Multisim在电工与电子技术创新性实验中的应用

2017-12-05 11:33李海港张勇王香婷

大学教育 2017年11期

李海港+张勇+王香婷

[摘要]针对电工与电子技术创新性实验教学的现状，学院将美国NI公司的Multisim仿真软件引入创新性实验教学中，并提出了基于Multisim的创新性实验教学方法。经过实践证明，该方法不仅有助于学生创新性思维的培养，同时降低了创新性实验中器件损耗及设备的故障率。

[关键词]Multisim软件；电工与电子技术；开放式设计性实验

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）11-0069-03

电工与电子技术实验课程是电工与电子技术课程的重要组成部分，其中创新性的综合设计实验对培养学生的创新性思维、增强学生思考和动手能力等有很大帮助。[1]但是我们在开展创新性实验教学的过程中发现其还存在诸多问题，如学生在设计过程中往往容易造成器件、设备的损坏，设备故障率很高，给创新性实验室的管理带来了新的挑战。[2][3]针对这种现状，为了提高实验教学质量和效果，探索新的教学方法与手段，我们采取了多种措施。Multisim12软件是美国国家仪器NI公司推出的一款功能强大且具有创新内涵的虚拟仿真软件，它能解决在传统创新性实验教学过程中存在的诸多问题[4][5]：1.可以减少电子元器件的损耗、降低电子设备的投入；2.可以大大提高学生设计实验电路及验证的效率；3.可以培养学生综合运用所学知识的技能，以及独立思考的能力。

一、Multisim仿真软件概况

Multisim软件是美国国家仪器（NI）公司的一款功能十分强大的仿真软件，该软件具有多种输入方式，例如原理图、硬件描述语言等。输入方式比较灵活，同时仿真功能十分丰富。

它是一个电工与电子技术设计虚拟电子工作平台。Multisim软件中的虚拟仪器功能强大，它能模拟各种真实的仪器；能够对各种类型的电路例如模拟电路、数字电路及模数混合电路进行各种的功能仿真；具有极其友好的交互图形界面；能够在个人计算机上构建一个能够模拟真实实验室的平台环境，满足各种需求的电路方案可行性的仿真验证。

Multisim仿真軟件提供了丰富的电路元器件库以及种类齐全的电子设备。[6]该款软件集合了三种国际知名的电子测量仪器供应商安捷伦公司的相关仪器，软件集成的精度达到6位半安捷伦数字万用表。其还集成了带宽可达到100MHZ的高性能安捷伦示波器。这些虚拟仪器，在Multisim软件中呈现出来的面板、调节旋钮、人机界面等和真实的安捷伦公司的同类同型号的实际电子测量仪器完全一样，操作方式也完全相同。模拟真实仪器效果十分逼真。[7][8]

二、基于Multisim仿真实验研究方法

根据电类实验的特点及需求，本文从三个方面阐述Multisim软件在电类实验教学环节中的应用。

（一）基础验证型实验

按照“理论教学—计算机仿真—实验环节”的教学方式，学生根据实验指导讲义给出的实验任务和要求，先在Multisim软件环境中对实验电路进行仿真及测试，然后再在实际的实验平台上搭建相同的实际电路进行调试并观察实验的真实结果，最后将虚拟仿真实验的结果与硬件实验的结果进行对比分析。该种实验形式可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节这一难题。学生可以很方便地把刚刚学到的理论指示用计算机仿真再现出来，并且可以采用不同的电路分析方式对电路进行多种测试，极大地提高了学生的学习热情和积极性，真正做到了变被动学习为主动学习，明显提高了实验效率。

（二）提高型实验

指导教师在规定的典型实验中可以设置一些隐含故障（如各种元器件引线的短路、开路和漏电等），要求学生根据电路原理和实验现象来判断故障所在并加以排除。这类实验在原有的实验平台上很难实现，必须采用专门的仪器设备，现在采用Multisim软件模拟就能很容易做到。它可帮助学生深入理解电路原理，并能有效地培养学生分析和解决问题的能力。同时，掌握应用Multisim软件对电子电路进行故障分析诊断，将会给学生在分析诊断比较复杂的电路故障及资料不全的电气故障时带来极大的方便。随着仿真技术应用的逐步推广，它将会很快成为对电子电路进行故障分析诊断的一种重要手段和有效方法。

（三）创新性、设计型实验

实验前可由指导教师提出设计题目，也可以由学生根据自己的兴趣自拟题目；实验时学生自行设计原理图并进行仿真实验，最后输出各参数的分析报告。该方法最适合在开放性实验室和学生的综合课程设计中使用，它能有效地培养和训练学生的创新性思维和电子线路的开发能力。Multisim软件对学生欲进行的设计内容没有任何限制，不需要进行任何实验设备和元器件的准备工作，学生只要有灵感、有创新精神就可以自行设计各种电路，并能及时地通过实验来验证自己的设计是否正确、合理，是否能达到设计目的，从而提高学生的学习兴趣和激发他们的科技创新欲望，较好地培养具有创新能力的高技能人才。

之前的开放式设计型实验教学过程中，开放式设计型实验的一般流程是：1.构思一个创新性实验，绘制相关的电路原理图，采购所需元器件，在万能板上搭建和焊接电路。2.调试电路，验证电路的相关性能，在此过程中需要反复修改并调试电路，直至满足全部性能指标。

本文所提的创新性实验教学过程，通过引入Multi？鄄sim仿真软件，就能够开发出满足不同层次的创新性设计和综合型实验，满足不同专业、不同层次学生的培养需求。[6]基于Multisim仿真软件的创新性实验教学方法如框图1所示，学生根据相关的题目，自行思考、提出创新性实验设计方案并先进行实验原理电路设计，在仿真软件中搭建一个虚拟的电路仿真模型，不断地设计、调试、修改逐步完善实验原理图的设计，直到达到相关设计需求。endprint

通过引入Multisim仿真软件的新型创新性实验的教学方法和设计过程我们能够看到，仿真软件在新型创新性实验设计过程中展现了巨大的优势。在创新性实验设计过程中，学生在实验过程中对设计的电路可以很快修改电路参数，及时更换电路元件，并且能够及时看到仿真结果，根据仿真结果进行优化设计。这比传统方法大大提高了设计效率，还充分调动了学生的主动性和创造性。

仿真软件提供了各种元器件，极大地方便了学生的创新性设计。因为在传统的教学中，实验室配备的器件种类是有限的，而学生的创新性实验内容是开放的，可能会造成学生找不到所需器件的问题。另外，软件提供了各种丰富的仪器，例如波特图仪，同时提供了强大的分析功能，比如噪声分析、失真度分析，这些分析仪器可加深学生对电路的理解。

对于高电压、大电流等有一定危险性的创新性实验，通过仿真软件设计实验原理图，理论验证正确后，再构建实际创新性实验，能够有效保障实验过程中学生的生命安全，增加安全系数。

三、Multisim软件在“电工与电子技术”创新性实验中的应用

多功能的函数信号发生器是电类实验教学过程中经常使用到的电子仪器。在创新性实验开展过程中，我们以简易的波形信号发生器为题，训练学生自己构建一个简易的信号发生器。信号发生器是一个相对比较复杂的纯硬件电路设计，如果直接让学生用实际电路搭建，学生往往会因为各种因素造成很多电路故障，不利于学生创造性的发挥。将Multisim软件引入创新性实验教学过程后，可以非常方便地构建及调试验证。

如下图2所示，创建一个简易的波形信号发生器，可以产生正弦波、方波、三角波等三种波形。通过图中的虚拟四通道的示波器观测这三种波形，为了更好地区分这三种波形，虚拟示波器的三个输入端分别以红色、粉色、绿色的导线予以区分。