Multisim仿真在电子实习教学中的应用

饶珺

摘要：在电子实习中应用计算机仿真软件Multisim有助于学生更透彻地理解理论知识。根据叠加定理仿真教学中的课堂反馈，提出在电压电流的基础上增加功率计算。依照叠加定理的仿真验证过程，进而提出学生自主完成戴维南定理仿真验证的实验要求。学生需选取合适的元器件并完成电路设计，通过Multisim平台搭建电路，将仿真结果与理论计算值进行比对，使戴维南定理得以验证。经过教学试讲，引入Multisim取得了较理想的教学效果，由此证明Multisim仿真软件在电子实习教学中的可行性。

关键词：电子实习; Multisim仿真;实践教学;叠加定理;戴维南定理

中图分类号：G642        文献标识码：A        文章编号：1009-3044（2018）31-0182-03

Application of Multisim Simulation in Electronic Practice Teaching

RAO Jun

（Shanghai University National Training Experimental Teaching Center for Engineering Training， Shanghai 200444， China）

Abstract： Introduce computer simulation software Multisim into electronic practice can help subtends get a deeper understanding of theoretical knowledge. According to the feedback in Superposition theorem simulation course， power calculation is added besides voltage and current. Then according to Superposition theorem simulation， the students are asked to simulate Thevenin theorem independently. The students need to select appropriate components and design the circuit， and compare the measured results with the theoretical values in Multisim， so Tthevenin theorem is verified. After teaching trial， the introduction of Multisim simulation has achieved an ideal teaching effect. Therefore， Multisim introduction is viable in Electronic Practice Teaching.

Key words： electronic practice; Multisim simulation; educational practice; Superposition theorem; Thevenin theorem

1 引言

电子实习是电子类专业一门重要的实践教学课程[1]，主要以学生动手为主，培养学生掌握一定的电子操作、设计创新技能及工艺知识。电子实习是电子产品从电路设计、印制电路板、焊接、安装、调试、结果分析到最终成品验收的一个系统过程。内容设置包括焊接工艺基础训练;电子产品常用元器件介绍;电子仪器仪表的使用;调幅收音机的装配、调试;印制电路板的设计等。通过电子实习，可使学生初步了解电子产品的生产、制作、调试，巩固所学理论知识，提升专业技能和实际工作能力[2]。

随着计算机技术和集成电路技术的发展，现代电子与电工设计已经步入了自动化的时代，针对目前大学毕业生就业的新形势，单纯传授知识的常规教学，难以满足当今企业的岗位要求。为适应就业新需求，将计算机仿真软件融入电子实习课程的学习中，可使学生更早接触计算机仿真软件，从而达到提升学生专业技能的目的[3] [4] [5]。

2 Multisim概述

2.1 Multisim软件的特点

Multisim[6][7]是美国NI公司推出的电子电路仿真设计软件，是Electronics Workbench （简称 EWB） 的升级版本，具有界面直观、操作方便等特点，能更好地适应当今电子电路的仿真与设计需求。除了EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、字信号发生器、示波器、扫频仪等，Multisim还新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪，这些虚拟仪器与实物模型的外观及操作方式都完全相同，为学生创造了使用仪器的训练机会。此外，Multisim丰富的元器件库包含了万余种元器件供调用。Multisim平台不仅能实现模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路的仿真實验，还能通过其强大的分析功能深入了解和探讨电路的时域响应特性[8][9]。

Multisim计算机仿真软件还具备功能强大的教学选项。教师可通过定制选用的仪器和分析，控制展示给学生的电路画面，并进行修改保存[6][10]。其电路限制功能则可以帮助学生快速找出连线错误，从而提高实验效率，节约调试时间。

2.2 Multisim软件应用于教学的优越性

Multisim仿真软件界面简单，像一个实验工作台[11][12]，包含各种进行仿真分析的操作命令，软件中元件箱用于存放仿真元器件，仪表库用于存放测试仪器仪表。通过屏幕抓取的方式可选用元器件、创建电路、连接测试仪器仪表。Multisim可以交互控制电路的测量及运行过程，并实时显示测试结果。其直观的图形界面、简单的操作步骤、强大的测试分析功能，将虚拟仪表技术的灵活性扩展到了电子设计者的工作平台上[6]。将Multisim仿真软件应用于教学，可替代电子实习中的各种传统仪器仪表，在实验项目的开发上具有灵活多样性，使电子线路的仿真更高效，当改变电路连接或改变器件参数时，学生可以清楚地观察到该变化对电路性能的影响。因此，将计算机仿真技术融入电子实习课程中，能让学生充分发挥主观能动性，激发学生学习创新，提高学生对理论知识的理解及动手实践能力。

3 Multisim在电子实习中的应用

电子实习教学过程中，采用“理论基础—仿真实验”的教学模式，教师首先介绍相关概念、原理等知识，学生再根据实验内容要求，选择合适的元器件进行原理图设计，并分析实验结果。这种教学模式实现了课上课下学习的完美结合，激发了学生的学习热情。下文先介绍了利用Multisim验证叠加定理[5]，然后提出同学自主设计电路对戴维南定理进行仿真验证[13][14]。

3.1 叠加定理的仿真与分析

3.1.1 叠加定理

叠加定理[15]是电工技术中一个重要定理，内容为：在任何含多个独立电源的线性电路中，任一支路中的电流（或电压）等于各个电源单独作用时，在该支路中所产生的电流（或电压）的代数和。叠加定理只能用来求电路中的电流或电压，而不能用于计算功率。

3.1.2 利用Multisim验证叠加定理

学习叠加定理，不仅仅是记住它的内容，更重要的要能够灵活地应用。在教学过程中，通过利用 Multisim仿真来验证此定理，可以创建更直观的教学情境，让学生更容易理解。

实验电路如图1，U_S1=5V，I_S2=1A。利用叠加定理先计算图1（a）电路中各支路电流和电压U₁、U₂，过程如下：

图1（b）为电压源单独作用时的电路，此时电流源作断路处理，电流计算结果为：

图1（c）为电流源单独作用时的电路，此时电压源作短路处理，有：

如图2（a），在实验电路中并联电压表XMM1、XMM2分别测量电压U₁、U₂;在电路中串联电流表XMM3、XMM4分别测量电流I₃、I₄，读数如图2（b）所示。由此可知仿真结果与计算值相等，满足叠加定理。

实验难点

通过教学反馈，学生能充分理解叠加定理中电流、电压相关阐述，但对定理所说“不能用于计算功率” [15]理解不够深入。在实验中增加对功率的计算，以R3为例：

3.2 自主设计电路并验证戴维南定理

3.2.1 戴维南定理

任何一个线性含源二端网络N，如图4（a）所示，就其两端钮a、b来看，可等效为一个电压源和一个电阻的串联组合，即电压源模型，如图4（b）所示。其中，电压源的电压值uoc等于该含源二端网络端口的开路电压，如图4（c）所示;串联电阻Req等于该含源二端网络中所有独立源为零值时，所得无源二端网络N0的等效电阻，如图4（d）所示[15]。

3.2.2 设计电路验证戴维南定理

学习戴维南定理后，同学自主设计电路，选择适当的直流电源、电阻、电压表、电流表在Multisim中搭建电路进行仿真实验。参照图5，实验步骤如下[16]：

1） 理解有源二端网络等效电路的含义，深入学习戴维南定理;

2） 按照实验要求，选取元器件并设计电路;

3） 在Multisim中正确连接电路，并根据设计电路对应设置元器件参数;

4） 通过仿真仪表测量有源二端网络的电流、电压和等效电阻;

5） 将仿真实验的测量数据与理论计算结果进行对比，判断仿真实验操作是否正确。

4 结论

Multisim计算机仿真将实验电路可视化，使原本乏味抽象的学习变得生动形象，既能锻炼和深化学生的基本理论知识，强化学生的实践动手能力，还能培养学生的学习兴趣。通过教学试讲，课堂反应效果明显，学生在电路设计过程中，不仅能充分发挥个人能动及创新思维能力，也能提升计算机操作和应用能力;调试电路环节，同学展示了各自排除电路故障的技能，能根据实验结果调整电路，最终达到实验目的。由此证明在电子实习课程中引入Multisim教学方案的可行性。

参考文献：

[1] 琚生根，陈润，师维，等.基于虚拟仪器仿真软件Multisim设计电子技术实验教学电路[J].实验技术与管理，2017，34（8）：7-8.

[2] 胡维，张方樱.电工电子实习教学改革的探索[J].实验科学与技术，2015，13（1）：213-214.

[3] 李清芬. Multisim 10在中职《电力电子技术》教学中的应用[D].云南：云南师范大学，2013：1-6.

[4] 杨静，张晓辉.浅析当前大学生电子实习存在的问题与对策[J].科技展望，2015，25（5）：293.

[5] 杨晓雷. Multisim 11在《电工技术基础与技能》教学中的应用研究[D].上海：上海师范大学，2013：48-50.

[6] 张新喜，许军，王新忠，等. Multisim 10电路仿真及应用[M].北京：机械工业出版社，2016：15-19.

[7] 刘竹.Multisim在数字电路教学中的应用研究[EB/OL].[2017-12-22]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1108.TP.20171222.1519.168.html.

[8] 刘君，杨晓萍，吕联荣，等. Multisim 11在模拟电子技术实验中的应用[J].实验室研究與探索，2013，32（2）：96.

[9] 程晓辉.Multisim仿真软件在电路电子实验教学中的应用[J].通信电源技术，2018，35（2）：95-96.

[10] 白玉成.基于MULTISIM仿真电路的设计与分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010：3-4.

[11] 冼凯仪.基于虚拟仪器仿真软件Multisim设计电子技术实验教学电路[J].教育现代化，2016，24：170-172.

[12] 杨蕊，王晓燕，杨婷.基于Multisim虚拟仿真技术的电工电子实验室建设[J].实验技术与管理，2015，32（10）：129-130.

[13] 梅烨，罗敏，田艳芳，等.Multisim在电路分析教学中的应用[J].教育现代化，2016，4（3）：113-114.

[14] 何新霞，王艳松，马文忠，等.“电路分析实验”课程融合设计性和研究性的探索[J].电气电子教学学报，2016，38（3）：120-122.

[15] 王玫，宋卫菊，徐国峰，等.电路原理[M].北京：中国电力出版社，2011：67-74.

[16] 冯清娟.如何做好戴维南定理的教学设计[J].电脑知识与技术，2016，12（15）：149-150.