Multisim 在电工电子教学中的应用

丁业兵，谭学琴

Multisim 在电工电子教学中的应用

丁业兵，谭学琴

针对高职高专院校电工电子技术课程教学的需要，分析和研究了Multisim虚拟仿真软件在电工电子教学中的应用。电工电子技术主要包括电路基础、模拟电路和数字电路部分，用Multism软件分别仿真和实现了戴维南定理、单极晶体管放大电路和计数器3种典型试验。仿真实验结果表明：合理利用Multisim软件直观、高效的设计仿真测试功能，不失为一种有效的实验教学方式，与传统理论和实验教学相结合，可以帮助学生理解、巩固理论知识，提高学生学习兴趣，拓展学生设计思维能力。

电工电子技术；实验教学；Multisim；仿真

0 引言

电工电子技术是高职高专院校工科专业的一门重要专业基础课[1]，讲述的是电工、电子技术中最基本的概念、定律及分析方法等具共性的知识内容，学好这门课程的意义和作用不言而喻。然而纵观古今和东西，能学好这门课程的中高职学生毕竟很有限，其原因有3方面，其一是因为学生自身基础薄弱的因素存在，其二是因为本门课程内容较抽象较难理解，其3是传统的理论和实验教学方式并没有发挥出完全的功力，造成教学效果不理想。如何解决这些问题，一直是摆在教学人员面前的课题，理论相对晦涩难懂，实验又受到时间、设备等因素的牵制，学生对理论和实践之间的思考缺乏横跨的桥梁，想象空间受限。

随着电子和计算机技术的飞速发展，电子设计自动化应运而生，Multisim就是一款美国NI（National Instruments）公司开发的以电子电路设计与仿真为主要功能的EDA（Electronic Design Automation）软件[2-4]。Multisim拥有交互式、图形化的学习环境，可以将枯燥的电路理论视觉化。如果将Multisim看作是一个用计算机虚拟的实验室平台，那么这个实验室里有功能齐全的元件库，还有万用表、信号发生器、示波器等虚拟仪器仪表。

不妨用Multisim软件作为一种工具和手段应用于电工电子技术相关内容的教学之中[5-6]，这就相当于拥有了一个移动的实验室，既可以在已有的计算机机房做实验，也可以把实验搬回宿舍。如此，便实现了学生在理论、仿真、实验室实验之间的无缝移动，适度填补了理论与实践之间的空白。

文中主要以戴维南定理、单级晶体管放大电路和三位同步计数器为例，讨论了Multisim12.0软件的仿真实验效果。

1 仿真实验

在学习理论内容以后，用Multisim软件进行仿真电路设计、验证、测试和分析，帮助学生理解和巩固理论知识，学生也可设计与课堂和课后作业相关的电路。仿真实验既可以模拟传统实验室中的实验，也可以运用虚拟仪器扩展实验功能。

1.1 戴维南定理仿真验证

戴维南定理是电路分析基础中的重要内容，然而部分高职学生却总不能理解和掌握，不知道怎么对有源二端网络进行戴维南等效变换。运用Multisim软件可以直观形象的对戴维南定理进行仿真验证。

戴维南定理的内容是任何一个线性有源二端网络，可以用一个理想电压源US和一个电阻R0串联来等效代替，其电压源电压等于二端网络的开路电压，电阻值等于除去电源后网路端口的电阻值，除去电源的原则是电压源短路，电流源开路。从元件库中选择相应的元器件，电路设计，如图1所示：

图1 戴维南定理仿真电路

负载为RL，求RL的电压或电流，可以用戴维南定理进行等效变换。

图1中负载支路串联了一个万用表“XMM2”，用来测电流，并联了一个万用表“XMM1”，用来测电压。当开关S1打开、S2闭合、S3打开时，将万用表设置成电压测试方式，测量开路电压；当开关S1闭合、S2打开、S3打开时，将万用表设置成电流测试方式，对除去电源后的网络端口进行电阻值测量。测得的数据与负载组合成等效电路，如图2所示：

图2 戴维南等效电路

图2中箭头为测量探针，可以测试电路中任意节点的电流、电压值，测试数据为背景中显示值，与图1中测试数据进行比较，验证结果一致，数据如表1所示：

表1 戴维南定理验证数据

最后再进行理论验证，以确保实验数据的准确性。从以上仿真实验可见，Multisim软件设计电路直观、形象，其中的虚拟万用表和测量探针为电路分析提供了极大的方便。

1.2 单级晶体管放大电路仿真

晶体管（三极管）可以工作在饱和、截止、放大3种工作状态，了解、掌握晶体管的这3种工作方式是模拟电路的基本学习内容。对于学生来说模拟电路理论较为抽象，所以学习效果往往不理想。下面以分压式偏置放大电路为基础分析单级晶体管放大电路工作情况，用Multisim进行仿真调试，形象的图像界面将抽象理论通过视觉化展现在学习者的面前。仿真电路，如图3所示：

图3 单级晶体管放大仿真电路

R1、R2是基极分压电阻，R1是可调电阻，R3是集电极电阻，R4是发射极反馈电阻，“XFG1”是信号发生器，“XFG1”是双通道示波器，编号为2、3、4的结点处分别接了测量探针。

通过调节可变电阻R1能获得晶体管的3种工作状态，①当U2>U4，U3>U2时，工作在放大状态；②当U2>U4，U2>U3时，工作在饱和状态；③当U2

表2 晶体管三种工作状态数据

工作波形从示波器观察，示波器A通道接信号发生器，显示输入波形，B通道接负载，显示输出波形，如图4所示：

图4 示波器显示输入输出电压波形

图4中曲线2为信号源正弦波，曲线1为放大信号波形，显示刻度值可自行灵活设置。

通过观察示波器显示波形图可分析输入输出交流电压情况，从图4可见，此放大电路相位相反。如果饱和失真，波形呈下削顶状态，如果截止失真，波形呈上削顶状态。1.3 同步二进制加法计数器仿真

Multisim为数字电路提供了强大的仿真功能，其中有包含集成逻辑门、编码器、译码器、寄存器、计数器等元件库，也有测试、分析这些逻辑电路功能的辅助虚拟仪器，如逻辑转换器、逻辑分析仪、字信号发生器等。以同步二进制加法计数器为例来说明其在数字电路中的应用，仿真电路如图5所示：

图5 同步三位二进制加法计数器仿真电路

图5中用3个JK触发器构成了三位同步二进制加法计数器，时钟信号源提供同步触发信号，低位触发器JK端接高电平，次低位触发器JK端接低位触发器的输出Q0端，Q0和Q1相与后接入高位触发器的JK端，与门芯片为74LS08，数码管译码显示出十进制计数值，当然也可以用逻辑分析仪验证输出的时序波形图正确与否。

2 总结

学员只要在一台安装有Multisim软件的计算机上就可以进行仿真实验，解决了传统实验室资源有限，仪器仪表等设备易老化、损耗等问题。Multisim软件数据库中包含电工电子领域各式各样丰富的模拟真实元器件，各类型元件的参数可以进行灵活设置，并提供有万用表、示波器等模拟真实仪器仪表，还有逻辑转换器、逻辑分析仪等虚拟仪器，这是传统实验室所无法比拟的。Multisim软件直观的图形化界面，拥有强大的分析功能，不仅能够进行理论分析验证，还可以进行电路设计、开发，培养学生的自主创新能力。当然，Multisim不能因为它虚拟仿真功能的强大而完全代替传统实验，但是可以尝试把它作为一种有效的辅助工具，结合理论与实践，应用于电工电子技术教学之中。

[1] 曾令琴.电工电子技术[M]. 第3版. 北京:人民邮电出版社,2012.

[2] 张晶,李心广.基于multisim的电路设计与仿真[J]. 计算机仿真,2005,22(5):109-110.

[3] 王延才. 基于Multisim的电路仿真分析与设计[J]. 计算机工程与设计,2004,25(4):65-67.

[4] 马敬敏.基本RS触发器工作状态的Multisim仿真[J].电子设计工程,2011,19(17):24-26.

[5] 朱晓平. Multisim9在电工电子教学中的应用探讨[J].合肥学院学报(自然科学版),2008,18(2):84-86.

[6] 罗廷芳,南江,李伟. NI Multisim在电工电子技术教学中的应用[J]. 电子设计工程,2012,20(6):154-157.

Design and Simulation of Counter Based on Multisim

Ding Yebing, Tan Xueqin
(Anhui Post and Telecommunication College, Hefei 23031, China)

In response to the need of Electrical and Electronic Technology teaching in the higher vocational colleges, this paper analysis and discusses the applications of Multisim simulation software in the Electrician and Electron Teaching. Electrical and electronic technology mainly includes fundamentals of circuit analysis, Multism software is used to simulate and implement three typical experiments which are the Thevenin theorem, the unipolar transistor amplifier circuit and digital circuit. The simulation results show that rational use of Multisim software’s intuitive and efficient test function in design simulation is a kind of effective experimental teaching method. Combined with the traditional theory and experiment teaching, it can help students understand and consolidate theoretical knowledge, arouse student’s interest in study and develop student’s ability of design thinking.

Electrical and Electronic Technology; Experiment Teaching; Multisim; Simulation

TP391

A

2014.10.11）

1007-757X(2015)01-0053-02

丁业兵（1978-），男，安徽巢湖，安徽邮电职业技术学院通信工程系，硕士，研究方向：信号与信息处理，合肥，230031

谭学琴（1982-），女，云南绥江，安徽邮电职业技术学院通信工程系，硕士，研究方向：信号处理，合肥，230031