实物实验的时间和空间限制，提高了学生实验的自主性，不仅为学生进行实物实验奠定了基础，而且提高了学生对实验误差的分析能力。通过引入仿真软件，使电工及工业电子学课程实验按照“方案设计—软件仿真—电路设计与制作—系统调试”这一工程实践的流程进行，提高了实验教学质量，对培养学生综合素质起到了积极的促进作用。

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