计算机仿真在电子技术课程中的应用

王 凡 吴佳楠电子科技大学中山学院机电工程学院 广东中山 528402



计算机仿真在电子技术课程中的应用

王 凡 吴佳楠
电子科技大学中山学院机电工程学院 广东中山 528402

摘 要：针对电子技术课程存在的课堂教学无法直观展示电路特性；实验项目单一并容易受元器件影响等问题。提出采用计算机仿真平台应用于电子技术课程，并结合教学实际，展示Multisim在教学与实验中的应用。证明采用计算机仿真技术可以有效地丰富课堂内容，增强直观感受，提高学生的主动探索精神。

关键词：计算机仿真；电子技术；Multisim

电子技术是通信、计算机、自动控制等专业的基础能力。很多电子线路的效果都需要逐步地保证正确，才能最终发出正确信号。如“幅频”“反馈”等电子抽象性概念多，对初学者实践综合能力要求较强。传统的课程教学与实验环节，缺乏直观的数据体现，因此需要进一步完善课程体系，使学生水平与应用型人才培养目标相符合，提升学科知识融合能力、工程应用实践能力以及学生创新能力[1]。

1 电子技术课程现状

电子技术是一门实践性非常强的课程。目前大部分高校的电子技术课程的难点主要体现在对宏观现象的微观分析，而随着外界因素的改变，如何分析电路状态的变化。在传统的教学环节虽然可以进行数学方面的推导，但是由于课堂时间有限，复杂电路的外界变量众多，学生无法直观地认识到电路状态变化情况。同时学生在学完课堂知识之后也没有手段可以快速实践电路理论。

电子技术实验主要集中在验证性实验，实验实践动手操作部分也是以模块集成化实验设备为主，需要动脑少，仅仅是通过实验指导书的接线方式，把实验连线搭接完成基本上就可以完成实验了。只适合做一些有限的和验证性的一些实验，不利于扩展学生的思维和创新性，也不适合有能力的学生做进一步设计开发性的实验[2]。在学完实验课程之后，不少学生还不能分析和调试实际电路，也不能分清集成电路等元器件引脚，甚至不会用最常用的电子仪器仪表(如万用表和示波器等)。电子实验又不允许出现过多的误操作，将电子元件烧坏或带来安全隐患。而学生无法根据自己的兴趣和需求进行实验，不利于学生专业能力的拓展与创新思维的培养[3]。

2 计算机仿真技术在电子技术课程中的应用

2.1 电子设计的计算机仿真技术简介

EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写，EDA仿真平台是应用学生熟悉的计算机平台，通过动手实践，亲身体验电路的变化情况，能够为学生提供一个直观、形象的学习平台[4]。知识以仿真实验的方式传递，降低学生学习难度，激发学生的学习兴趣。并可以将EDA仿真作为课程设计的一部分，在实验学时有限的情况下，可以让学生在课余时间完成实践环节。

在电子技术课程中常用的计算机仿真软件包括了Matlab，PSPICE，Multisim等。其中，Matlab有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。PSPICE可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。Multisim其仪器仪表库中的各仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样，但它对模数电路的混合仿真功能却毫不逊色，几乎能够100%地仿真出真实电路的结果。因此作为对课堂或者实验内容的扩展与补充，Multisim就显得更贴近于实际应用环境。

Multisim的前身是EWB(Electronics Workbench)，具体系统高度集成，界面直观，操作方便，主要表现在元器件的选取、电路的输入、虚拟仪器的使用以及各种分析都可以在屏幕窗口上直接操作，与实物一样直观。在升级到Multisim之后，成为紧密集成，终端对终端的解决方案，可以利用这一个软件完成电子工程项目从最初的概念到最终成品的全过程。特别是单独教育版就提高了近两万种元器件，这些器件或者设备与现实实验环境完全一致[5]。为学生提供了虚拟的3D面包板实验平台和3D元件库，学生可以在此基础上自己搭建电路。同时Multisim具有强大的仿真分析能力，利用在仿真平台搭建的电路就可以基本确定电路的工作状态。Multisim还具有多种常用的虚拟仪器，可以通过这些仪表观察电路的状态，测量电路的效果。而且这些仪表的设置、使用和读数与实验室中现实使用的一致，非常有利于学生熟悉实验环境。

2.2 Multisim在电子技术课程教学中的应用

在电子技术课程教学中利用计算机仿真环境，可以迅速地给学生创立电路运用场景。并且可以实时调整电路参数，利用表格、图形、曲线等文字不容易描述的方式让学生产生直观的认识，从而给学生营造出真实的电路分析环境。

在最基本的共射放大电路中，学生需要掌握的知识点包括了直流静态工作点的分析测量，放大器动态指标。其工作电路如图1所示。

图1 基本共射放大电路

在进行静态工作点分析的时候，主要是确定静态工作点的具体数值以及了解为何要确定静态工作点。即通过计算得到VB，IEQ，IBQ，UCEQ的值，从而确定电路的工作状态。通过电路图分析，可得知：

在传统课堂上一般采用代入具体数值进行计算后得到工作点数值，从而判断电路工作状态。但是单凭数值结果很难让学生产生直观的认知。很难理解由于工作点设施不当所引起的截至失真与饱和失真。

但是利用Multisim平台，作为教师可以轻松地调节电路中R6的大小。在仿真平台，可以实时的测量到工作点的数值变化，而且利用虚拟仪器展现静态工作点改变之后，输出波形的失真情况。增大R6的值所产生的截至失真如图2(a)所示，减小R6所产生的饱和失真如图2(b)所示。在教学中，采用Multisim测量探针功能可以实时观测到节点3的电压以及电流的是如何随着R6的调节而改变。从而让学生对于静态工作点的设置所引起的电路状况的变化有了直观上的认识。

图2 工作点引起的失真分析

对于基本共射放大电路的动态分析，是指在静态值确定之后分析信号的传输情况。一般包括电压放大倍数，输入电阻，输出电阻等。

电压放大倍数Au反映了电路对输入电压的放大能力，定义为输出电压变化量与输入电压变化量之比，特别是当输入为正弦信号时，可以用有效值向量标识。

在计算中β为晶体管的电流放大系数，在小信号条件下为常数。rbe为晶体管的动态输入电阻，表示了晶体管的输入特性，在小信号条件下也为常数。R4为静态工作点分压电阻，一般不会变化。因此，可以看出负载R5越小则电压放大倍数越低。

在教学中可以方便地利用Multisim的仿真功能，在电路中的输入端与输出端插入万用表直接测得ui与uo的有效值。并且可以改变负载R5的值，验证电压放大倍数如何随负载的变化而改变。

2.3 Multisim在电子技术课程实验中的应用

当学生学习完负反馈的知识之后，一般会在实验室验证负反馈对阻容耦合二级放大电路的影响。但是由于线路非常复杂(如图4所示)。连线一般都为非屏蔽线，三极管内部的极间电容，使得电路通常存在寄生振荡，使得实验结果在验证性实验箱上很难观察。

图3 负反馈阻容耦合放大电路

根据实验要求，一般要观察负反馈对放大电路输出的影响，测量有无反馈时的电压放大倍数；观测负反馈对于失真的改善；负反馈对于放大电路频率特性的影响。在传统的实验箱验证实验中，学生需要完成复杂的连线，设定合适的静态工作点，加入合适小信号之后再观察输出的波形。一方面可能是由于元器件本身的不稳定；而另一方面由于学生对于实验设备操作不够熟练。一般在正常实验课程时间内能观测到合理波形的学生不超过30%。而采用Multisim进行计算机仿真之后，在电路连接正确的情况下就可以方的地进行结果的验证，而不需要在意仪器的误差和元器件的老化。在图3中可以通过开关J1设置电路的反馈情况，J2设置电路为闭环还是开环。通过示波器XSC1可以方便地观测到输入与输出的波形，并且通过对输入信号XFG1的调节，而对有无反馈情况出最大不失真进行对比。

阻容耦合放大电路的频率特性也是负反馈的重要影响。在传统实验中，需要保证输入信号幅度不变的情况下，改变频率，并记录输出波形的幅值。通过输出波形幅值的变化而做出幅频特性曲线，为了曲线的精确需要大量的数据点，这样就导致记录过琐烦琐耗时。当利用Multisim进行分析的时候，利用交流分析(analysis，AC)是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析，通过分析可以得到电路的幅频特性和相频特性。Multisim在进行交流分析时，首先分析电路的直流工作点，并在直流工作点处对各个非线性元件做线性化处理，得到线性化的交流小信号等效电路，并用交流小信号的等效电路计算电路输出交流信号的变化[6]。对于负反馈放大电路，只需要在菜单里选择仿真→分析→交流分析。之后设置好合适的起止频率，并将纵坐标设置为线性(默认为对数)，就能方便的观察到反馈对阻容耦合放大电路的频率特性的影响(如图4所示)。

图4 负反馈对放大电路频率特性的影响

通过比较就很容易看出引入负反馈之后虽然放大倍数明显降低，但是通频带也明显变宽。

3 结束语

根据电子技术课程的教学要求，计算机仿真特别是Multisim软件的引入，可以有效地解决电子技术课程在课堂上缺乏直观感受与实践经历。同时，对于高校实验环境的仪器短缺，老化等无法满足设计类实验的情况得到了一定的缓解。

基于Multisim搭建仿真实验环境，还可以让学生在该平台进行综合性设计实验以及课程设计类项目，培养学生独立思考，主动探索的精神。使学生在学习理论的同时，可以验证课题要点，达到对电子技术这门课程的感性认知。

参考文献

[1] 付扬.Multisim仿真在电工电子实验中的应用[J].实验室研究与探索,2011,30(4):120-122,126.

[2] 韦庆进,彭建盛.自主引导性模拟电子线路实验平台的探究[J].制造业自动化,2012,34(17):131-133.

[3] 孙俊卿,罗云林,黄建宇.虚拟高频电路实验教学系统开发研究[J].现代电子技术,2009,32(20):107-109,112.

[4] 雷能芳.利用计算机仿真软件辅助电子技术教学与实践[J].实验技术与管理,2007,24(1):100-102.

[5] 雷跃,谭永红.用Multisim10提升电子技术实验教学水平[J].实验室研究与探索,2009,28(4):24-27.

[6] 张志友.Multisim在电工电子课程教学中的典型应用[J].实验技术与管理,2012,29(4):108-110,114.

Application of Computer Simulation in Electronics Technology Course

Wang Fan, Wu Jianan
School of Electromechanical Engineering, Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan, 528402, China

Abstract:The characteristics of the circuit cannot be displayed in the classroom, and components will affect experimental projects in electronics technology course. Computer simulation technology can be used in the Electronics Technology Course. And show the application of Multisim in teaching and experiments with the actual. Computer simulation technology can effectively enrich classroom content, enhanced intuitive feelings of students, and improve student to explore independently.

Key words:computer simulation; electronics technology; Multisim

收稿日期：2015-09-23

作者简介：王凡，硕士，实验师。

基金项目：2 0 1 3年中山市科技计划项目(编号：2013A3FC0271)；2014电子科技大学中山学院高等教育教学改革项目(编号：JY201414)；2015电子科技大学中山学院机电工程学院教育教学综合改革项目(编号：JDJG201501)。